橋梁改建的研究及應(yīng)用

林海榕

（上海市交通建設(shè)工程管理中心，上海市 200065）

0 引 言

當(dāng)受到道路等級(jí)或航道通航標(biāo)準(zhǔn)提高、城市交通規(guī)劃更新調(diào)整等一系列因素的影響，現(xiàn)狀橋梁無法適應(yīng)交通的進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，就需要進(jìn)行改建以滿足發(fā)展的需求。

如對(duì)老橋進(jìn)行拆除新建，會(huì)產(chǎn)生以下嚴(yán)重影響：施工周期長(zhǎng)、交通影響大、建設(shè)成本高、環(huán)境及社會(huì)影響大。因此尋求一種合理、安全、經(jīng)濟(jì)、快速的橋梁改建方法極為必要。

本文結(jié)合工程實(shí)例，從改建原則、計(jì)算要點(diǎn)、改建方式等方面，針對(duì)既有橋梁改建方法進(jìn)行全面的研究探討，以保證橋梁改建的合理、安全、經(jīng)濟(jì)、快速[1]。所得結(jié)果可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

1 改建原則

既有橋梁改建原則應(yīng)遵循安全適用、技術(shù)可靠、經(jīng)久耐用、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境保護(hù)的要求，主要有：

（1）既有橋梁改建時(shí)，應(yīng)確保橋下凈空滿足排洪、通航等要求。在設(shè)計(jì)研究前期應(yīng)征詢相關(guān)部門意見，盡量做到橋梁維修改造時(shí)能維持原跨徑布置，上部結(jié)構(gòu)以滿足梁底標(biāo)高不低于現(xiàn)狀梁底標(biāo)高為原則。如此可極大提升橋梁改建的經(jīng)濟(jì)性、施工便利性。

（2）開展針對(duì)現(xiàn)狀橋梁的檢測(cè)，結(jié)合檢測(cè)報(bào)告及總體方案設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，確定現(xiàn)狀橋梁的可利用程度，提出合理、安全、經(jīng)濟(jì)、快速的改建方案。

（3）橋梁維修改造應(yīng)盡量減小額外增加的荷載，并根據(jù)現(xiàn)狀橋梁的檢測(cè)結(jié)果，確保結(jié)構(gòu)安全耐久。

（4）將工廠化、裝配化等快速化施工方案作為主要應(yīng)用方向，合理確定上部結(jié)構(gòu)型式，盡可能縮短施工工期，減少施工期間對(duì)交通的影響。

2 計(jì)算要點(diǎn)分析

2.1 計(jì)算原則

（1）對(duì)既有橋梁進(jìn)行改建計(jì)算時(shí)，應(yīng)結(jié)合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）及現(xiàn)狀橋梁的“檢測(cè)報(bào)告”，對(duì)保留利用的老橋采用相應(yīng)的檢算系數(shù)和折減系數(shù)。

（2）采用原設(shè)計(jì)規(guī)范來復(fù)核計(jì)算保留利用的結(jié)構(gòu)。

2.2 計(jì)算內(nèi)容

（1）蓋梁抗彎承載力、抗剪承載力、抗裂性能。

（2）橋墩壓彎承載力、抗裂性能。

（3）承臺(tái)抗彎承載力、抗剪扭承載力。

（4）樁基礎(chǔ)軸向受壓承載力容許值、壓彎承載力、抗裂性能。

（5）下部結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.3 新老混凝土結(jié)合面抗剪計(jì)算

新老混凝土結(jié)合面抗剪計(jì)算可參考《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（AASHTO-2004），主要計(jì)算方式如下。

不同時(shí)間澆筑的2 批混凝土的界面抗剪承載力設(shè)計(jì)值Vn為：

同時(shí)應(yīng)滿足以下2 個(gè)條件：

式中：Vn為界面抗剪承載力設(shè)計(jì)值，N；Acv為傳遞剪力的界面混凝土面積，mm2；Avf為穿過剪力傳遞界面的抗剪鋼筋面積，即植筋的鋼筋面積，mm2；fy為抗剪鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；Pc為垂直于傳遞剪力界面的永久凈壓力，如為拉力，則取零，N；f′c為強(qiáng)度較低一側(cè)的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；c 和μ 分別為黏結(jié)力系數(shù)和摩擦力系數(shù)。

對(duì)于整體澆筑的混凝土，黏結(jié)力系數(shù)c 和摩擦力系數(shù)μ 的取值為：c=1.0 MPa，μ = 1.4 λ。

對(duì)已結(jié)硬的清潔和無浮漿且表面已加工使其粗糙到幅度為6 mm 的混凝土，c =0.7 MPa，μ=1.0 λ。

對(duì)已結(jié)硬的清潔和無浮漿且表面未特意加工使其粗糙的混凝土，c=0.52 MPa，μ = 0.6 λ。

λ 對(duì)于普通密度混凝土取1.0；對(duì)于低密度混凝土建議取0.8。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

以上海市江楊北路（G1501—S20）改建工程中的沙浦河橋、湄浦河橋老橋改建為例，進(jìn)一步闡述既有橋梁改建方法的應(yīng)用過程和成果。

3.1 現(xiàn)狀橋梁概況

現(xiàn)狀沙浦河橋于2001 年4 月30 日竣工，橋梁總長(zhǎng)30 m，跨徑組合為3×10 m，橋梁總寬45 m，橋梁橫斷面為雙幅布置，單幅橋?qū)?2 m，斜交20°（順）。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土鉸接空心板梁，梁高0.52 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)為多柱式排架橋墩。沙浦河橋原設(shè)計(jì)荷載為汽車- 超20，驗(yàn)算荷載為掛車-120，人群荷載為3.5 kN/m2。沙浦河橋橋梁立面、橫斷面見圖1、圖2。

圖1 沙浦河橋立面（單位：mm）

圖2 沙浦河橋橫斷面（單位：mm）

現(xiàn)狀湄浦河橋于2001 年6 月28 日竣工，橋梁總長(zhǎng)182.5 m，跨徑組合為（20+5×28.5+20）m，橋梁橫斷面為雙幅布置，單幅橋?qū)?2 m，斜交10°（逆）。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用變高度鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，支點(diǎn)梁高2.4 m，跨中梁高1.2 m；橋梁下部結(jié)構(gòu)采用多柱式橋墩。湄浦河橋原設(shè)計(jì)荷載為汽車- 超20，驗(yàn)算荷載為掛車-120，人群荷載為3.5 kN/m2。湄浦河橋橋梁立面、橫斷面見圖3、圖4。

圖3 湄浦河橋立面（單位：mm）

圖4 湄浦河橋橫斷面（單位：mm）

3.2 改建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

由于本工程道路等級(jí)在改造后并未提高，仍為二級(jí)公路，依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014），僅需針對(duì)現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)評(píng)估，并滿足原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）道路等級(jí)：二級(jí)公路。

（2）設(shè)計(jì)速度：60 km/h。

（3）汽車荷載：考慮到本工程路段交通繁忙，重車較密集，上部結(jié)構(gòu)承受較大的直接荷載，因此上部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用現(xiàn)行規(guī)范，即公路-Ⅰ級(jí)，并用城-A級(jí)驗(yàn)算；下部結(jié)構(gòu)承受的荷載為上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的間接荷載，因此下部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用原設(shè)計(jì)規(guī)范，即汽車-超20，掛車-120。

（4）橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，構(gòu)件重要性系數(shù)取1.1。

（5）地震烈度及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：抗震設(shè)防烈度為7 度，橋梁抗震設(shè)防措施按8 度區(qū)執(zhí)行。橋梁的抗震設(shè)計(jì)按照原設(shè)計(jì)規(guī)范《公路工程抗震規(guī)范》（JTJ 004—89）執(zhí)行。

（6）設(shè)計(jì)使用年限：由于既有橋梁執(zhí)行的原設(shè)計(jì)規(guī)范沒有對(duì)設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行相關(guān)規(guī)定，且本工程屬于對(duì)現(xiàn)狀橋梁的改建，因此既有橋梁維修改造后的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)結(jié)合橋梁檢測(cè)評(píng)估后的結(jié)構(gòu)剩余使用年限預(yù)測(cè)結(jié)果來確定。

（7）水務(wù)及通航：征詢區(qū)水務(wù)局的意見，橋梁維修改造時(shí)，維持原跨徑布置，改換的上部結(jié)構(gòu)以滿足梁底標(biāo)高不低于現(xiàn)狀梁底標(biāo)高為原則。

3.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)改建

沙浦河橋上部結(jié)構(gòu)空心板梁無法滿足道路橫斷面調(diào)整后的使用要求，因此將其拆除并進(jìn)行更換。考慮到鉸接空心板梁的鉸縫耐久性差，損壞后將導(dǎo)致板梁形成單梁受力，而剛接空心板梁整體性好，且其結(jié)構(gòu)重量相對(duì)現(xiàn)狀不增加，梁高也與現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)基本一致，因此將沙浦河橋上部結(jié)構(gòu)更換為剛接空心板梁。

3.4 橋梁下部結(jié)構(gòu)改建

根據(jù)計(jì)算，湄浦河橋主體結(jié)構(gòu)除承臺(tái)系桿抗拉承載力無法滿足道路橫斷面調(diào)整后的使用要求，其余均能滿足，因此需要對(duì)承臺(tái)進(jìn)行加固改造。加固改造前提出2 種方案進(jìn)行比選。

3.4.1 方案一

承臺(tái)通過植筋，使承臺(tái)截面加大；同時(shí)在承臺(tái)加大處加設(shè)受力主筋來提高承臺(tái)承載力，從而滿足受力要求[2]。

方案一承臺(tái)改造圖見圖5。

圖5 方案一承臺(tái)改造圖（單位：mm）

承臺(tái)新老混凝土之間通過植筋以及表面鑿毛的方式進(jìn)行連接。承臺(tái)植筋圖見圖6。

圖6 方案一承臺(tái)植筋圖

在承臺(tái)頂面加高及兩側(cè)加寬范圍內(nèi)，加設(shè)受力主筋。承臺(tái)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋圖見圖7。

圖7 方案一承臺(tái)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋圖

3.4.2 方案二

在立柱側(cè)面及承臺(tái)頂面進(jìn)行植筋，并澆筑立柱混凝土，以加大橋梁立柱的直徑，減小樁基礎(chǔ)在承臺(tái)上的沖跨比，從而減小承臺(tái)的受力，滿足承臺(tái)的受力要求。

方案二立柱植筋圖、立柱補(bǔ)強(qiáng)鋼筋圖（在立柱底部約1 倍立柱直徑范圍內(nèi)加設(shè)受力主筋）見圖8、圖9。

圖8 方案二立柱植筋圖

圖9 方案二立柱補(bǔ)強(qiáng)鋼筋圖

3.4.3 方案比選結(jié)果

綜合比選后，方案一植筋數(shù)量大，改造規(guī)模大，且由于承臺(tái)一般位于土中或河道水中，對(duì)承臺(tái)進(jìn)行植筋加固前，需要進(jìn)行大規(guī)模的開挖或設(shè)置水中圍堰，施工速度慢，費(fèi)用較高。因此本工程改造采用方案二。

方案一的改造加固方法一般在承臺(tái)受力欠缺較大時(shí)采用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合上海市江楊北路（G1501—S20）改建工程中的老橋改建實(shí)例，針對(duì)改建原則、計(jì)算要點(diǎn)、改建方式等方面，對(duì)既有橋梁改建方法進(jìn)行全面的研究探討，對(duì)其中的一些技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行具體論述，使橋梁改建方案合理、安全、經(jīng)濟(jì)、快速。所得結(jié)果可為今后類似橋梁的改建提供一些借鑒和參考。