公路桥梁更换上部结构技术研究

沈菊梅 于瑞成

【摘要】为研究公路桥梁工程更换上部结构技术问题，本文以某国道维修改造项目中一座工字梁-微弯板桥加固为例，阐述了根据桥梁结构的受力特点，分析桥梁病害成因并结合桥梁实际情况，采用更换上部结构的处治方案，并进行方案比选，对处治后的结构进行计算分析，验证实施效果。结果表明桥梁加固后取得了预期效果，提高了桥梁承载力，确保了桥梁的安全运营。

【关键词】桥梁病害；成因分析；方案；桥梁加固

1、引言

工字梁-微弯板桥微弯板组合梁桥主梁构件可以装配，自重轻，便于吊装，微弯板设计时考虑板受力时有拱的特点钢筋较少，这种结构形式的桥梁因有以上众多优点，在我省众多国省干线公路中大量采用。但随着交通量的增加，这种与微弯板相结合类型的桥梁，承载力低耐久性较差的弱点逐渐显现，在正常使用状态下，逐渐出现了大量难于维修的病害，本文以某国道主干线2x16m工字梁-微弯板桥为例，对改造维修项目中此类桥梁维修处治进行了有益的探讨。

2、工程概况

国道主干线某桥，上部结构为简支钢筋混凝土微弯板工字梁，跨径布置为2x16m，桥面宽度为0.5+12+0.5=13m，共8片主梁，主梁梁高100cm，主梁间距为160cm，全桥长为46.54m。下部采用柱式墩，U型桥台，钻孔灌注桩基础。如图1所示。设计荷载为汽-20级，该桥于1991年建成通车。

3、病害成因分析

3.1病害状况

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）及《公路桥梁技术状态评定标准》（JTG T H21-2011）[2] [3]，对该桥进行全面细致的检查，按综合评定法该桥被评为四类桥，主要病害如下：

（1）全桥工字梁下肋板底横向受力裂缝发展较为严重，多数裂缝贯通于肋板底，有部分延伸至肋板侧面，裂缝长度为0.25～0.30m，宽度0.14mm～0.25mm，平均间距0.18～0.25m；

（2）微弯板出现不规则裂缝；

（3）微弯板与肋板连接处渗水泛碱严重。

（4）桥梁挠度校验系数最大为1.26，表明梁体的抗弯刚度明显减弱，该桥承载能力已不满足原设计要求。

图1 工字梁横向裂缝

图2 微弯板不规则裂缝

3.2病害成因

微弯板跨中厚度较薄，且配筋较少，此类结构整体性较差，当与工字梁连接不牢固时，将改变微弯板的受力模式，进而导致微弯板的严重开裂[4]；工字梁与微弯板组合截面共同抵抗汽车荷载作用，当微弯板与工字梁连接削弱时，将加大工字梁的分担荷载的比例，进而导致裂缝超限[5]。

4、维修处治方案

4.1方案论述

根据病害成因分析，结合施工、交通和运输条件、施工期间的保通问题、施工的难易程度、技术经济的合理性，从满足现有交通量入手，兼顾结构受力状况，考虑混凝土工字梁-微弯板桥梁由工字梁、中跨微弯板、悬臂微弯板拼装组合而成，工字梁与微弯板结合面薄弱，整体性差，无论采取何种加固措施，无法从根本上弥补其受力缺点。最终采用更换上部、利用下部的处理方案。该桥桥面宽度：净11m+2×0.5m（防撞护栏）=12m，全桥长为46.54m，下部采用柱式墩，U型桥台，钻孔灌注桩基础。上部拆除后对原1号桥墩盖梁进行加固[6] [7] [8]。因该桥属于某国道整体改造项目，其余拆除新建桥梁均采用16m预应力混凝土箱梁设计，因此，更换上部比选2x16m箱梁与2x16m空心板。

新建桥梁为公路—Ⅰ级标准，上部结构采用16m预应力混凝土箱和16m预应力混凝土空心板部颁通用图，重点验算下部结构。根据桥梁处治方案，采用空间有限元软件MIDAS对结构进行计算[6] [9]。

4.2方案一计算分析

方案一：拆除原桥上部结构，更换满足公路-Ⅰ荷载等级的16m简支箱梁。

旧桥下部结构使用状况良好，按无损结构进行分析。桥台采用U型台，承载了较大，且桥台结构主要承受土压力，加固后重量增加有限，定性就可判断满足主梁换梁后的受力要求；

桥墩墩柱配筋率为0.67%，承载力富裕，仅不满足现行抗震构造性要求，但既有桥改造工程，没有特殊要求，一般以达到原有设计为目标，可在盖梁上设置抗震锚栓防止落梁[10] [11]；

对于压实未受破坏的旧桥基础，其地基承载力可提高1.5倍，本桥重量增加有限，地基承载力也可满足要求[12]。

盖梁为梁跨受弯结构，更换箱梁后，结构自重增加，汽车荷载变为公路-Ⅰ荷载，且上部结构在盖梁上的作用点发生变化，重点计算。横断面图如图3所示，盖梁承载力验算如表1所示.

图3 盖梁横断面

表1 盖梁承载力验算[6] [9]

由验算可知，盖梁只有负弯矩承载力勉强满足，正弯矩承载力和斜截面抗剪承载力均不满足要求，斜截面抗剪承载力缺欠较大，须大幅度增加结构尺寸或增加配箍率来实现，受墩柱和桩基结构尺寸限制，增加结构尺寸空间不大，只能采用增加配箍率来实现。总预算为121.7万元。

4.3方案二计算分析

方案二：拆除原桥上部结构，更换满足公路-Ⅰ荷载等级的16m简支空心板。

桥墩基础分析和方案一相同。

盖梁为梁跨受弯结构，更换空心板后，结构自重有所增加，汽车荷载变为公路-Ⅰ荷载，且上部结构在盖梁上的作用点发生变化，盖梁承载力验算如表2所示。

表2 盖梁承载力验算

由验算可知，盖梁只有斜截面抗剪承载力不满足要求，且缺欠不多，可考虑采用增大截面法加固盖梁。总预算为108.6万元。

4.4采用方案

经过比选，更换空心板方案受力合理，经济可靠，对下部结构造成的负担较轻，因此，采用更换空心板方案。

4.5加固后效果

该桥加固完成后进行了承载力试验，结果表明该桥承载力满足公路一级荷载标准，刚度和整体性较好，经综合评定该桥技术状况为一类。运营以来，盖梁未出现开裂。

5、结论

承载能力检测在我国公路建设高峰期之后，桥梁的加固维修养护管理问题，势必会现实地呈现在广大桥梁工作者面前。如何科学、合理、经济地使用有限的维修资金解决现实的桥梁病害问题，显得尤为突出。在本次加固设计中有几点感悟，愿与广大同行共享。

（1）拟改造维修桥梁应根据养护维修资料，依据定期检查资料做出一般性评定，确定桥梁技术状况等级[2] [3]，以经济可靠、有效利用的原则，对总体技术状况等级为3类的桥梁，应通过专项检测找出病害原因，并进行适应性评定（承载能力、抗洪能力、通行能力），经过维修加固可原位利用，荷载等级根据维修加固的具体情况确定；4类、5类桥梁，应进行大修改造或拆除重建，改造或新建后满足现行技术标准[2]。

（2）桥梁工程加固的原则是做“加法”而不能做“减法”，即加固设计时一定要注意，不能因加固而造成结构进一步的损伤。在做加固设计方案时应注意结构各受力构件间刚度分配的合理性，构件与构件相协调，上部与下部相协调，以保证新、旧结构受力均匀、变形协调统一。加固后结构抗力得到大幅度提高，才能达到旧桥加固的目的。加固后的桥梁不可能达到新建桥梁的设计水平，服务水平也有很大的差别，对于通过加固手段无法从根本上提高桥梁使用性能的桥梁，应考虑换梁。

（3）桥梁加固的意义在于提高结构耐久性，延长寿命，减少桥梁未达到设计使用年限而过早退役。因此，桥梁的加固设计使用年限应不长于原结构的剩余设计使用年限，对加固构件应加强定期检查[7]。到达使用年限后，应重新进行可靠性鉴定。

（4）桥梁加固工程中，原桥上部与下部结构、桩基础及配筋率已无法改变，原结构的抗震性能已基本确定，通过加固设计难以改变，仅能在新增结构上考虑采取一定的抗震措施，以提高新增结构的抗震性能。例如，本次维修改造工程，结构不满足现行公路桥梁抗震规范要求[11]，可增加抗震锚栓提高结构抗震能力，但抗震设防标准仍维持原设计。

（5）维修改造工程应充分考虑施工期间桥梁保通的问题，确保施工简单、快捷，具有较好的社会效益、经济效益和合理的技术指标。

参考文献

[1]JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范.

[2]JTG H11-2004， 公路桥涵养护技术规范

[3]JTG/T H21-2011，公路桥梁技术状况评定标准

[4]JTJ dD62-2004， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

[5]谌润水， 胡钊芳， 帅长斌.公路旧桥加固技术与实例[ M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]JTG/ T J22-2008， 公路桥梁加固设计规范

[7]GB 50367-2013， 混凝土结构加固设计规范

[8]JTG/ T J23-2008， 公路桥梁加固施工技术规范

[9]JTG D62-2004， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

[10]JTJ 004-89， 公路工程抗震设计规范

[11]JTG/ T B02-01-2008， 公路桥梁抗震设计细则