我国既有城市危桥改造的实践和研究

穆祥纯

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市100082）

1 我国既有城市危桥的现状

截至2016年底，我国共有各类桥梁80余万座，其中混凝土结构桥梁占90%以上。随着时间的推移，桥梁的耐久性不足，安全性降低，大量的既有桥梁成为危桥。桥梁维修加固与养护管理面临诸多难题，已引起了人们的高度重视。

我国早期建造的桥梁大量使用钢筋混凝土结构。这些桥梁现已运营20～40年，大多混凝土桥梁将步入老化期。这些桥梁处于一种带病、超负荷工作状态。桥梁承载能力低、通行能力差是我国公路路网通行能力低的一个重要影响因素。如何对桥梁实际状态做出评估，准确评定其承载能力，采用科学合理、经济适用的方法进行加固、加宽等技术改造，改善其适应度，提高公路路网通行能力，是我国公路管养部门今后相当长的一段时期内所面临的艰巨任务，急需提出保证桥梁运营安全的对策，开展桥梁检测、评定与维修加固，确保桥梁安全服役，保证路网畅通。

当前，我国公路路网有3万余座危桥急需加固改造，已成为公路桥梁界研究的热点。在这些公路桥梁中大部分存在技术标准低、通行能力差的状况。据悉，我国交通部门，已完成2.2万座危桥改造任务。

北京地区的800多座桥梁中，有近200座鉴定为危桥，其中有52座被鉴定为亟待改造的危桥。这些桥梁均处在北京市的交通要道。随着城市汽车数量的急剧增加，特别是大型运输车辆的增多，许多桥梁的破损程度加大，病害大面积暴露，表现为主梁裂缝、墩台破损、单板受力、翼板纵间开裂等，如不及时修复改造，隐患极大。

2 国内外研究现状

2.1 国外发达国家桥梁维修加固研究现状

当前，世界范围内出现了一个研究桥梁养护、维修、加固的热潮。由美国、欧盟等西方24个发达国家参加的联合国“经济合作与发展组织”（OECD）召开了“关于道路桥梁维修管理国际会议”，参会专家们就现有桥梁的安全性评价、检查与维修加固等方面，提出了桥梁检查、桥梁承载能力的鉴定、桥梁养护等多项有价值的研究成果。OECE还组织有关国家进一步加强这方面的研究工作。近年来，国际上也多次召开关于旧桥和危桥问题的国际专题学术会议，对既有桥梁的养护、维修、加固问题进行交流研讨。

2.2 我国公路桥梁维修加固研究现状

中国公路学会发布的《公路学科发展研究报告（2011）》中指出，桥梁养护是高速公路养护的重中之重，要建立桥梁安全检查、旧桥加固制度。但是，我国目前围绕桥梁养护的相关配套制度不完全统一，大部分地区对桥梁的安全检查只是停留在外观检查，部分地区虽然制度相对较完善，但是在执行中却困难重重，发现问题不能够及时采取预防措施，这也是桥梁坍塌事故不断出现的一个原因。

在许多地方，对于桥梁的养护往往是出现了断板、单板受力等严重情况时才按照抢险工程采取措施，缺乏“未雨绸缪”的桥梁养护理念。有些桥梁经检测被评为“三类桥”后，往往因为立项、资金等问题延迟两三年后才能进行加固施工，安全风险极大。

2.3 我国既有城市危桥的研究趋势

近年来，国内城市桥梁领域在城市既有危桥改造的研究上，开展了系统的和富有成效的研究。其最新技术研究成果有4项：一是对桥梁状况与使用功能评价；二是耐久性状况与承载能力评定；三是维修和加固研究；四是试验检测技术及其关键设备的研究。

对既有桥梁检测工作，包括接受委托、收集资料、现场勘察以及编制桥梁检测方案4项内容。根据外业采集的数据，进行统计分析和计算，并对桥梁的检测由表及里、由浅入深，全面了解和判断桥梁的实际工作状况，为桥梁的日常养护和加固维修提供科学依据。

（1）桥梁外观病害检查。依据交通部《公路养护技术规范》（JTJ 073—96）及《公路桥梁定期检查技术》（交通部公路所），对桥梁进行外观病害检查打分，其目的是对桥梁结构的外观损坏状况有一个初步和基本的了解，并根据桥梁损坏状况打分和评定类别，为下一步桥梁结构材料检测提供依据。桥梁外观检查共有17项，检查方法主要是现场人工检测，根据损坏状况打分。检查重点是桥梁主要承重构件的裂缝和破损情况。

（2）既有危桥的加固和改造。国内危桥加固技术研究有了长足的发展：一是对各种危桥状况进行了深入的分析和研究；二是明确了危桥加固方法的选用原则；三是针对国内桥梁加固与维修现状，着重对体外预应力桥梁加固、粘贴碳纤维加固法等主要桥梁加固方法及其关键技术进行了探讨和研究；四是研究运用最新的科技成果和“四新技术”，研究和解决桥梁维修加固施工如何避免在城市交通高峰时段阻断道路，减少施工对交通的影响等。

（3）斜拉和悬索的缆索桥型的维修加固研究成果。悬索桥和斜拉桥的主缆在适当的防腐工艺维护下,在运营期内可以满足使用要求。然而，国内许多桥梁的运行实践表明：在恶劣的自然环境下,往往导致桥梁运营数十年后，这类桥型主缆的实际状况很差,尤其是早期修建的悬索桥（或斜拉桥）。目前,悬索桥主缆的加固方法有更换主缆、新增主缆和新增斜拉索等方式。其中主缆的更换最大的问题是主缆是永久性锚固在锚碇里面的，不像斜拉桥的斜拉索，在失效后可以很方便地进行更换。

3 我国城市危桥改造的工程实践

3.1 北京西直门北立交桥改造工程

北京西直门北立交内环主路桥位于二环路西北角，上部结构为现浇钢筋混凝土简支斜板。由于西直门新桥是在1980年修建的三层环形立交基础上改建而成，故原西直门北立交的桥梁仍在使用。在1999年西直门新桥通车后的第二年（2001年），该桥梁结构就被北京市确定为危桥（桥下进行了加固），并着手对西直门北立交内环主路危桥实施改造。确定的方案是：拆除与重建同时进行。为便于施工，专业封路队伍在交管部门协助下封闭二环路内环主路施工区域。

2006年9 月对该危桥实施了改造工程。旧桥梁板厚53 cm，约300 m2，施工时先使用8台切割机对拆除部分梁体两侧进行切割，每间隔1.5 m切割切口，共8道切口。然后利用两台液压锤，分别将旧桥两个锐角部分和西北角破碎拆除。随后，从桥中间开始破拆，南北侧各保留2 m左右，以便拆除时逐渐减少被拆除梁的自重。最后，再将残板拆除，以确保桥台结构不受损伤。对于剩下的东西向4道残梁，两端为桥台支撑，从两端同时向中间拆除，在拆除至桥台边缘时，残梁在自重作用下坠至桥下。落入桥下的残梁由液压锤进行二次破碎。拆除中随时用加长臂液压剪将拆除后的钢筋剪断，并采用人工气焊切断清理出场。待旧梁板拆除后，20余辆运土车把桥下渣土运出。由于科学组织，拆除过程只用了12 h。施工时采取了在危病桥附近设置警告标志和限载、限速标志,对危病桥桥面限制大车通行，利用桥下支撑、桥面钢板防护进行加固等临时措施，并制定了北京市桥梁突发事故应急预案。

西直门北立交桥危桥改造工程最为关键的环节是新梁平移完成较原计划提前了4 h。按照“拆桥、平移、落梁、铺沥青、施划交通标志标线”的施工程序，经过56 h的施工，西直门立交桥危桥终于改造完成，西直门新桥顺利通车放行。该桥改造工程受到全市市民的高度关注，并进行了全程的电视直播，它的成功改造赢得了社会各界的广泛好评，也为我国在特大城市繁华地段进行危桥改造，提供了可借鉴的案例。图1为北京西直门北立交桥改造工程。

图1 北京西直门北立交桥改造工程

3.2 北京三元桥改造工程

北京三元桥坐落于三环路东北角，是北三环路与首都机场高速公路及京顺路3条道路的立体交叉，为非机动车道和机动车道混行的苜蓿叶形互通式立交，整座立交总占地面积26万m2。

三元桥于1984年建成通车，至今已运营28年。由于日益增长的交通需求，2003年三元桥（跨机场路桥）桥面交通组织变更，桥面宽度仍为44.8 m，将两侧人行步道变窄，拆除快车道与慢车道间的1.5 m分隔带，将原机动车道、非机动车道拆除，原机动、非机动车道合为一体，以达到道路拓宽的目的。又因交通流量大幅增长，为缓解交通拥堵，2003年调整为5上5下10车道通行。由于长期超负荷运行及外部环境影响，主梁及桥面板损坏严重。近年来对桥面板多次维修，但无法解决桥梁的承载力不足问题。2014年经检测，桥梁承载力明显下降。同年10月对该桥梁进行了中墩支护，以保障运行安全。

2015年12月北京三元桥正式实施改造。为确保桥梁设施运行安全，根据桥梁损坏情况，最终确定大修方案为：上部结构采用更换钢箱梁,下部结构采用钢板加固V形墩，彻底消除桥梁各种病害，全面提升桥梁承载能力，同时解决超负荷运行状况，抗震等级也将达到现行规范要求，适应新的5上5下道路通行需求。

桥梁改造的具体方案是：（1）对桥面板网裂破损部位进行划分，确定维修范围；拆除维修区域桥面板，保留其内所有钢筋；梳理原桥面板内的钢筋，固定新增桥面板顶、底层钢筋。涂刷新旧混凝土结合面界面剂，浇筑C40快硬早强无收缩桥面板混凝土。桥面板大修采用桥下施工支顶的措施。（2）每跨跨中增设一道钢横梁，全桥共两跨。（3）翻修桥面沥青混凝土铺装及防水层，在三元立交机场路桥内环范围内加设隔离护栏。（4）拆除中间隔离带，包含防眩板、面砖、隔离墩。重新施工中央隔离带下的防水层。（5）对大修范围内的人行步道栏杆进行更换，新更换栏杆为钢筋混凝土栏杆。（6）三元桥区的10座人行梯道进行翻建，新更换的人行梯道为钢梯道。（7）桥区道路路面铣刨8 cm，之后按照两层摊铺。下面层为4 cm改性沥青中粒式沥青混凝土AC-16C，上面层为改性沥青玛蹄脂碎石混合料SM A-13，上下面层之间铺设一层改性乳化沥青黏层油。

该桥的工程主要内容包括：拆旧梁、架新梁、桥面沥青层铺装、伸缩缝等附属设施安装，同时桥下拆解运弃旧梁及新旧梁临时支墩等。为落实公交优先战略，施工部门利用三元桥的匝道修建临时导行环岛，三环路和京密路的公交车辆可借用环岛通过三元桥。

此次大修的工程最大特点是采用“千吨级驮运架一体机”拆旧梁、架新梁。重达1 600 t的旧梁中跨由驮梁车分两幅依次移走，1 300 t的新梁被整体驮运精确就位。这是国内首次在大城市重要交通节点采用该工法。换梁施工仅需24 h，实现“一日之内旧桥变新桥”。

三元桥改造工程成功地运用千吨级驮运架一体机实现了1 350 t桥梁整体换梁，创造了我国大吨位整体换梁新技术范例，创造了新的北京建桥速度，也大大减少了施工对城市交通的影响。图2为北京三元桥改造工程。

图2 北京三元桥改造工程

3.3 天津解放桥改造工程

天津解放桥是一座中外闻名的桥梁。这座桥梁最初建于1902年，于1923年重建，1927年正式建成。因与9国租借毗邻，被叫做“万国桥”，即国际桥之意。抗日战争胜利后当时的国民政府以蒋介石的名字命名此桥，将“万国桥”改为“中正桥”。1949年，天津解放后此桥正式更名为“解放桥”，并沿用至今。该桥是一座双叶立转式开启式钢结构大桥，桥身分为3孔，中孔为开户跨。开户跨为双叶立转式，在桁架下弦近引桥部分背贴一固定轨道，备有汽油发电机，可自行发电启闭。合则走车，开则过船。开桥时，活叶桁架沿轨道移动开启，以便让开更大的通航净空。由于桥体钢梁锈蚀严重，传动、电力系统严重老化。

2005年开始改造解放桥，在改造的过程中使用了千斤顶托起整个桥身。虽然以往海河改造过程中，工程技术人员曾成功抬升了狮子林桥和北安桥，但抬升一座钢桥尚属首次，且难度更大。由于桥梁本身的主要杆件相互支撑受力，如外力不均，结构极容易发生变形，加之岁月侵蚀，对解放桥的改造工程难度超过了其他的桥梁。

改造后的解放桥在原来的基础上抬升20 cm，桥下净空增加60 cm。通过对电路、传动等开启系统的全面整修，恢复了原有的可开启功能，同时对整个桥的钢梁进行了维修和加固，并重新油饰。由于锈蚀严重，对锈蚀严重的部分零部件进行了1∶1的复制和更换。改造工程中，为了尽可能保持这座古桥的“原汁原味”，更换的零件多是解放桥保证开启旋转系统的主要零部件，而对于其他部分则采取现场修复、对结构杆件进行除锈、防锈涂刷处理等方法。如今这座110多年的解放桥以崭新的面貌迎接广大游客。图3为改造后的天津解放桥。

图3 天津解放桥改造工程

4 相关感悟

（1）应看到差距。在我国桥梁建设取得巨大成就的同时，要清醒地看到我国在桥梁建设的核心技术、桥型与结构体系、材料性能和装备水平、桥梁监测与评估技术、标准规范等方面与世界先进国家还存在差距。

（2）应做精品工程。桥梁设计是工程建设的灵魂，而施工则是建桥的关键环节。精心设计、精心施工是建设精品桥梁工程的必备条件。当前，我国不少桥梁工程存在着设计施工周期短、低标价中标、多次转包等情况，必然影响桥梁工程的水平和寿命。

（3）应树立系统和科学的观点，实施桥梁结构的全寿命设计。以信息化为引领，加强桥梁的健康监测,规范养护维修工作；以桥梁全寿命期内的综合费用，评价桥梁的经济性和社会效益。应在桥梁的设计中充分体现6个特性，即可检、可控、可换、可修、可强及可持续性,使既有城市桥梁使用过程中，构件可检查、可控制、可维修加固。

（4）应注重创新。由于缺乏创新激励机制，桥梁设计片面追求单项技术指标的突破，对关键技术的优化比较不足。要坚持技术创新和可持续发展，总结经验,正视不足，认真解决既有城市桥梁建设中存在的问题。设计、施工、科研单位要在创新中求发展，通过原始创新和集成创新，通过竞争合作，真正实现自身发展。

（5）应加强国际交流。要继续加强与国际同行的交流，积极关注国际上该领域的发展趋势，及时了解和搜集国外既有城市桥梁的最新科研成果，促进国内外的学术交流，促进我国城市桥梁防灾减灾方面的技术进步，推动我国城市桥梁建设的技术进步和可持续发展。

5 相关对策建议

国务院近期发布《关于加强城市基础设施建设的意见》，明确提出：要加强城市桥梁安全检测和加固改造，限期整改安全隐患；要加快推进城市桥梁信息系统建设，严格落实桥梁安全管理制度，保障城市路桥的运行安全；各城市应尽快完成城市桥梁的安全检测并及时公布检测结果；经过三年的努力，力争完成对全国城市危桥加固改造，地级以上城市应建成桥梁信息管理系统。

5.1 相关对策

（1）应以城市桥梁管理系统为研究对象，对城市桥梁管理系统的开发与应用中的关键问题进行重点研究。

（2）我国尚需建立一个完备的城市桥梁管理系统的体系框架，认真分析研究开发过程中的关键问题，建立或完善我国各地城市桥梁管理数据库，真正实现数字化、网络化、智能化管理。

（3）尚需建立一整套桥梁技术状况检测评估体系，包括桥梁检测与监测数据采集、缺损状态等级评估、承载能力评估、功能适应性评价，提出基于动态监测数据采集系统的桥梁承载能力评估方法的整体实施计划。

（4）尚需建立桥梁结构退化预测体系，其中包括回归分析、灰色系统预测、马尔可夫及半马尔可夫概率模型等模型方法。提出回归分析中按照正态分布筛选预测的应用，实现概率模型在桥梁网络级预测中的应用。

（5）尚需建立一套以桥梁检侧评估为基础的多层次维修对策方法。其核心是：建立桥梁评估-维修决策树模型;探索桥梁项目级养护维修费用-效益分析和桥梁网络级优选规划的方法。利用GIS的概念、组成及软硬件环境，开发应用城市桥梁管理系统的GIS软件和实用的二次开发组件，建立一套桥梁地理。

（6）查找在建设国家智能城市中，与国外发达国家在城市桥梁领域信息化管理方面的差距，适应世界科技发展的最新趋势。

5.2 相关建议

（1）应充分认识城市桥梁作为生命线工程确保城市运营和安全的重要意义。要从城市桥梁防灾减灾对于保障人民生命财产安全，促进我国可持续发展的战略高度去认识。针对近年来我国极端性天气事件增多，地震灾害经常出现，人为灾害时有发生的问题，必须将此项工作列为一项长期、艰巨的任务来抓。

（2）近些年来我国城市桥梁建设上发展十分迅猛，但由于建设周期短，既缺乏深入的研究，又没有成熟的防灾减灾设计规范，当遭到严重灾害袭击时很难保证能从容应对。

（3）国内相关的高等院校、科研机构应和从事城市桥梁建设的设计、施工、监理和建设方密切结合，出台既有桥梁改造的相关标准和规程。

（4）对已出现的城市桥梁倒塌事故和案例，应本着科学、客观、公正的态度，将最终的结论公之于众，并组织召开专题研讨会，使人们从国内外发生的桥梁倒塌事故案例中汲取教训，防微杜渐，通过共同努力，使我国城市桥梁的风险损失降至最低。

（5）国家和各省市应在建设智慧城市中在人力和资金上给予既有城市桥梁专题研究充分的投入，积极推进我国城市桥梁风险评估领域的发展。通过科学分析研究，预防城市桥梁遭受船舶撞击等现象。

（6）要加强与国际同行的交流，积极关注国际上该领域的发展趋势，开展国内外的学术交流活动，及时了解和搜集的相关领域最新科研成果。