基于超载车辆作用的吉林台大桥使用性能评价及改造方案

程宇飞

(新疆交通规划勘察设计研究院 乌鲁木齐市 830006)

1 工程概况

吉林台大桥于省道S315线K147+955处设置1-60m装配式预制箱形拱横跨喀什河(如图1所示)，跨河处为“U”形河谷地貌，桥面距离河床底最深处约24m。老桥上部结构采用预制钢筋混凝土箱型拱；下部结构为U形桥台，基础置于微风化基岩内。桥址处地层岩性由砂岩、砾岩组成，地表为不同厚度第四系冲洪积砾石土层覆盖，地基承载力特征值为2500～4000kPa。

吉林台大桥按照75版公路桥涵设计规范设计，设计方法采用容许应力法，设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100，施工图采用1983年交通运输部主持编制的《缆索吊装箱形拱桥标准图》(JT/GQB 047-83)，桥梁全长94.1m，桥面宽度为1.0m×2(人行道)+3.5m×2(行车道)+0.25m×2(栏杆)。老桥拱圈由5片预制拱箱组成，箱肋高130cm，顶、底板厚10cm，中腹板厚5cm，边腹板厚10cm。箱肋采用30号混凝土，Ⅱ级钢筋，直径12mm，间距15cm，如图1所示。

图1 主拱圈横断面图(单位：cm)

2 2015年老桥技术状况评定

2.1 吉林台大桥现场检测评价

(1)桥梁技术状况评分为77.8，技术等级评定为三类桥。

(2)大桥1阶固有频率5.36Hz，理论频率4.28Hz，动载增大系数1.13，结构整体性较好。

(3)静载试验控制截面挠度为0.42～0.84mm，校验系数0.292～0.499，结构整体满足要求；残余变形为0.026～0.051mm，最大相对残余12%，结构满足弹性工作状况要求；拱顶、1/4、拱脚截面应变测点效验系数介于0.500～0.889之间，如图2、图3所示。桥梁承载力满足汽车-20级、挂车-100设计荷载要求。

图2 拱脚最大水平推力影响线

图3 1/4截面最大应力影响线

2.2 桥梁结构验算分析

(1)主拱圈正截面抗弯验算。按照《桥规》γ0S≤R，R=R(fd，αd)(即结构重要性系数×作用效应组合设计最大值<构件承载力设计值)进行验算。如图4、图5所示。

图4 结构计算内力图

图5 结构计算应力图

(2)控制截面抗弯承载力验算。跨中截面作用基本组合值1286 kN·m<结构承载力设计值3217 kN·m；拱脚截面作用基本组合值3719 kN·m<结构承载力设计值3826 kN·m。

(3)控制截面抗剪承载力验算。四分之一截面作用基本组合值364 kN<结构承载力设计值1970 kN；拱脚截面作用基本组合值1667 kN<结构承载力设计值2142 kN。

(4)拱圈控制截面最大裂缝宽度δmax=0.19mm<允许裂缝宽度δ值[0.20mm]。

2015年有限元结构验算表明：老桥承载力能够满足原设计汽车-20级、挂车-100设计荷载等级要求，依据《公路工程技术标准》(JTJ B01-2014)6.0.10条“对直接利用的原有桥涵，应进行检测评估并满足原设计荷载标准要求”，故原设计提出在不提高公路功能的前提下，吉林台老桥限速40km/h、限重20t，对既有病害进行维修加固并提出针对性运营管理和维护措施后予以完全利用。

3 超重、超限车辆作用分析

2017年下半年以来，区域持续降雨，区内相邻数条公路因存在滑坡、水毁等安全隐患封闭交通，导致区内布拉克工业园、伊力特煤化工、伊犁钢铁等企业运送水泥、矿石和土石方的车辆全部转移至S315蜂场至尼勒克施工路段，超限超载车辆日均为120～160veh/d，载质量130t以上，部分车辆达180～200t，特重、极重交通较平时增加68%。鉴于大桥运营安全考虑，2019年再次对吉林台大桥进行了外观检测和现场动静荷载试验。

3.1 2019年现场检测评价

表1 两次外观检测结果对比分析

(1)2019年吉林台大桥外观主要检测结果如表1所示，桥梁技术状况评分49.8分，老桥技术等级评定为四类桥。

(2)静载试验作用下，挠度值校验系数η在1.01～1.36之间，结构整体刚度不足，相对残余变形介于24.93%～30.03%之间，结构弹性状况差。

(3)实测桥跨结构自振频率3.74Hz，理论自振频率4.26Hz。有障碍行车实测动载增量40%，无障碍行车实测动载效应增大系数1.37。表明吉林老桥实际刚度降低，整体抵抗冲击能力减弱。

3.2 桥梁结构验算分析

(1)控制截面抗弯承载力验算。跨中截面作用基本组合值6948 kN·m>结构承载力设计值3217kN·m；拱脚截面作用基本组合值7358 kN·m>结构承载力设计值3826 kN·m。

(2)控制截面抗剪承载力验算。四分之一截面作用基本组合值3464 kN>结构承载力设计值1970 kN；拱脚截面作用基本组合值2767 kN>结构承载力设计值2222 kN。

(3)拱圈控制截面最大裂缝宽度δmax=0.54mm<允许裂缝宽度δ值[0.20mm]。

综上所述，吉林台大桥受当时经济、技术条件制约，存在构件技术指标偏低、抗冲击能力取值偏小、截面偏心弯矩增大系数考虑不充分等问题，承载能力先天储备不足[1]。特定情况下在特重、极重交通荷载的集中作用下，各控制截面承载能力效应值已不能满足汽车-20、挂车-100荷载等级要求，整体刚度降低，弹性状况衰减、结构疲劳效应加剧[2]、构造性裂缝发展迅速，大桥处于非安全状态。原设计维修加固方案已欠可行，需另行考虑整治改造对策。

4 大桥整治改造方案

通过上述检测、评定和研究分析，针对目前老桥使用状况，提出以下2个整治改造方案。

4.1 方案1—增大老桥主拱圈截面

主要工序为拆除桥面系、腹拱和横墙等拱上结构，搭设临时施工便桥，对裸拱既有各类裂缝采用环氧砂浆予以封闭后对拱肋底板旧混凝土凿毛，在既有拱圈湿接缝处钻孔穿入钢筋与拱肋下方同步布置的主钢筋焊接形成骨架后浇筑新增拱肋进行加宽和加高处理[3]，同时对拱脚截面也做形影的加大截面处理，如图6所示。以提高其承载力和整体刚度。方案1造价915万元。

图6 增加拱肋截面横断面示意图(单位：cm)

该方案无需二次征地，施工可最大限度利用既有老桥；但既有吉林台老桥箱拱底板厚10cm、腹板厚仅5cm，顶、底板处植筋质量难以保证，施工过程中易发生混凝土劈裂；其次，施工采用“少支架”工法，即在拱脚以下部分采用大直径钢管桩，用贝雷梁做承重结构；拱脚以上采用钢管脚手架做满堂支架。但桥址处水流湍急流速急、河床起伏大，钢管桩沉入困难，存在汛期施工难度大，施工周期长，安全隐患突出、运营期管理养护困难以及受区域重载交通影响，短时间内可能面临二次加固等问题。

4.2 方案2—局部改移线位新建桥梁

鉴于老桥加固方案缺陷及加固后仅能恢复老桥既有桥面宽度等问题，提出充分利用既有老桥与距吉林台大桥跨越喀什河桥址处上游300m为吉林台二级电站泄洪闸门，水流平均流速5.88m/s，河床最大水深10～12m，且每年6月至9月的最佳施工期也是喀什河汛期和下游农田灌溉期。鉴于桥梁周边道路施工期间不具备绕行分流条件，方案2提出对老桥进行病害处理后作为施工期通车便桥，在现有老桥上游新建大桥，河床中墩结合上游渡槽桥墩避开急流深水区。新建桥梁采用公路Ⅰ级设计，桥宽采用二级公路标准值12m，上部结构采用40m装配式预应力混凝土小箱梁，下部结构采用重力式U型桥台、桩柱式墩，单排桩基础。

图7 老桥上游新建40m箱梁方案示意图

方案2通过局部改移线位合理避让了吉林台电站场坪设施，优化了大桥前后路段平纵线形，一次性解决了桥宽不足的瓶颈隐患，消除了道路黑点，车辆行驶安全性得以较大提高，施工阶段及运营期可利用下游老桥作为施工和社会中、小型车辆、人行和非机动车的应急救援备用桥梁，该方案造价1002万元，略高于方案1，但社会经济效益优势明显，社会负面影响最小。

经对上述两个整治改造方案经济技术综合比选，确定保留老桥，于老桥上游新建40m装配式组合小箱梁的方案，吉林台大桥已于2019年9月建成，使用情况良好，社会评价优。

5 结语

通过吉林台大桥工程实践，对Midas Civil有限元理论计算成果和现场荷载试验检测结论进行有机结合，针对桥梁实际使用性能和力学特征予以客观评价，按照在不过多增加工程费用的基础上，对原有工程予以最大程度的利用原则，吉林台大桥在整治改造方案选择上充分考虑老桥维修加固在前期经济、社会面比较均不占优势且后期运营养护阶段存在诸多风险的前提下，选择保留老桥、移位新建，从根本上解决通行瓶颈问题和消除既有道路黑点隐患无疑是合适的。