一种小跨径桥梁快速改造新技术

陈　松， 卓　静， 朱雪源

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067)



一种小跨径桥梁快速改造新技术

陈松， 卓静， 朱雪源

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067)

[摘要]依托芭蕉湾桥梁改造工程，对该桥病害及成因进行了分析，结合大交通流量的实际情况，通过对多种方案的甄选，提出了先整体现浇梁板，再进行整体水平移动更换病害空心板的快速改造技术，重点对行走系统进行了研究，并利用ABAQUS有限元对移动反力架进行了分析，结果表明结构安全可靠，最后对顶推行走速度进行了探讨。实践表明：整体顶推技术在小跨径桥梁改造中具有安全、快速的优势。

[关键词]桥梁改造； 单板受力； 顶推施工； 移动反力架

1概述

空心板梁以其工艺简单、施工方便在中小跨径桥梁建设中广为运用，高速公路小桥、涵洞、通道大多采用此类结构。但是，随着我国经济的迅速发展和运输行业的激烈竞争，车辆超重，荷载渠化[1]使得空心板产生了铰缝脱落、桥面反射裂缝、板梁纵向、横向裂缝等病害，以致产生单板受力[2]，给桥梁安全运营带来了严重影响。

针对桥梁的耐久性病害处治得到了足够的重视，其加固措施已屡见不鲜。但针对主梁出现的结构性病害，特别是以城市桥梁、高速公路桥梁为代表的大交通流量桥梁改造措施还需不断地探索。本文提出了一种现浇板梁整体顶推替换原病害空心板的改造措施，可显著减少道路中断时间，降低交通组织措施费，改善梁板整体性。

2工程概况

2.1桥梁信息

芭蕉湾桥梁位于渝遂高青段，是内环高速与外环高速连接的重要通道，也是渝遂高速的咽喉，据调查高峰时期交通量约为每小时5 000～6 000辆。

该桥梁为分离式双幅简支空心板梁桥，单幅桥面全宽12.5 m，右幅桥上部结构为1×10 m普通钢筋混凝土空心板，与路线交角为20°，采用30号钢筋混凝土，空心板高度为52 cm，标准板宽99 cm，共采用12块空心板。单向三车道，横向布置为：0.5+11.5+0.5 m，桥台采用重力式桥台；原桥梁设计荷载等级为“城—A级”。

2.2桥梁病害及原因分析

该桥右幅主要病害为铰缝破损，并由此衍生的桥梁板底横向裂缝，见图1(a)，板底横向裂缝多位于四分之一跨至跨中位置，最大裂缝宽度为0.14 mm；桥面3#与4#、6#与7#、9#与10#板之间出现了桥面反射裂缝见图1(b)；重载车辆通过桥面时，6#～9#出现明显的下挠，并形成了路面坑槽。检测结论技术状况均评定为D级，为不合格状态。

(a) 板底横向裂缝(b) 桥面反射裂缝

Figure 1Plate bottom transverse cracks and deck reflective cracking

如图2所示，外侧车道为紧急停车道，按行车规律，车辆主要作用于3#～10#板导致梁间铰缝出现失效；原桥空心板采用浅铰缝设计，铰缝高度为15 cm，铰缝混凝土上缘宽8 cm、下缘及板间缝仅1 cm宽，填缝料细粒石混凝土质量难以保证；桥面现浇层厚8 cm，一旦铰缝出现病害，薄弱的桥面铺装将很难发挥横向传递荷载的功能；桥面破损使雨水下渗，并通过铰缝流出，雨水的渗入与超重荷载作用等不利因素共同作用，使铰缝钢筋处于恶劣的工作环境，加剧了病害的发展；同时，斜桥按比拟Z字型连续梁的受力与正桥存在差异，钝角、锐角不均匀受力较为明显。

图2　车道布置示意Figure 2　Lane arrangement schematic

3加固方案研究

3.1改道施工处治法

封闭右幅桥面交通，将交通转换至左幅桥，实现单道双向通行；拆除右幅原桥上部结构；利用原桥桥台，搭设支架，浇注整体板混凝土，并进行栏杆、桥面铺装等施工；待混凝土强度达到设计强度后恢复右幅桥面交通。

虽梁体结构处治为常规施工，但按《城市道路施工作业交通组织规范》占道施工警示区、缓冲区和终止区总长较长，对交通组织工作量大，费用高；受混凝土龄期影响，断道施工至恢复交通周期长，社会影响大。

3.2铰缝加固法

针对病害采用在梁底粘贴钢板，铰缝破损位置灌注环氧胶的处治工艺，恢复铰缝横向传力的功能，并重新铺装桥面层。

虽然对交通影响小，但其铰缝灌注胶仍需18 h完成固化[3]，且铰缝加固效果难以评估，一旦环氧胶老化硬脆，将影响其整体性，对结构的横向整体性未起到实质性的改变。

4整体顶推加固方案的实现及优点

4.1托架系统设计

整体式加固方案布置图如图3、图4所示，采用Ф500 mm壁厚10 mm钢管柱作为支撑结构，其下端锚固在混凝土基础上，上端放置支撑梁，支撑梁上焊接“π”形开孔滑导梁，支架距桥台1.5 m。

图3　桥梁平移平面布置图Figure 3　Layout planof bridge translation

图4　桥梁平移立面布置图Figure 4　Facade plan of bridge translation

4.2行走系统设计

行走系统(见图5)是整体平移方案的核心，其主要包括水平顶推系统和垂直顶升系统。

图5　行走系统构造Figure 5　Structural diagram oftravel system

水平顶推系统包括：顶推梁、水平千斤顶、移动反力架。顶推梁与支撑梁之间为滑动摩擦，减小其摩阻力有利于降低动力需求及反力架设备尺寸，表1中罗列了钢与其他材料之间的摩擦系数，可以看出采用钢—四氟乙烯板的接触模式可以减小水平阻力。

表1 接触材料摩擦系数对比Table1 Contrastoffrictionindifferentcontactmaterials材料钢木材混凝土四氟乙烯钢0.08～0.120.15～0.250.2～0.60.04～0.08 注:受接触表面粗糙程度摩阻系数略有差异。

采用Midas/civil有限元整体分析结果，其支反力和为1 644 kN，滑导梁自重19.7 kN，摩阻力可按F=μG确定，其值为133 kN，由于斜交角为20°，为避免顶推过程摇摆[4]，大桩号侧、小桩号侧分别设置10 T(最大行程300 mm)千斤顶实施同步顶推。

以水平顶推系统为隔离体分析，当匀速顶推时，销栓所受剪力与摩擦力平衡，体系不受水平外力，可省去常规顶推中固定的反力台座。

移动反力架构造见图6，材料采用Q345钢材，采用2根Ф16销栓作为临时固定构件。顶推过程千斤顶动作杆伸长，依靠反力架支承推动顶推梁前进，到达最大行程位置，泄压并将反力架往前移动，同时固定销栓再次实施顶推，如此循环作业。

图6　反力架构造图Figure 6　Structural diagram of reaction frame

利用ABAQUS建立反力架有限元分析模型，材料参数弹性模量E=206×103MPa，泊松比ν=0.25，剪切模量G=79×103MPa。通过在模型中定义切向罚函数，模拟移动反力架与滑导梁之间接触关系，采用C3D4单元进行网格划分划分见图7，特别对千斤顶作用位置，单元划分局部加密，通过接触非线性分析，反力架受力分析如图8所示，最大应力为73.58 MPa，反力架受力安全。

图7　反力架网格划分Figure 7　Reaction frame meshing

图8　反力架受力分析Figure 8　Analysis of reaction frame

垂直顶升系统[5]包括：同步液压系统、千斤顶，位移监控系统。采用同步液压系统对顶升及降落过程进行精确控制，并依靠位移监测在顶升(降落)过程实时监测各顶升点位移，以动态提供液压指令。

4.3行走速度探讨

常见顶推施工主要运用于新建桥梁中，受交通影响较少，芭蕉湾桥梁位于交通咽喉要道，在顶推作业中应重点考虑施工对交通的影响。交通管制时间为22：00—5：00，因此顶推作业时间相当有限。表2中列举了同类工程中的顶推方法。

结合表中部分桥梁顶推实施方案，本工程中桥梁总顶推力为133 kN较类似工程中顶推力小，为缩短顶推施工时间，两侧采用千斤顶同步顶推，顶推速度为10 m/h。

表2 部分桥梁顶推施工数据[6,7]Table1 Pushingconstructiondataofbridge项目跨武广线桥跨沪昆铁路桥福州某北引桥颍河特大桥桥梁跨度/m48.630+48+3013+12+13128竖向重量/kN9720 24596430022000顶推力/kN1360 27056452684顶推速度/(m·h-1)63～485

4.4方案优势

对交通影响小，仅在顶推就位过程需对交通进行临时改道，顶推完成即可施工桥面沥青混凝土铺装，开放交通；采用整体现浇板，对原桥病害都起到了根除的效果；整个桥跨结构均在原桥旁浇筑成型，避免了传统占到施工车辆撞击的风险；移动反力架的运用提高了顶推效率。

本桥地处交通要道，交通组织应作为主要考虑因数，而该桥铰缝病害严重根治铰缝病害提升结构承载能力是桥梁安全运营的重要基础，采用整体平移现浇梁具有显著的优势。

5结语

① 采用整体平移现浇板更换装配式空心板的方法能够根治铰缝病害，可为同类中小跨径桥梁病害处治提供参考。

② 先临桥整体浇筑梁板，再以整体顶推完成梁体更换，能够减少断道施工时间，降低对交通的影响。

③ 采用低摩擦值的接触面处理可显著减小顶推力，可拆卸反力架的设计提高了顶推过程效率，减少了材料设备的投入。

[参考文献]

[1]秦禄生.重载条件下小跨径简支板桥的横向铰接能力分析[J].公路，2010(10)：14-16.

[2]赵曼.板梁桥“单板受力”的数值分析[J].中国安全科学学报，2004(11)：25-29.

[3]魏洋，胡胜飞，张敏，等.环氧树脂在简支板梁桥铰缝加固中的应用研究[J].特种结构，2006(4)：78-81.

[4]陈恒山，吴静，陈湘林.顶推法施工在桥梁工程中的应用[J].中外公路，2006(3)：178-180.

[5]蒋岩峰，林其荃.PLC液压整体同步顶升技术在桥梁改造中的应用[J].施工技术，2007(5)：106.

[6]苏国明.跨武广客运专线顶推施工48 m曲线预应力混凝土简支箱梁设计[J].铁道标准设计，2010(6)：31-33.

[7]梁辉.顶推法架设128 m双线简支钢桁梁施工技术[J].铁道标准设计，2012(6)：54-58.

A Small-span Bridge Quickly Renovate New Technology

CHEN Song， ZHUO Jing， ZHU Xueyuan

(China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co.Ltd.， Chongqing 400067， China)

[Abstract]Relying on renovation of Ba Jiao Wan bridge，analyzed the diseases and causes of the bridge，Combined with the situation of a large traffic flow，Through a variety of programs selection，Put forward a plan by casting plate and pushing it to replace disease hollow slab，Focus on overall travel systemstudy.Using ABAQUS FEM analyzedreaction frame，The results show that it is safe and reliable，Finally，discussed the speed of Pushing construction，Practice shows：Overall Pushing Construction has an advantage of Safe，quick in the renovation of small span bridges.

[Key words]bridge renovation； single plate bearing； pushing construction； mobile reaction frame

[中图分类号]U 445.6

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0081-04

[作者简介]陈松(1987-)，重庆人，工学硕士，主要从事桥梁加固维护技术研究。

[基金项目]国家自然科学基金(51078370)

[收稿日期]2014-11-18