桥上架桥技术在实际工程中的运用研究

曾尉萍

(湖州交通规划设计院，浙江 湖州 313000)

据不完全统计，当前中国建成的公路桥和铁路桥总数已超过百万座，是当之无愧的桥梁大国。且随着交通基础设施建设的高速发展，更多的桥梁完成建设并投入运营。但不可忽视的是，许多地方过于重视桥梁建设，而忽略了桥梁的养护。一部分重要桥梁由于养护不及时或维修加固技术不成熟，技术状况持续变差，最终成为危桥，不仅影响当地交通通行效率，也间接阻碍了当地经济建设的快速发展。与中国历史悠久的造桥工艺技术相比，当前中国对桥梁维修加固技术的研究仍较薄弱，处于相对滞后的状态。因此，研究桥梁维修加固新技术有着十分重要的意义。该文以浙江省湖州市罗家浜跨铁大桥维修加固为工程实例，提出一种桥上架桥的桥梁维修加固技术。

1 工程概况

罗家浜跨铁大桥是G104至天门丝厂公路上的一座重要桥梁，建成于2005年。桥梁配跨为(22×16) m，右偏角90°，第7、第8孔跨越既有宣杭(宣城—杭州)铁路。桥宽为1.25 m人行道+7 m行车道+1.25 m人行道=9.5 m，双向两车道，兼顾部分市政功能。采用大刀片栏杆、混凝土桥面。桥梁上部结构为16 m跨径钢筋混凝土简支空心板，板宽为1.0 m，梁高为0.85 m。下部结构为柱式墩(柱径1.0 m)接扩大基础、重力式U形桥台。原设计荷载等级为汽-20、挂车-100，当前通行限载为22.5 t。

根据现场调查，结合桥梁检测报告，该桥主要存在以下病害：1) 全桥空心板梁底存在较多横向贯穿裂缝，裂缝间距约0.2 m，沿纵桥向板底满布，缝宽为0.10～0.41 mm，多数裂缝宽度超过规范容许值0.2 mm，部分边板梁底横向裂缝已开展至腹板1/2 梁高处。2) 空心板梁底勾缝大部分脱落，单板受力现象明显。3) 全桥下部结构墩、台盖梁、墩柱和基础除局部混凝土锈胀、露筋外，无明显结构病害。4) 全桥桥面混凝土铺装局部区域存在破损、磨损、露筋、粗骨料外露等现象。综合以上桥梁病害，该桥上部结构技术状况评为4类，下部结构评为2类，全桥技术状况综合评定为4类。依据规范，应立即采取维修加固措施或尽快拆除改建，同时采取交通管制措施。

2 设计构思与分析

2.1 设计方案中需考虑的因素

(1) 该桥第7、第8孔上跨既有宣杭铁路，铁路部门要求桥梁施工作业不得干扰桥下铁路运营，第7、第8孔只能在桥面上进行施工作业。

(2) 既有宣杭铁路在该桥东面约1.2 km处跨越长湖申线干线航道，依据业主提供的信息，长湖申线航道等级将由Ⅳ级提升为Ⅲ级，铁路老桥当前不满足Ⅲ级的净空要求，将在未来2年内拆除重建，罗家浜跨铁大桥桥下区域的铁路路基也要相应抬高，将导致罗家浜跨铁大桥第7、第8孔桥下净空不满足改建后铁路的通行净高需求。考虑到桥梁施工不能影响桥下铁路运营，拆除改建方案不可行，只能采取维修加固方案。

(3) 商合杭(商丘—合肥—杭州)高铁位于宣杭铁路南侧，罗家浜跨铁大桥为附近5 km范围内连接既有宣杭铁路两侧的唯一通道，也是商合杭高铁施工车辆的主要通行通道，如果绕行，路程远，对铁路施工效率影响较大。另外，附近有许多大型工厂，其员工上下班也需从罗家浜跨铁大桥通行。因此，罗家浜跨铁大桥不得长时间中断交通，且根据商合杭高铁项目的需求，该桥维修加固后，其通行能力需达到公路-Ⅰ级荷载标准。

2.2 维修加固方案比选

综合以上因素，结合业主需求进行维修加固方案比选。

(1) 罗家浜跨铁大桥为附近5 km范围内唯一跨越既有宣杭铁路的通道，不得长时间中断交通，更换老桥梁板的方案应排除。

(2) 该桥梁板原设计荷载等级仅为汽-20级、挂-100级，远不能满足公路-Ⅰ级荷载要求，且当前梁板病害较多，其实际承载力不足，上部结构被评为4类。通过理论计算，常规的梁板加固方案即梁底粘贴钢板无法使梁板承载力提高到公路-Ⅰ级的标准，且桥梁第7、第8孔上跨既有宣杭铁路，粘贴钢板施工工序安排非常困难。同样，梁底增设体外预应力方案也无法实施。

综上，常规桥梁维修加固方案已无法解决该桥的技术难题，故提出桥上架桥的加固方案。

3 总体设计方案

3.1 桥上架桥技术方案的说明

桥上架桥是指在既有罗家浜跨铁大桥桥面上架设一座新的“321”装配式公路钢桥，将老桥桥面的汽车荷载转移到新的“321”钢桥桥面上。“321”钢桥具有构造简单、部件轻巧、架设方便、拆装方便、架设速度较快、适应性强等特点,用简单的工具和人力就能迅速建成，非常适合运用于该项目。

3.2 桥上架桥技术方案的特点

(1) “321”钢桥上部结构自重轻，纵桥向换算成均布荷载仅17 kN/m，钢桥自重引起的荷载效应对老桥上下部结构造成的影响较小且在老桥承载力容许范围内。

(2) “321”钢桥承载能力高，可根据不同项目需要搭配满足公路-Ⅰ级荷载要求的配置组合，可满足商合杭高铁施工车辆的需求。

(3) “321”钢桥拼装施工工艺成熟，施工时间短，工期可控，可快速恢复罗家浜跨铁大桥的交通，同时可以人工完成拼装，不需采用大型机械。最重要的是，所有施工作业均在老桥桥面上进行，对桥下既有宣杭铁路的运营为零干扰。

3.3 设计方案介绍

老桥上部结构采用16 m标准跨径钢筋混凝土简支空心板，而“321”钢桥的标准跨径为3 m的整数倍，宜选15 m，纵桥向对称放置于老桥16 m跨中，相邻两跨之间间隙(1.0 m长)采用“321”非标钢桁架连接。“321”钢桥联长设置与老桥空心板一致，即钢桥在4#、8#、13#、18#墩顶处断开，作为“321”钢桥的伸缩端口。两联之间采用1.0 m长非标钢结构连接。“321”钢桥布跨为21×(15+1)m+15 m=351 m，立面布置见图1。

图1 “321”钢桥立面布置示意图(单位：cm)

“321”钢桥横断面布置主要考虑以下因素：一是机、非分离，确保过往行人和非机动车的通行安全；二是桥宽采用净4.8 m超宽车道，满足商合杭高铁项目施工超宽车辆的通行需求。横断面布置为0.63 m贝雷片+0.2 m路缘带+净4.8 m行车道+0.2 m路缘带+0.63 m贝雷片=6.46 m(见图2)，横桥向两侧原人行道1.25 m范围供行人、非机动车通行。

图2 “321”钢桥横断面布置示意图(单位：cm)

3.4 “321”钢桥贝雷梁受力分析

“321”钢桥上部结构中，1 m跨采用非标3排单层组合，15 m跨采用3排单层加强型(贝雷片上下均加强)组合。

对“321”钢桥进行结构受力验算时，主要受力构件贝雷梁计算跨径取为1×15 m，按照最不利工况简支梁模型进行复核验算。汽车荷载标准按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》的规定取值。钢桥桥面净宽为4.8 m，计算时偏安全地按照一个公路-Ⅰ级和一个公路-Ⅱ级的车道荷载叠加效应进行布载。依据《装配式公路钢桥使用手册》，3排单层加强型“321”钢桥桁架容许内力如下：弯矩为4 809.4 kN·m；剪力为698.9 kN。经过计算，钢桥承受的活载效应在跨中的组合弯矩设计值为4 338 kN·m<4 809.4 kN·m；支点处承受的活载效应组合剪力设计值为613 kN<698.9 kN。采用的15 m跨径3排单层加强型钢桥承载能力满足要求。

3.5 对老桥空心板的加固设计

老桥梁板为标准16 m跨钢筋混凝土简支空心板，而“321”钢桥主跨径为15 m，对称放置于空心板跨中，钢桥端部支撑点均落于距空心板板端0.5 m位置处。“321”钢桥和罗家浜跨铁大桥的相对位置见图3。

图3 “321”钢桥和罗家浜跨铁大桥相对位置示意图(单位：cm)

“321”钢桥桥面上的荷载由上向下的传力路径为“321”钢桥贝雷梁→钢桥底部支撑点→老桥混凝土桥面铺装→老桥空心板梁→梁底支座→老桥盖梁→老桥墩柱→扩大基础→地基，其中老桥空心板能否安全、有效地传递荷载是关系到传力路径成败的关键。根据老桥竣工图纸及病害情况，经过理论计算，老桥16 m跨空心板跨中抗弯承载力不足，端部支点处抗剪承载力略微不足。“321”钢桥与空心板之间传力通过钢桥钢支垫进行，钢支垫位于距空心板板端0.5 m处，钢桥上部荷载对老桥空心板跨中产生的荷载效应基本可忽略不计，老桥梁板跨中承载力不足不是设计的主要控制因素。对于老桥梁板端部抗剪承载力略显不足的问题，作如下加固处理：施工前，对老桥所有墩顶处桥面铺装混凝土进行检查，对局部坑槽及混凝土碎裂严重的区域，凿除混凝土后用C50混凝土进行修补；在钢支垫下桥面铺装混凝土表面粘贴2 cm厚Q235B钢板，钢板可起到应力扩散的效果，钢板作为“321”钢桥桥座或支撑钢支垫的垫板；对空心板端部1.0 m范围中间空心区域采用C50自流平混凝土填充成实心，提高空心板端部抗剪、抗压承载力。

“321”钢桥钢支垫位于距空心板板端0.5 m处，空心板梁底支座距离板端0.25 m，上下荷载作用点的错位使空心板承受较大的剪力。另外，由于车辆荷载增大，老桥支座已不能适应公路-Ⅰ级荷载需求。根据老桥竣工图，每块空心板端部设有2个GJZ140×140×28型支座。经验算，在公路-Ⅰ级荷载作用下，现有支座承载力不满足要求。因此，在保持现状的基础上，在每块空心板底距端部0.5 m处增设2个GJZ150×200×28型支座共同参与受力，解决老桥支座承载力不足的问题，同时改变梁板端部区域受力模式，使梁板端部由承受剪力效应转变为梁端混凝土(内部空心区域填充为实心)仅承受压应力，从而解决老桥空心板端部抗剪承载力略显不足的问题。支座承载力验算结果见表1。

表1 空心板支座承载力验算结果

3.6 盖梁及墩柱受力分析

根据老桥竣工图，老桥盖梁尺寸为宽1.2 m×高1.2 m，若老桥桥面直接承受重车荷载，盖梁承载能力不满足公路-Ⅰ级荷载要求。而常规的盖梁加固方案为粘贴钢板补强或体外预应力加固，不仅造价高，施工工艺复杂，而且对盖梁承载能力提高不多，无法满足需求。

采用桥上架桥技术方案，通过精细化设计可解决以上难题。根据图2，“321”钢桥支撑点位于横桥向次边板(由外向里的第2块中梁)顶，钢桥上部荷载均通过老桥次边板下支座直接传递给老桥盖梁，而老桥次边板的支座位于桥墩柱顶附近，上部荷载大部分经由盖梁直接传递给墩柱，对老桥盖梁跨中产生的弯矩和支点剪力均较小，老桥盖梁自身承载力满足要求。因此，老桥盖梁无须加固处理。上部荷载由墩柱传递给下部基础并在地基中扩散，实现荷载的转移，整个过程不仅避开了老桥盖梁加固难的难题，同时最大限度发挥了墩柱承压承载力高的特点，一举两得。

3.7 桥墩扩大基础结构验算

在公路-Ⅰ级荷载作用下，桥墩扩大基础底面以上最不利荷载(包含扩大基础的自重)组合效应值为6 400 kN。根据竣工图，扩大基础基底尺寸为长8.9 m、宽3.8 m，基础底所在土层为较厚的圆砾土(中密，饱和 )，承载力特征值为350 kPa，基础底均进入圆砾土层不小于1.0 m，计算得扩大基础基底应力为6 400/(8.9×3.8)=189 MPa<350 MPa，满足要求。

4 施工运营管理要求及施工注意事项

(1) “321”钢桥运营期间，限速20 km/h，车辆总重限载49 t，限轴载14 t。

(2) “321”钢桥运营期间，安排专人24 h维护。鉴于该桥仅允许车辆单车道单向通行，桥两头需派专人进行交通疏导，确保交通安全。

(3) “321”钢桥运营期间，加强对罗家浜跨铁大桥上、下部结构的观测，若发现结构性病害或病害发展较快影响结构安全，及时采取相应措施。

(4) “321”钢桥的架设与拆除严格按《装配式公路钢桥使用手册》实施。鉴于罗家浜跨铁大桥为4类桥，“321”钢桥在桥面上拼装施工时不得使用大型重载机械。

(5) “321”钢桥使用年限初定为24个月，到期后如需继续使用，应对钢桥作全面检查，评估为安全后方可继续使用。

5 结语

罗家浜跨铁大桥上部结构空心板梁病害多、承载能力低，且受桥下既有宣杭铁路限制，常规的桥梁维修加固技术无法解决。在深入分析该桥现状和需解决的工程难题的基础上，打破常规思维定势，突破传统的桥梁维修加固技术的局限，提出在罗家浜跨铁大桥桥面上架设“321”钢桥的技术方案，通过精细化设计，解决了罗家浜跨铁大桥维修加固中遇到的难题，也给商合杭高铁施工及当地居民带来极大便利，取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益。