国道324 线洛阳桥维修加固设计方案分析

2022-10-30曾丽梅

福建交通科技 2022年7期

■曾丽梅

（泉州市公路事业发展中心惠安分中心，泉州 362000）

1 工程概况

国道324 线洛阳桥位于惠安县，桥跨布置为（30+6×24.8+30）m，上部结构为预制简支预应力混凝土T 梁，桥面连续，下部结构为桩柱式双圆柱墩、柱式桥台、钻孔灌注桩基础。桥梁横断面采用12 片C40 预应力混凝土T 梁组成。主梁梁肋中心距为1.65 m，跨径30 m 梁高为1.75 m，跨径24.8 m 梁高为1.45 m，肋板宽度16 cm，马蹄宽度36 cm，翼板端部厚8 cm、根部厚18 cm。预应力钢丝束采用符合YB255-64《预应力混凝土结构用碳素钢丝》标准的冷拔碳素圆钢丝，单径为5 mm，极限抗拉强度为1 600 MPa，弹性模量E=2×105MPa，每束由24 丝组成。主梁沿纵桥向每隔486 cm 设置1 道横隔板，横隔板厚16 cm，横隔板为中间镂空，通过在顶、底处预埋钢板焊接连接。主梁桥面翼板设有2 cm 缝隙，在两横隔板中间（沿纵桥向）翼缘顶部铰缝处设置1道预埋钢板焊接连接。桥面铺装为C30 钢纤维防水混凝土，分2 组桥面连续，1～4 孔为第一联，5～8孔为第二联，全桥仅两桥台及桥中间4 号墩处各设1道伸缩缝。

现有洛阳桥为1996 年1 月设计，1996 年12 月通车，桥梁建设时利用原洛阳江桥闸（宽9 m），在原桥闸下游单侧加宽预制T 梁桥，其中既有桥闸为水利设施；既有桥闸过水断面为32-5×4.7 m 石拱桥，下部结构为条石基础；洛阳桥设计荷载为汽车-20 级，挂车-100，人群荷载3 kN/m2（图1～3）。

图1 洛阳桥侧面图

图2 洛阳桥桥型布置图

图3 主梁标准横断面

2 桥梁病害情况及原因分析

2.1 桥梁病害情况

根据2021 年8 月检测单位提供的《国道324线K167+236 洛阳大桥定期检查报告》和现场复查，洛阳桥主要病害如下。

2.1.1 桥面系

桥面铺装存在43 条纵横向裂缝（最大长度L=17 m，最大宽度D=2 mm），桥面铺装2 处坑洞（最大面积S=1.5 m2），磨光露骨2 处（最大面积S=15 m2）；人行道破损4 处（最大面积S=0.75 m2），开裂8 处，修补失效2 处。桥面铺装层纵向裂缝见图4。

图4 1# 跨桥面铺装层裂缝（纵向裂缝）

2.1.2 上部结构

T 梁存在28 处剥落露筋（最大面积S=0.16 m2），横向裂缝1 处（L=0.35 m，D=0.1 mm）；横隔板存在21 处钢板裸露，3 处剥落、掉角（最大面积S=0.32 m2）。横隔板病害详见图5。

图5 横隔板钢板裸露、混凝土剥落

2.1.3 下部结构

墩身、盖梁存在28 处剥落露筋（最大面积S=0.12 m2），存在6 条裂缝（最大长度L=1.5 m，最大宽度D=0.4 mm），22 处蜂窝麻面（最大面积S=0.05 m2）。

2.2 病害原因分析

（1）现状桥面铺装病害较严重，主要表现为墩顶横向裂缝及沿纵桥向翼缘裂缝。墩顶横向裂缝由于桥面连续失效，引起裂缝反射至铺装层，引起开裂。该桥的简支T 梁之间未采用现浇湿接头的方式连接，翼板缝隙间局部采用钢板搭接这种类似于铰接的形式，桥面钢筋混凝土铺装层较薄（7 cm），砼标号C30，铺装层钢筋较弱（ϕ8 钢筋，间距20 cm×20 cm），桥面铺装层整体横向连接较弱，加上横隔板之间的联系采用钢板焊接，贯通整个桥面的纵向裂缝是由于T 梁横隔板连接受损（失效）后，横向联系进一步变弱，产生过大的变形引起。（2）横隔板联系剥落、掉角，连接钢板裸露、脱焊、错位。因连接钢板尺寸较小，横向连系刚度不足，超载车辆较多，导致横隔板联系功能失效；或因施工误差，造成横隔板错开、焊接质量不合格，也导致横隔板联系功能失效。（3）混凝土蜂窝、麻面、掉角、露筋为主梁吊装时磕碰造成，或混凝土浇筑过程中缺乏应有的捣固，模板缝隙不严，水泥浆流失等造成。（4）盖梁裂缝。通过裂缝部位及近两年外观检测报告数据及现场调查对比，裂缝位置在结构非受拉部位，为表层裂缝，且近两年裂缝宽度及长度基本没有进一步变大，造成裂缝极有可能由外界环境温差、混凝土收缩引起。

3 桥梁加固设计方案比选

依据桥梁检查报告和现场调查结果、病害成因分析等，拟对如下3 个方案进行比选。

3.1 方案1：横隔板加强钢筋混凝土法

桥面铺装凿除重做并加强，与原有主梁形成整体，增加主梁有效高度和增大受压截面；横隔板连接处采用加厚钢筋混凝土法加固，以增强横隔板连接刚度。方案设计见图6。

图6 跨间横隔板加强构造图

3.2 方案2：横隔板加强和翼缘板重浇刚接法

（1）桥面铺装凿除重做并加强，与原有主梁形成整体，增加主梁有效高度和增大受压截面；（2）横隔板连接处采用加厚钢筋混凝土法加固，以增强横隔板连接刚度；（3）凿除T 梁翼板80 cm 宽度范围，浇注湿接缝、铰接改为刚接。方案设计见图7。

图7 翼缘板重浇刚接法示意图

3.3 方案3：更换主梁法

（1）拆除原有桥面和主梁；（2）按现有荷载等级重新安装主梁和浇筑桥面。设计方案见图8。

图8 更换主梁法示意图

3.4 3 种加固方案比选

按照维修加固满足使用功能要求的前提下，兼顾经济效益、社会效益的原则，对3 种桥梁维修加固方案进行了比选，比选结果见表1。

表1 3 种桥梁维修加固方案比选

比选结果表明，现有桥梁交通繁忙，为城市交通主要通道，从桥梁管养角度考虑，在桥梁主体结构承载能力满足正常使用要求基础上，综合考虑施工工期、施工风险、施工难度、造价、社会效益等因素，推荐采用方案1。

4 加固设计方案分析

4.1 加固目标

（1）通过对桥面铺装层补强及T 梁横隔板加固，以满足原桥设计汽车荷载等级汽车-20 级，挂车-100荷载，适当提高承载力安全储备，保证运营的安全[1]；（2）对桥梁裂缝予以修复，混凝土破损及缺陷修补，提高桥梁耐久性[2]；（3）处治其他病害，满足桥梁正常使用需求。

4.2 桥梁改造前原结构计算

由于洛阳桥建造于1996 年，采用的设计规范是JTJ 022-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和JTJ 021-89《公路桥涵设计通用规范》。按照老桥老规范的原则，委托设计单位对洛阳桥的24.8 m 和30 m 主梁分别各取1 孔验算。

4.2.1 选取的材料及参数指标

选取的材料及参数指标详见表2。

表2 主要材料及参数（老规范值）

4.2.2 承载能力检算系数

根据该桥2014 年特检报告、2018 年桥检报告并结合现场调查，主梁承载能力检算系数Z1取值见表3。

表3 主梁承载能力检算系数Z1 取值

4.2.3 有限元模型构建

利用空间有限元计算软件MIDAS/Civil 2021，建立有限元模型，采用梁格法进行结构计算分析。桥梁结构为简支T 梁，24.8 m 和30 m 分别各取1孔验算。计算模型见图9，模型采用的材料及参数详见表2，主梁边界条件按简支梁受力特性进行设置。

图9 两跨T 梁有限元模型示意图

4.2.4 结构验算

按照原桥设计荷载等级要求，进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算。经检算，T 梁承载能力极限状态下，正截面抗弯、斜截面抗剪；正常使用极限状态下，正应力、主拉、主压应力、挠度均满足原设计85 规范（汽- 20 级，挂车-100 级）要求。验算结果见表4～6 中加固前阶段数值。

4.3 加固改造设计方案分析

从旧桥的计算分析可以看出原设计T 梁的承载能力有一定富余，使得在实际超载车作用下纵向T 梁梁底检测没有裂缝，可以通过适当加高梁体断面，重新浇筑10 cm 厚钢筋混凝土桥面铺装，使铺装层与主梁共同受力，组成组合截面，从而充分利用梁内预应力钢束，来提高T 梁承载能力。（1）在尽量不增加旧桥恒载和尽量不损伤原桥无病害部分情况下，人工凿除旧桥原桥面铺装层（7 cm 厚C30混凝土），梁顶设置剪力槽、植筋、现浇10 cm 厚的C50 钢筋混凝土铺装层，组成组合截面，增大梁体截面，加大了截面抗弯惯性矩，提高了梁体抗弯承载力；提高了截面上缘受压面积，提高截面上缘的抗压承载力。（2）由于原设计主梁间翼板采用铰接形式，桥面铺装层偏薄且配筋较弱，横隔板连接采用钢板焊接，横向联系弱，经过多年运营，桥面钢筋混凝土铺装层受损严重、横隔板钢板变形错位、横隔板之间的联系（钢板焊接）部分已受损（失效），使主梁趋于单梁受力的不利状态。本次设计通过加厚桥面铺装层及加强铺装层钢筋布置，同时对横隔板进行加固，增加连接刚度，使主梁受力更均匀，从而改善现状主梁受力状态。桥梁加固设计示意见图10。

图10 桥梁加固设计示意图

4.4 加固改造后结构计算

改造后考虑桥面铺装层8 cm （已扣除2 cm 磨耗层）参与主梁共同受力，计算参数同改造前。计算时考虑桥面加铺层、横隔板加固混凝土、及新增防撞护栏等增加的二恒重量。 T 梁左侧按远期改造后横断面布置行车道考虑计算（受力不利）。验算结果见表4 中加固后阶段数值。

表4 主梁正截面抗弯承载能力加固前后计算结果对比

通过对桥面铺装层补强及横隔板加固，使主梁受力更均匀，有效减小了单片主梁内力分布，满足原桥设计汽车-20 级，挂车-100 荷载等级要求，并提高了承载力安全储备，保证了运营的安全。

4.5 加固设计主要措施

4.5.1 T 梁横隔板加固设计

T 梁横隔板连接钢板有T 梁翼板顶缘连接钢板、横隔板侧向上下连接钢板，T 梁翼板顶缘连接钢板在横隔板加固后由钢筋混凝土替代，不再保留，横隔板侧向上下连接钢板须保留连接。顶板在横隔板位置采用人工凿除局部开槽0.47 m（横桥向）×0.36 m（纵桥向），用切割机沿钢板边缘割除翼板顶缘连接钢板及钢筋，钢筋保留足够长的接头，并与横隔板加固钢筋N1 焊接接长。施工时应先凿除横隔板侧向钢板连接处表面砂浆保护层和松散混凝土至露出钢板及钢筋，检查钢板连接情况，对于连接完整无病害的钢板，直接保留利用。对于表面生锈、脱焊的连接钢板须除锈、除渣、补焊后再加固。对于有错位的连接钢板调平纠偏后，再用新的连接钢板恢复连接，钢板变形较大的可以采取垫焊来调平处理，连接钢板重新焊接后再浇筑加厚横隔板。

表6 主梁正常使用极限状态斜截面主拉应力加固前后计算结果对比

4.5.2 桥面铺装改造设计

原设计为7 cm 厚C30 钢纤维防水混凝土铺装，桥面铺装层钢筋网为ϕ8 间距20 cm×20 cm，混凝土强度等级偏低，容易磨耗，加上配筋较弱，桥面铺装损坏严重，采用常规裂缝修补和表面缺陷修复已不能满足现状交通使用需求，应对桥面铺装凿除重做并加强。本次改造设计，破除原桥桥面铺装后重新浇筑C50 防水钢筋混凝土铺装层，用ϕ12 钢筋（植筋）与梁体连接牢靠，形成整体，避免梁体混凝土与桥面铺装混凝土脱离，形成“两层皮”现象。

桥面铺装改造，先采用人工凿除原混凝土铺装层，在原桥面板上设置齿形剪力槽，剪力槽最深10 mm，间距155 mm。设置10 cm×10 cmϕ12 的钢筋网，并在梁体顶面上植筋，植筋做成直角勾，为避免钢筋焊接时高温对植筋胶的影响，植筋顶端与现浇层横向钢筋绑扎牢固，从而约束铺装纵向钢筋作用，提供抗剪，后浇筑10 cm C50 防水混凝土现浇层。由于翼板连接处为铰接，故在铰缝处采用ϕ12间距10 cm 的短筋进行加强，与桥面钢筋网横向钢筋间隔布置。为了提高边梁外侧悬臂板承载能力，在悬臂处采用ϕ16 间距10 cm 的短筋进行加强，与桥面钢筋网横向钢筋并置。植筋采用梅花型布置，并严格控制孔深，施工时应按设计图纸严格设置，植筋钻孔时，如果碰到梁体钢筋，须适当调整钻孔位置，不得损伤梁体钢筋。墩顶桥面连续处布置ϕ12 间距10 cm 桥面连续加强短筋，与现浇铺装层钢筋网纵向通长钢筋并置，混凝土浇筑完达到一定强度后锯缝填充沥青玛蹄脂。

4.6 主要工艺措施

4.6.1 人工凿除

（1）桥面铺装层凿除。桥面铺装层采用人工凿除，应不损伤原桥无病害部分。建议先采用切缝机将桥面铺装层混凝土切割成大约45×45 cm 的小块，按照混凝土厚度进行切割，T 梁桥混凝土铺装层为7 cm，旧桥闸水泥路面为22 cm；再利用风镐插入铺装层与梁体的结合面，通过风镐振动破坏结合面粘结力，用撬棍将小块混凝土撬起[3]。（2）T 梁横隔板连接处凿除。横隔板连接处局部开槽时要保护原结构不受损伤，施工时关注原结构状况，出现开裂、剥落掉块等意外情况时，要立即停止凿除施工。具体工艺如下：划线确定凿除混凝土范围，沿线切开保护层; 沿切缝的外侧，用钢筋探测仪每20～40 cm（钢筋间隙）划定一冲击孔位; 用冲击钻在每个冲击孔位处钻孔，穿透横隔板，孔径60～100 mm；沿孔位先竖向、后水平向凿除横隔板混凝土露出钢筋;对凿除范围的内边缘修边，并凿毛表面。

4.6.2 湿接缝施工工艺

横隔板加固新旧混凝土结合面处理按湿接缝处理。（1）拼接部位混凝土表面按施工缝处理，凿除混凝土表面上松动的碎块，再用钢丝刷将表面松散残渣刷除，处治后的混凝土表面粗糙度度不小于6 mm。（2）混凝土表面湿度处理。在混凝土浇筑前，新旧混凝土结合面至少不间断浇水4～6 h，然后盖上湿麻袋，直至旧混凝土及粘结面上无明显水迹，保湿18～24 h 才能浇筑新混凝土。（3）表面界面剂涂抹。对混凝土表面处理达到要求并保持湿润状态下，用毛刷涂抹一层界面剂（掺10%的U 型膨胀剂的水泥浆），厚度约1 mm，然后立即进行新混凝土浇筑工作。（4）混凝土浇筑后的保温、保湿养护措施。浇筑后应立即覆盖无纺土工布蓄水养护，养护时间不少于14 d。

4.7 耐久性设计

混凝土耐久性设计遵循JTG/T 3310-2019 《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》和JTG 3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的要求。

4.7.1 环境分区、分类及作用等级

根据JTG 3362-2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定：本工程所处气候环境为南亚热带海洋季风气候，按Ⅲ类海洋环境设计，根据JTG/T 3310-2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》的规定，并结合水质分析结果桥梁结构各部位的环境作用等级见表5。

表5 主梁斜截面抗剪承载能力加固前后计算结果对比

表5 桥址所处环境作用等级

4.7.2 混凝土材料的选用

按照JTG/T 3310-2019 《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》规定，设计中对混凝土原材料的选用与水灰比等主要配比参数要求如下。水泥[2]：应尽量选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混合材料宜为粉煤灰或矿渣。硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的细度不宜超过350 m2/kg；水泥中铝酸三钙（C3A）含量不宜超过8%（海水中不宜超过5%）。大体积混凝土宜采用硅酸二钙（C2S）含量相对较高的水泥。水泥的碱含量（按Na2O 量计）不宜超过0.6%。粗、细集料[2]：宜选用质地坚硬、级配良好、粒径合格、吸水率低、颗粒洁净、有害杂质含量少、无碱活性的粗、细集料，基本技术指标应按现行标准JTG/T 3650-2020《公路桥涵施工技术规范》的相关要求执行。粗集料的最大公称粒径不应超过结构最小边尺寸的1/4 和钢筋最小净距的3/4；在两层或多层密布钢筋结构中，不应超过钢筋最小净距的1/2。减水剂[2]：合适的减水剂能够显著提高混凝土的工作性能，降低水化热，使混凝土内部温度有所降低，延缓温度高峰的出现。减水剂宜采用聚羧酸系减水剂。外加剂[2]：掺入适当的混凝土外加剂，可以防止混凝土的早期收缩裂缝与徐变，避免过多的气孔产生。采用高效缓凝剂使混凝土初凝时间比箱梁浇筑时间更长，可以避免混凝土浇筑过程中的初凝开裂。各种外加剂中的氯离子总含量不宜大于混凝土中胶凝材料总质量的0.02%，硫酸钠含量不宜大于减水剂干重的15%，防冻剂中的氯离子含量不应大于0.1%。

4.8 桥梁改造施工顺序

（1）改造前将T 梁桥左侧人行道外挂军缆迁改至桥闸右侧新建人行道下。（2）人工凿除后浇带处桥面铺装；解除后浇带处T 梁铰缝处翼板顶缘钢板连接；T 梁横隔板位置顶部采用人工凿除局部开槽0.47 m（横桥向）×0.36 m（纵桥向），解除后浇带处横隔板钢板连接；使左、右分幅施工结构独立受力，不受通车影响。（3）拆除旧桥人行道构件。（4）梁顶采用人工凿毛设置齿形剪力槽、植筋；利用桥下支架工作平台，修复下部结构及梁体混凝土裂缝、表层缺陷等病害，对横隔板连接钢板进行加固、横隔板表面凿毛、植筋、布置横隔板钢筋，浇筑横隔板加固混凝土；布置左侧翼板拼宽钢筋、左侧护栏基座预埋钢筋及铺装层内远期改造护栏基座预理钢筋，浇筑拼宽段混凝土，并对浇筑的混凝土翼板顶面拉毛。（5）布置桥面现浇层钢筋网，浇筑桥面铺装混凝土；布置防撞护栏基座钢筋、路灯基座预埋件、预理照明穿线管，浇筑防撞护栏及路灯基座混凝土。（6）安装防撞护栏。

4.9 施工注意事项

（1）本桥改造施工过程中，所有材料和施工工艺必须满足JTG/T J22-2008《公路桥梁加固设计规范》和JTG/T J23-2008《公路桥梁加固施工技术规范》。（2）植筋钻孔实施前，施工单位应探测原结构钢筋位置，如发现植筋位置与原钢筋位置冲突时，可对植筋位置进行局部调整，以避开原钢筋，调整情况及时报设计单位。如钻孔过程中，碰到原钢筋，应及时停钻，采用聚合物砂浆修补好，并报告监理和设计单位。（3）破除T 梁桥面铺装、桥闸水泥路面须采用人工凿除，严防对桥体结构造成破坏。（4）翼缘改造、T 梁横隔板加固等工序中需要凿除原结构混凝土并保留原结构钢筋，施工时注意避免损伤原钢筋，一旦原钢筋受损，应先予以恢复，可采用不小于原直径的钢筋按规定焊接补强。（5）分幅施工后浇带桥面铺装前，须注意恢复T 梁铰缝处翼板顶缘钢板连接。（6）任何施工部位，均不得有施工机械行车震动干扰。（7）桥面铺装、横隔梁加固等桥梁结构加固用混凝土的强度等级应比原结构构件提高一级，采用C50 补偿收缩混凝土。横隔梁加固改造混凝土采用自密实混凝土，混凝土粗集料应选用质密、坚硬、强度高、耐久性好的碎石，小石子混凝土最大粒径不大于1.2 cm。桥面铺装混凝土采用粒径不大于2 cm 的粗集料。（8）所有环氧树脂采用水性环氧树脂。混凝土均采用补偿收缩混凝土，新旧混凝土结合处，原构件表面应凿成不小于6 mm 的粗糙度。植筋钻孔，建议采用喜利得钻孔设备，其质量可靠，钻孔快捷。