浅述南海区大冲南桥养护管理对策

黎建毅,郑玉佩

（1.佛山市南海区公路管理站,广东 佛山 528000;2.佛山市公路勘察规划设计所有限公司,广东 佛山 528000）

0 引言

桥梁使用年限增加，交通荷载等级日益增大，现状桥梁病害日渐发展，采取科学、合理的养护管理对策维修加固桥梁是十分必要的。上部结构为20 m预应力混凝土空心板和30 m预应力混凝土空心板桥梁，采用浅铰缝使横向联系较差，易形成单板受力状态。预应力混凝土空心板顶板偏薄，易发生板底渗水泛碱病害，降低桥梁的承载能力。因此，研究上部结构为预应力混凝土空心板[1]的桥梁病害管理对策是迫切的。

该文以大冲南桥旧桥[2]上部结构预应力混凝土空心板作为研究对象，进行病害分析、旧桥结构承载力验算及养护管理后结构验算，采用控制变量法做桥梁自振频率参数敏感性分析，研究上部结构为预应力混凝土空心板的桥梁养护管理对策的可行性。

1 工程概述

大冲南桥位于佛山市南海区桂和路上，跨越大冲南河，路线代码S267（帽三线），桥梁中心桩号K77+291。

桥梁全长270.0 m，桥梁分左右两幅。桂和路于2006年进行拓宽改造，大冲南桥左右侧均扩建了拓宽桥。桥梁组合跨径为：3×20.0 m（预应力混凝土空心板）+3×30.0 m（预应力混凝土空心板）+6×20.0 m（预应力混凝土空心板）。原旧桥桥面总宽26.0 m，桥面横向布置为0.5 m（护栏）+11.0 m（行车道）+0.5 m（护栏）+2.0 m（中央分隔带）+0.5 m（护栏）+11.0 m（行车道）+0.5 m（护栏）；单侧拓宽桥桥面总宽为9.0 m，横向布置为：0.5 m（左侧护栏）+8.0 m（行车道）+0.5 m（右侧护栏）。1996 年原旧桥建成通车，2007 年左右侧拓宽桥建成通车。

桥梁上部结构由预应力混凝土空心板组成。下部结构为柱式墩、柱式台，钻孔灌注桩基础。支座为板式橡胶支座；桥面铺装为水泥混凝土，采用钢筋混凝土防撞护栏，异型钢伸缩缝。

技术标准：公路等级：一级公路；设计车速：100 km/h；设计荷载：原旧桥为汽车-超20、挂-120[3]，两侧拓宽桥为公路-I级。

2 桥梁病害状况

根据佛山市南海纵横交通建设质量检测有限公司《2016年度桥梁定期检查项目——大冲南桥》（2017年11月）[4]：左右两侧拓宽桥桥梁状况良好，评定为2类桥，即有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响；原旧桥梁技术状况等级评定为3类，上部构造、盖梁和桩基病害状况如下：

（1）上部构造病害[5]：1）左幅病害情况：局部空心板出现纵向裂缝、横向裂缝，局部板底水泥混凝土破损，第5#跨梁底被火熏黑多处铰缝砂浆脱落。2）右幅病害情况：局部预应力混凝土空心板出现纵向裂缝、横向裂缝，第2跨和第5号跨梁体被火熏黑，局部板底有水迹，全桥多处铰缝砂浆脱落，其中9-5、9-6、10-5#铰缝有渗水析白现象。

（2）下部构造病害：桥墩盖梁局部锈胀露筋，桥墩普遍有水迹，桥台出现渗水污染。

（3）水下桩基检测结果：部分桩柱被淤泥覆盖且表面轻微冲蚀，局部桩柱表面剥落。

（4）动载试验结果表明[6]：30 m跨桥梁结构的实测激发频率测试结果小于自振特性测试中得到的基频；20 m跨所测冲击系数略小于规范计算值（1+μ=1.247），30 m跨所测冲击系数略小于规范计算值（1+μ=1.177 7）。

3 桥梁上部结构验算

根据桥梁病害状况及桥梁维修历史，尤其是在2017年曾对左幅桥第10跨1～5#预应力混凝土空心板进行更换，可判断大冲南桥旧桥上部结构及其铺装层存在着严重的病害，对旧桥预应力混凝土空心板进行结构验算是必要的。

验算技术标准：1）安全等级：Ⅰ级；2）设计基准期：100年；3）环境类别：Ⅱ类环境；4）设计荷载：汽-超20，挂-120；5）桥梁宽度：26 m，双向6车道；6）《大冲南桥竣工图》（1994年）。

3.1 20 m预应力混凝土空心板荷载验算

3.1.1 永久荷载中结构重力产生的效应

（1）结构重力：预应力钢筋混凝土容重按26 kN/m3计[7]，边板与中板的普通钢筋与预应力钢筋数量及布置情况一致，采用边板跨中截面统一进行验算。

式中，G1——边板每延米重力；A——边板截面面积；γ——预应力钢筋混凝土容重。

（2）二期恒载：按桥面铺装实际厚度计算，护栏按照横向分布系数进行分配。

桥面铺装：G2=3.44 kN/m；

护栏：G3=2.83 kN/m。

式中，SG——二期恒载；G2——桥面铺装每延米重力；G3——护栏每延米重力；q——上部结构每延米重力；l——预应力混凝土空心板长度。

3.1.2 基本可变荷载中汽车产生的效应

（1）跨中处横向分布系数（铰接板法）如表1所示。

表1 横向分布系数

（2）冲击系数：μ=1.19；

荷载组合如表2所示。

表2 荷载组合表

3.1.3 承载能力极限状态计算

20 m预应力混凝土空心板抗弯强度如表3所示。

表3 预应力混凝土空心板跨中正截面抗弯强度 /（kN·m）

3.2 30 m预应力混凝土空心板荷载验算

3.2.1 永久荷载中结构重力产生的效应

（1）结构重力：预应力钢筋混凝土容重按26 kN/m3计，采用边板跨中截面进行验算。

式中，G1——边板每延米重力；A——边板截面面积；γ——预应力钢筋混凝土容重。

（2）二期恒载：按桥面铺装实际厚度计算，护栏按照横向分布系数进行分配。

桥面铺装：G2=3.44 kN/m；

护栏：G3=1.09 kN/m。

公式中，SG——二期恒载；G2——桥面铺装每延米重力；G3——护栏每延米重力；q——上部结构每延米重力；l——预应力混凝土空心板长度。

3.2.2 基本可变荷载中汽车产生的效应

（1）跨中处横向分布系数（铰接板法）如表4所示。

表4 横向分布系数

（2）冲击系数：μ=1.18；

荷载组合如表5所示。

表5 荷载组合表

3.2.3 承载能力极限状态计算

30 m预应力混凝土空心板抗弯强度如表6所示。

4 养护管理加固方案

4.1 从养护管理层面分析病害成因

从养护管理层面对大冲南桥原旧桥病害成因分析是维修加固设计的前提，桥梁病害的产生往往是综合因素的结果，每个因素又相互关联，相互影响。从养护管理角度出发，考虑到原旧桥《定期检查报告》，除了下部构造、支座、桥面系和桩基等病害需要按合理的加固维修方式处理外，上部结构出现的病害最严峻。

针对上部结构的养护管理，从养护管理角度分析病害成因：由于预应力混凝土空心板为浅铰缝以及桥面铺装破坏，导致预应力混凝土空心板间横向联系较差，形成桥梁运营过程中的单板受力状态，底板受拉区混凝土拉应力超标，致使单个预应力混凝土空心板出现横向裂缝。预应力混凝土空心板顶板过薄，桥面铺装混凝土破碎，雨水渗入预应力混凝土空心板内（表现为板底渗水泛碱），再由裂缝渗入钢铰丝表面，使其产生锈蚀作用，进一步降低了桥梁的承载能力。该桥预应力混凝土空心板结构为大空板，板宽1.5 m，浅铰缝，顶、底板、腹板厚度太薄（分别为10 cm、11 cm），断面结构存在安全隐患，也是产生病害的主要原因。

4.2 预应力空心板结构计算分析（以30 m跨为例）

预应力混凝土空心板为简支结构，板高120 cm，为无黏结预应力，底板预应力配置为17根φs15.2钢绞线。经复核验算，预应力混凝土空心板在设计荷载作用下，最大荷载组合效应为3 964 kN·m，正截面强度为2 948 kN·m，超出承载能力34%。且预应力布置不合理，在荷载作用下，板低中间应力小的位置布置的钢铰丝较密，在靠腹板的位置布置的钢铰丝较疏，不符合剪力滞原理，导致底板在腹板附近先开裂。

4.3 分析结论

（1）承载能力极限状态组合1中，20 m预应力混凝土空心板和30 m预应力混凝土空心板跨中主梁截面最大内力分别已经超出最大抗力8.7%和34.5%，承载能力极限状态组合2中，跨中主梁截面最大内力分别已经超出最大抗力8.6%和23.5%。

（2）根据对桥梁结构验算结果的整理与分析，运营阶段的桥梁结构处于极限承载状态，影响桥梁的安全性和正常使用，处于危险状态。

（3）对比历年桥检报告，预应力混凝土空心板裂缝发展较为迅速，预应力混凝土空心板的保护层厚度普遍不满足设计及规范要求，钢筋锈蚀严重。2016年养护管理部门曾对上部结构第10跨1#、2#、3#、4#和5#预应力混凝土空心板进行换板处理。旧桥上部结构预应力混凝土空心板为大空板，铰缝为浅铰缝，普遍存在着单板受力的情况。

（4）综上所述，旧桥上部结构病害严重，如不进行加固处理，裂缝数量及宽度将会继续发展，影响桥梁的安全性和正常使用。

4.4 加固措施

根据20 m和30 m预应力混凝土空心板结构验算结果，结合上部结构病害成因分析，从养护管理角度出发，旧桥上部结构已经无法满足设计规范要求，存在较大安全隐患。为保证桥梁结构安全，满足后续继续使用要求，对大冲南桥旧桥上部结构进行拆除重建，分别采用20 m和30 m预应力混凝土小箱梁结构代替20 m和30 m预应力混凝土空心板结构[8]。加固前后上部结构各构件恒重对比如表7所示。

4.5 换梁后下部结构验算

对大冲南桥旧桥上部结构进行拆除重建后，上部结构恒重发生变化，应对换梁后的盖梁及桩基础进行验算。

4.5.1 盖梁验算

采用桥梁博士软件分别对桥台盖梁、引桥盖梁、过渡墩盖梁和主桥盖梁进行验算，验算结果表明：上部结构由预应力混凝土空心板换成预应力混凝土小箱梁后，盖梁受力由较为分散的均布力变为集中应力，截面荷载效应组合值增大。除桥台盖梁的截面极限承载能力值能够达到规范要求外，引桥盖梁、过渡墩盖梁及主桥盖梁的截面极限承载能力值均不能满足规范要求，主桥盖梁荷载效应剪力值超过抗力值的58%，抗剪能力严重不足，影响桥梁的安全性和正常使用。为保证桥梁结构安全，满足后续继续使用要求，从养护管理角度出发，应拆除重建引桥、过渡墩及主桥的盖梁。

4.5.2 桩基验算

（1）桩基加固前验算：上部结构由预应力混凝土空心板换成预应力混凝土小箱梁且重做盖梁后，对全桥各墩的桩基进行验算，验算桩基时均取最不利的桩基。桩基计算表如表8所示。

表8 桩基计算表

结论：5#墩的1#和3#桩基的单桩承载力不满足规范要求，最大轴向力超出承载力容许值的43.4%，其余的桩基计算均满足规范要求，需对5#墩进行加桩处理，在左右幅盖梁的中点处加设一根桩基。

（2）桩基加固后验算如表9所示。

表9 桩基加固处理后桩基计算表

结论：5#墩加固后，经桩基计算得出加桩加固后5#墩的桩基的单桩承载力满足规范要求。

5 结语

随着使用年限的增长，大冲南桥桥梁病害日渐增多，对其承载能力和耐久性产生不利影响。随着桂和路交通量日益增大，大冲南桥所承受的车辆荷载作用逐渐增加，对桥梁养护管理工作带来更大挑战。根据大冲南桥该次养护管理加固模式，可以探讨出关于预应力混凝土大空心板上部结构的桥梁后期养护管理模式，为桥梁养护管理部门积累更丰富的养护管理经验。