公路旧桥的改造技术

张明，王国保 （南京市市政设计研究院有限责任公司合肥分公司，安徽 合肥 230000）

1 合马路撮镇桥（多跨简支T梁）

1.1 老桥设计概况

合马路双幅式撮镇桥位于105 省道上。北半幅桥为3～16.8m 的简支T 梁，桥面全宽9m，净宽7.1m，桩柱式桥墩，建成日期不详。南半幅桥为合马路改建后加的，建于1991 年，5～16.8m 简支T梁，桥面全宽9m，净宽7m，桩柱式桥墩，扶壁式桥台，全长88.5m，设计荷载等级为汽-20级。

1.2 老桥现状

桥面出现大面积网状裂缝，破碎，最明显的是沿T 梁方向的纵向裂缝。由于主梁T 型梁的横向连接破坏殆尽，整个上部结构被分割成各自独立的多个单片梁，导致T 梁间不能整体受力，每片梁独自承担全部活载轴载，从而在荷载作用下，T 梁之间变形不协调一致，整个桥面挠度曲面出现错位、突变，必然引起振动、跳车现象。如不及时处理，严重影响该桥的正常使用，甚至导致结构的承载力不够而破坏。

1.3 老桥改造方案设计要点

通过对该桥的检查及分析计算，尚未发现任何墩台基础出现病害的迹象，且原设计荷载等级为汽-20，挂-100级，满足所在合马路的现行公路等级要求，所以此次改造加固主要针对上部结构，其中重点是加强横向联接，它是导致本桥出现病害的根本原因。

1.3.1T梁的加固

鉴于此桥在整体横向联接破坏后，又通车多日，活载横向分布消失，每片梁独自承担活载轴载作用力，即便原设计荷载汽-20，但在超重车的轮压及冲击力作用下，挠度变形仍较大，再参照老桥设计图纸，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行结构验算，发现主梁受拉区受力钢筋配置率偏小，承载能力安全系数储备不足；截面尺寸也偏小，抗弯刚度不够，变形较大，影响正常使用。针对以上缺陷，经综合考虑，选用在T 梁梁底粘贴钢板的方法加固主梁。粘贴钢板不仅可以增加T 梁受拉区受力主筋，提高承载能力，还可以增大T 梁的截面抗弯刚度，减小挠度变形，从而满足正常使用要求。

同时须注意，钢板粘贴必须和T 梁紧密结合，两者整体受力，才能有效地发挥钢板的作用。故粘贴钢板前，先将梁底混凝土浮皮清除、打磨平、涂上环氧树脂，再贴上钢板，最后锚喷水泥灰浆于钢板表面以防锈。

1.3.2横向联接的加固

该桥产生病害的主要原因就是T 梁间的横向联接破坏，故而是此次加固的重点所在。原设计横向联接包括T 梁的横隔梁钢板联接和翼缘板的企口铰联接，但是从现场检测来看，可能是施工原因，横隔梁间虽按设计设置了预埋钢板，却没有焊接盖接钢板，只用寥寥几根细钢筋联接；翼缘板联接更是薄弱，企口铰联接的细钢筋大部分断裂，混凝土全部脱落。最终导致整个上部结构被分割成沿梁板方向块状结构，彼此独立。

此次改造，横隔梁仍采用钢板式接头进行横向联接，充分利用原有的预埋钢板，补焊接上盖接钢板。另外，再额外加做横隔梁顶部的联接，采用环氧树脂胶粘贴钢板的方法，以加强横隔梁肋宽较薄（只有12cm）、联接薄弱的缺陷。

对于T 梁翼缘板的横向联接，拟订了两种设计方案：①钢板联接；②湿接。

通过比较，采用钢板联接，原构件没用预埋钢板，盖接钢板无法焊接，用胶粘贴或锚栓锚固，刚性性能都不理想。

选用方案②湿接，先凿除接缝两侧翼缘板端混凝土各30cm，保留钢筋，再绑扎湿接钢筋网和翼缘板钢筋成一整体，最后整体现浇混凝土。既消除了翼缘板的缺陷，又最大限度地加强了横向的刚性联接，从根本上消除了此桥存在的最大病害。

经综合考虑安全、适用、技术经济性，最后确定使用方案②湿接。

1.3.3桥面铺装

由于T 梁的横向联接破坏，桥面铺装层连同行车道板（翼缘板）被分割成纵向块状结构，在重车冲击碾压下，主梁发生较大的挠度变形，再加上铺装层和行车道板结合不好，不能整体受力，铺装层如同作用在弹性垫层上，故发生了大面积混凝土开裂、破碎、甚至脱落，局部出现坑槽。

从养护部门获悉，此桥面铺装修补多次，采用的普通钢筋混凝土铺装层，均不能长期有效地改善桥面状况。针对普通钢筋混凝土的不足，结合考虑此桥较薄弱的横向联接，选择采用了钢纤维混凝土桥面铺装，其高强的抗冲击、抗裂性能和抗压、抗折强度不仅满足高等级的行车要求，又一次加强了横向刚度。

其他桥面设施如伸缩缝、泄水管等按新的规范要求修复完善。

1.4 改造效果评价

从改造后使用效果来看，快速行车已没有振动、跳车现象，经静载实验检测和理论计算，主梁的挠度变形和承载能力均能满足要求，证明此次改造方案设计是行之有效的，外加施工期限也很短，经费较少。开放通车至今，跟踪观测未发现新老病害，从而取得了显著的社会效果和经济效益。

2 合安路上派河大桥（预应力混凝土桁架单悬臂梁）

2.1 老桥设计概况

合安路上派河大桥位于206 国道合肥至安庆公路上，跨越派河新改河道，是一座两端采用预应力混凝土桁架单悬臂梁、中孔采用简支挂梁组合而成的三跨桁架单悬臂梁桥。

本桥采用上、下行分离式双幅桥，单幅桥行车道净宽7.50m，外边侧设置1.50m 宽的人行道，双幅桥之间设置2.50m 宽的分离带。桥上部为预应力混凝土单悬臂梁，人字型桁架在中墩处各悬出30m，一端固定在岸墩拉压支座上，自由端设挂孔，组成30+70+30m 的桥跨，桥下部为重力式桥台、岸墩及桩柱式中墩，桥全长2x139.75m。设计荷载为汽-20，验算荷载挂-100。

2.2 大桥的病害检查情况

2.2.1 挂孔大幅振动及桥面铺装、伸缩缝的破坏

此大桥最明显病害的外部表现就是挂孔行车振动现象突出，挂孔桥面和悬臂端桥面振动错位达2cm 多，严重影响到该桥的正常使用。桥面铺装在多处出现明显纵横向裂缝；在伸缩缝处网状开裂，局部甚至出现混凝土剥落，导致伸缩缝脱落而失去作用。

2.2.2牛腿裂缝

挂孔承重结构是由6 根纵梁通过4根横梁横向联结而成的梁格系结构，其中挂孔两边侧纵梁为预应力主纵梁，通过其端部设置的牛腿，使挂孔挂在悬臂梁对应主纵梁的牛腿上。现场观察，发现牛腿部位出现局部裂缝，挂孔梁牛腿内角点衍射的裂缝与水平方向约45°夹角，尤为明显；悬臂梁牛腿无明显缝隙，只支座处混凝土表面有龟裂状裂纹。可能因牛腿钢筋配置较密，不便于混凝土浇筑捣实，混凝土表面气泡较多，麻面明显。

2.2.3桁架拉杆及其它裂缝

本桥悬臂梁体系是由桁架杆系和连续梁体系组合而成的，其中桁架杆系又由上弦杆、腹杆、下弦杆组成，连续梁由两根主纵梁、四根小纵梁和若干横梁组成的梁格系，下弦杆即连续梁的主纵梁。通过现场观测，发现部分桁架拉杆出现纵向或横向裂缝，左半幅桁架上弦杆尤为明显；连续梁在横梁处桥面上（即负弯矩区）出现规则的横向裂缝；另外，挂孔主纵梁（T 梁）局部也出现从腹板向上下延伸的竖向裂缝。

2.3 老桥改造方案设计

此桥原设计荷载等级为汽-20、挂-100 级。部分预应力混凝土构件出现裂缝，经计算，并非全部都是由荷载效应产生的，初步认定为结构约束变形及混凝土收缩等引起的变形裂缝，对结构的承载力强度不会产生太大影响。而此桥最主要病害为牛腿的缺陷引起整个挂孔的桥面严重破损、行车大幅振动，从而影响该桥的正常使用要求。故此次改造的重点、难点即为牛腿的改造加固及挂孔各组成部分的修复。

2.3.1挂孔桥面铺装、伸缩缝的修复

由于挂孔行车振动较大，在重车轮压和冲击作用下，桥面出现大面积龟裂状缝隙；在伸缩缝处，振动错位最大，受汽车冲击作用也最大，因而此处桥面铺装混凝土破裂最严重，局部混凝土完全脱落，导致伸缩缝失稳，失去作用。

针对原有桥面铺装的不足，现采用C40 高强钢纤维混凝土桥面铺装，钢筋网用预制焊接的D8高强钢筋网片，不设防水层，再在施工时做好控制，使新浇铺装层混凝土和主梁板联结成一整体、共同受力，加上铺装层混凝土自身的高强抗折、抗裂性，从而大大改善了其使用性能。原有伸缩缝已脱落损坏，新铺桥面铺装时，结合考虑伸缩缝的更换，采用高强的异型钢梁仿毛勒伸缩缝。

2.3.2牛腿的改造

本桥为两端采用单悬臂梁，中孔采用简支挂梁组合而成的三跨悬臂梁桥。此种体系挂孔易形成牛腿处伸缩缝行车不平顺、跳车现象，加上本桥牛腿油毛毡支座老化失效，造成挂孔梁牛腿直接刚性搭挂在悬臂梁牛腿上，加剧了挂孔的振动。在汽车轮压的冲击作用下，可使垂直荷载实际增加很多，造成牛腿混凝土内部微裂缝不断发展，形成荷载效应裂缝。

牛腿截面开裂后，刚度减小，变形加大，反过来又加剧了伸缩缝的不平顺，进而又增加了挂孔的行车振动，加剧了牛腿的受力开裂，如此长期反复恶性循环，最终会引起牛腿严重开裂而受力破坏。所以此次改造的核心问题就是牛腿的改造加固。对此，我们提出两种改造方案：方案①凿除原牛腿混凝土，重新浇筑高强牛腿混凝土；方案②将牛腿改造成端横梁的形式来传递挂孔梁的支点反力。

方案①改造工程量较小，维持原挂梁通过两个支点牛腿挂在悬臂梁上，受力明确，但原牛腿为预应力混凝土结构，凿除重新浇筑牛腿混凝土，预应力筋束需先松弛再张拉，施工难度太大。

方案②把牛腿改造成端横梁的形式，虽然工程量较大，但把原两个集中受力的支点牛腿，改成均布受力的支点形式，大大分散原受损牛腿的负荷。另外，悬臂端横梁原设计即为主梁受力结构，可以作为现成的端横梁牛腿使用，此次改造只需将挂孔端横隔板改造成端横梁牛腿，和方案①相比，总的技术、经济指标反而较好，故选用方案②改造原牛腿为端横梁牛腿作为最终的设计方案。

选用方案②改造老桥牛腿，同时应注意修补老牛腿的缺陷，用环氧树脂浆灌缝，防止缝隙使钢筋裸露而生锈；粘贴钢板于牛腿表面裂缝处，以加强因开裂而降低的牛腿不利截面的抗拉强度（偏心受拉）。

此方案的不足之处为改造后的牛腿作为连续梁结构，其传递力不明确。为保证牛腿的均布受力，防止部分支点受力集中，又造成挂孔行车振动过大，施工时应确保端横梁牛腿的平整性，牛腿之间的传力面上横向等间距设置高强、高韧性的板式橡胶支座。

经过上述一系列的改造措施，牛腿的受力情况得到大大改善，通过后来的通车使用情况，也证明了其良好的使用性能。

2.3.3裂缝的修复

通过现场观测和受力计算，桁架拉杆和挂孔主纵梁腹板裂缝可能为温度变化和混凝土收缩变形等引起的约束变形裂缝，结构的承载力仍满足要求，故只对裂缝用环氧树脂作封缝处理，减小裂缝对构件的进一步影响。

2.3.4改造效果评价

本桥按照上述措施改造过后，完全消除影响正常使用的跳车、振动现象。另外，为进一步改善交通安全，增设了交通安全设施和交通管理设施，如标志、标牌，半幅桥间的隔离栅，桥面和两端路面过渡的标线、分隔岛等以引导车流，使该桥的通行更加顺畅、舒适，总体社会、经济效益更加突出。

以上为针对不同桥型、不同结构构件和不同破坏程度所作的不尽相同的改造设计方案，但总的设计原则不变，即以结构的承载能力和正常使用为设计原则，以技术、经济指标为指导思想不变。

3 总结

针对上述二座桥的共同点即桥面铺装的过早、过快的开裂甚至混凝土破碎脱落的现象，提出两点感性认识，待进一步理论研究及实践证实。

①桥面铺装需是一层高强、耐剪切的结构层，防止车辆轮胎或履带直接磨耗桥跨结构，保护其免受雨水浸蚀，并对车辆轮重的集中荷载起分散作用，一般不作受力计算。

现改进桥面铺装不仅要有上述功能，更要务必强调其和桥跨结构的整体性和共同受力性以及自身的高强、抗折、耐磨性。

桥面铺装铺装厚度较薄一般只有8～12cm，一旦其铺装层和行车道板不能紧密联结成一整体，铺装层很容易形成一单独受力结构层，受力形式复杂且多变，变形就不协调，就会可能成为变相的弯拉结构，在汽车轮压及冲击作用下，很容易造成受拉、剪切开裂。破坏时间远远早于当初设计的使用年限，造成桥面振动、跳车现象，影响整个桥梁的正常使用。

只有二者紧密结合成一整体，共同受力，铺装层才不会成为单独的受力结构，只作为一受压传力构件，传递和分散汽车轴载传来的集中力，而这恰恰是铺装层混凝土理想的受力状态，充分发挥其高强的抗压强度，从而真正起到传力层、磨耗层、保护层等种种作用。

在实际应用中，可以通过尽可能增加铺装层钢筋和行车道板钢筋的联接来加强二者整体联结性，使铺装层成为行车道板的一部分。同时，桥面铺装自身强度也待进一步提高，可采用C40 及以上的高强混凝土；钢筋采用厂家预制生产的钢筋网片（D8、E8 带肋钢筋等），其规则的网格片状焊接，不仅强度高，形状规则，分散应力均匀，且施工简便。

②桥面防水层一般设置在行车道铺装层下边，将透过铺装层渗下的雨水汇集到排水设备（泄水管）排出。

现在常用的为贴式防水层，采用特殊的耐热、耐蚀、抗渗、抗老化材料，设置在铺装层和行车道板之间。虽有防水作用，但却把行车道和铺装层分开，和上述的桥面铺装改进措施恰恰相反，使铺装层似有弹性垫层，在车轮外荷载作用下，很容易起壳开裂。

一旦铺装层开裂，防水层本身很薄，材料再怎样高强、抗裂，也会随着铺装层裂缝的延伸而裂开，不仅起不到防水作用，反而加快桥面铺装的开裂破坏。所以结合桥面铺装，不额外设防水层，加强铺装层和行车道板的整体联结，使铺装层正常使用、不开裂，只要铺装层使用防水混凝土，防雨水下渗，同样能起到防水作用，且效果会更好。