钢混叠合连续梁桥提载与抗震加固技术研究

张雨田

（武汉二航路桥特种工程有限责任公司，武汉 430071）

1 工程概况

哥斯达黎加32 号公路Rio Chirripo 大桥建于19 世纪70年代，桥梁总长430.9 m，跨径布置为15.86 m+59.39 m+67 m+2×73.2 m+67 m+59.39 m+15.86 m。桥宽10.32 m，设双向2车道和人行道。上部结构为4 片间距2.5 m 的I 形钢梁与厚187 mm 的钢筋混凝土桥面板组成的叠合梁。下部结构为钢筋混凝土板式桥墩、轻型桥台、H 型钢桩基础。原设计活荷载等级为HS20-44，未考虑地震荷载。

检测显示，该桥第8 跨在1991 年利蒙大地震期间落梁，被回填为道路，以维持桥梁运营。此外，桥梁存在桥面板开裂、钢梁横向移位、斜撑变形、摇轴支座倾斜、钢结构腐蚀、盖梁破损开裂等病害。

32 号公路修复与扩建项目要求对该桥进行提载和抗震加固，将活荷载等级提高到HL-93（活载提高约25%），桥面由双向2 车道通行改为单向2 车道通行，改造后仅在一侧设人行道，桥面总宽调整为10.6 m，恢复原设计桥长，并在桥面设沥青混凝土桥面铺装。

根据上述要求，除检测报告所述外观病害外，旧桥还存在桥面板厚度不足（规范要求203 mm）、主梁承载能力不足、盖梁承载能力不足、抗震性能不满足规范要求等问题，需通过研究加以解决。

2 桥梁提载加固方案

2.1 常规病害整治

钢梁在地震作用下发生瞬时位移，地震后受摇轴支座约束不能恢复，在继续运营近30 年后，一部分位移已形成永久塑性变形，不能恢复。加固时，可采用千斤顶在墩顶对主梁进行横向顶推纠偏，纠正弹性范围内的位移。

研究发现，垮塌的边跨桥台处，地基土存在轻微液化现象，原设计H 型钢桩埋深约16 m，地震时桥台基础下沉，在水平撞击力作用下台身破坏并发生水平位移，导致边跨落梁。恢复边跨时仍采用相同的跨径，为避免地基液化的影响，采用钻孔灌注桩，桩长穿透液化层，上部结构采用新钢梁予以恢复。

钢结构表面应重做长效型防腐涂装。对其他病害应按规定工艺进行处置。

2.2 桥面板加固

该桥桥面板纵、横向裂缝病害严重，现状桥面板厚度不满足规范JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》关于设置防撞护栏的悬臂板最小厚度要求（203 mm），且现状1.17%的横坡不满足项目约2%横坡的技术要求，综合考虑后决定将桥面板拆除重建为厚220 mm 的钢筋混凝土桥面板。为避免增加过多恒载，桥面板仍采用双向横坡，仅根据新车道布置调整路拱中心位置。

2.3 连续跨钢主梁加固

该桥上部结构原设计承载能力富余量极低，现状上部结构不能满足提载至HL-93 的要求。新桥面板加宽、加厚及桥面加铺沥青混凝土导致桥面系恒载增加49.0%，上部结构总恒载增加29.9%，在此基础上活载增加约25%。针对连续梁提出了原梁顶增高截面、原梁底增高截面、跨中增设桥墩、新加钢主梁几种方案。

原梁顶增高截面方案，是在原钢梁顶面用胶栓连接将一个新的工字形截面固定在梁顶，以增加钢梁高度，再重做剪力键和桥面板。原钢梁腹板在跨中和中间支点处高度分别为2 286 mm 和2 896 mm，由于原钢梁应力是多次叠加而来，经计算，新钢梁加高500 mm 时，对原钢梁应力的改善效果不明显，继续增加梁高意义不大，而桥头引道改造的工程量显著增加。

原梁底增高截面方案与梁顶增高截面方案的思路与流程基本相同，计算显示，梁底增高截面对原钢梁正弯矩区应力改善效果较梁顶增高截面好，对原梁负弯矩区应力改善的效果较梁顶增高截面的差。而梁底作业难度更大。

跨中增设桥墩方案将原梁正弯矩区改为负弯矩区，能有效降低钢梁正负弯矩及剪力峰值，但新增下部结构工程量较大，新增下部结构对桥址处水文计算造成不利影响，且考虑到新增桥墩受载后易发生基础沉降，难以确保新增桥墩按设计要求参与承受上部荷载。

新增钢主梁方案是在原有4 片钢梁的基础上，再增加2片与原钢梁截面尺寸一致的新钢梁，并重做横向联系。6 片钢梁横桥向间距为1.25 m、1.25 m、2.5 m、1.25 m、1.25 m。为避免负弯矩区桥面板在运营阶段开裂，采用钢梁与桥面板在正弯矩区叠合、负弯矩区不叠合的方案，为此，在中间墩顶及其两侧16～20 m 处各设一道2 cm 宽的橡胶条伸缩缝，在此范围内钢梁顶面不设剪力键。该方案主梁承载力提高约50%，与上部结构恒载、活载效应增量和相当，加固前后钢梁使用阶段应力变化不大。

经技术、造价、工期等各方面比选后，最终选择了新增钢主梁方案作为该桥上部结构加固方案。简支跨钢梁无须加固即可满足规范要求。

2.4 下部结构加固

下部结构加固应结合抗震综合考虑。圆端形板式桥墩横桥向尺寸4 m，纵向尺寸有1.2 m 和1.5 m 两种，盖梁横向两侧各有2.45 m 长悬臂，因上部结构恒、活载增加，并考虑竖向地震力作用，盖梁抗弯承载力仅有荷载效应的70%。综合考虑支座更换导致的墩顶标高变化，在盖梁顶面增厚截面23 cm 或24 cm，在盖梁前后两面各增厚20 cm。盖梁加固在桥面系拆除后进行。

3 桥梁抗震加固方案

3.1 抗震模式选择

该桥原设计未考虑地震荷载，墩、台、基础配筋率均较低，墩身（不含盖梁）高9.4～10 m，在泥面以下埋深约4 m。按刚性抗震进行计算时，各桥墩承载力不满足要求，需增大截面加固。桥梁跨越Chirripo 河，河槽平坦、水面宽广、流量大、存在暴涨暴落现象，河床遍布卵石、块石，墩身在泥面下埋深较大，开挖困难。从经济、安全、工期等角度分析，排除了刚性抗震方案。

连续梁采用减隔震方案时，分别按高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、双曲面摩擦摆支座进行了支座选型与试算。结果显示，常规尺寸的高阻尼橡胶支座、摩擦摆支座无法满足该桥抗震需求。用摩擦摆支座做详细分析，设定支座主要技术参数如下：等效曲面半径2.51 m，摩擦系数0.06，极限位移380 mm。得最大位移量234.1 mm，满足要求。

简支钢梁采用高50 mm 的普通板式橡胶支座，经计算可满足抗震需求。

3.2 抗震构造措施

原桥在桥台处设6 c m 伸缩缝、在1 号、7 号桥墩处设12 cm 伸缩缝，钢梁端头间距14 cm。根据抗震计算结果，1 号、7 号墩处钢梁间隙不能满足地震作用下的位移需求，采取措施在1 号、7 号墩顶布置伸缩量大于234.4 mm 的伸缩缝既不经济又难以实施。最终采取将简支梁纵向平移2 cm，在两桥台处设4 cm 伸缩缝，在连续梁端部设置伸缩量16 cm 的伸缩缝的方案，该方案在设计地震作用下，伸缩缝将被破坏，更换伸缩缝后桥梁可继续正常使用。

在每一个墩台处，均对钢梁增设了横向防落梁挡块，横向防落梁挡块采用钢牛腿的形式，通过植入锚栓固定在墩台盖梁顶面，作为支座破坏后的保护措施，不考虑挡块向下部结构传递水平荷载。一联主梁在每个桥墩处仅设置两个横向防落梁挡块。简支梁两端增设了纵向防落梁挡块，挡块焊接在钢梁底面。

4 桥梁加固施工

4.1 工艺流程

Rio Chirripo 大桥加固施工在其上游新桥建成通车后进行。

主要工艺流程如下：施工准备—新钢梁分段加工、新支座等加工—旧钢梁防腐涂装—防撞护栏、人行道切割拆除—左、右两侧各1/3 桥面板拆除—钢梁顶推复位—边梁临时固结及原横向联系解除—新增钢梁分段安装—中间1/3 桥面板拆除—临时固结措施拆除—新横向联系安装—支座更换—盖梁加固—新桥面板及桥面附属设施安装。

4.2 施工关键技术

4.2.1 钢梁加工

钢结构制作和安装精度要求高，新增钢结构及连接板制造安排在专业钢结构加工厂内进行。应注意以下要点：（1）采取预补偿量的零件下料工艺措施；（2）孔群的制造采用模板钻孔工艺；（3）大纵梁、小纵梁、梁加强构件在工厂专用生产线上生产；（4）钢主梁的下料与加工应考虑施工预拱度；（5）钢结构的焊接应通过药芯焊丝二氧化碳气体保护进行自主焊接。

4.2.2 钢梁安装

钢梁安装过程是该桥加固过程中风险最高的阶段，如何控制施工过程中新旧结构稳定，以及确保新结构安装线形与安装进度是项目重难点。做好钢梁安装，应注意以下要点：（1）钢梁安装应从墩顶向两端逐段对称进行，在墩顶做好临时固结，在悬臂段用临时钢支撑做好横向和竖向限位措施；（2）钢梁在自重及二期恒载作用下弹性变形大，拼装过程应做好施工监控，严格按照设计预拱度进行节段定位拼装，发现偏差及时纠正；（3）为确保横向初始应力为零，应在全部钢梁安装完成且桥面板全部拆除后再开始横向联系安装。

4.2.3 支座更换

对于多跨连续结构进行同步顶升，控制各顶升点的同步性是施工难点，各顶升点位差异太大容易造成梁体本身或者横向联系的损伤。由于同步顶升涉及多个千斤顶的同步控制，对设备、操作人员的技术要求均较高。根据本桥施工实际，总结更换减隔震支座技术要点如下：（1）安设千斤顶和临时支撑时，应清理盖梁顶面废弃物，并对布设千斤顶和临时支护处进行找平修补，确保千斤顶安装水平；（2）千斤顶安装完成后，必须进行试顶，试顶的关键目的是排除支护自身的弹性变形，试顶升无异常后进行整体顶升；梁体顶升施工中，严格控制同一墩上各梁的高差在±0.5 mm 以内，整体顶升高度控制在5 mm，待钢梁和支座脱离即可；（3）梁体顶起到位后，落梁于临时支撑上，拆除旧支座；（4）严格按设计要求安装新支座，注意安装位置精确[1]。

5 结语

旧桥加固是一项边界复杂、技术难度大、施工风险高的工程，同时对桥梁进行提载和抗震加固的工程案例极少。I 形截面钢混叠合连续梁桥更是因其特殊的结构形式和受力特点，无法像常规桥梁一样采取增大截面、增设预应力等加固方式，导致连续梁负弯矩区混凝土开裂问题是这类桥梁的通病，一直未能很好解决。

哥斯达黎加32 号公路Rio Chirripo 大桥加固项目充分汲取了原结构设计的优秀理念，采取新增钢梁的上部结构提载加固方案，在连续梁墩顶及两侧设伸缩缝按非叠合梁设计，避免墩顶负弯矩区混凝土开裂问题。采用双曲面摩擦摆支座进行减隔震设计，避免下部结构改造。考虑伸缩缝为地震中可破坏构件，避免因伸缩缝宽度不足而挪动主梁。该方案安全、环保、经济、高效，是一种有效的桥梁提载、抗震加固方法，具有重要的借鉴意义。