危旧桥梁改造工程下部结构利用设计要点及关键技术研究

李强兴

摘要 桥梁改造工程中尽可能地利用原桥构件，可以有效压缩改造工期，减少资金投入，文章结合工程实例，总结了危旧桥梁改造设计过程中的注意要点，结合有限元计算，利用高阻尼支座、粘钢加固等措施，使原桥下部结构盖梁、墩柱和桩基满足现行设计规范要求，针对危旧桥梁改造设计时，下部结构新建或加固受限制的桥梁提出一些设计思路和解决方案，以期为危旧桥梁改造工程提供一些借鉴。

关键词 危桥改造；下部结构；桩基承载力；维修加固

中图分类号 U445.6文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0089-03

0 引言

随着我国社会经济和城市建设的快速发展，既有道路桥梁逐渐成为人们从事生产生活的必经之路，保证其安全运营至关重要。部分桥梁建设年代久远，桥梁上部结构由于受到荷载、腐蚀等作用，性能衰减速度较快，急需进行加固改造。危旧桥梁改造工程对交通和环境的影响随之而来，部分桥梁下部结构受地形条件、建设环境和交通条件等因素限制而无法拆除新建。研究如何经济、高效、合理地利用下部结构，加快桥梁建设速度，降低工程总造价，最大限度地减少对既有交通的不利影响[1]迫在眉睫。

1 工程概况

甘肃境内某桥始建于1995年，桥梁上部结构为5×

20 m钢筋混凝土T梁，下部结构为柱式墩、肋板台，桩基础，横断面由7片T梁构成，T梁中心间距1.6 m，梁高1.3 m，顺桥向设置5道横隔板，原T梁材质为25号钢筋混凝土；下部结构采用20号混凝土柱式墩、桩基础，桥台为25号钢筋混凝土框架台、20号混凝土桩基础。桥梁设计荷载为汽-20，挂-100，桥宽组合为2×1.25 m

（人行道+护栏）+9.0 m，桥梁全长104.04 m，桥型布置如图1所示。

桥梁经多年运营，上部结构T梁出现竖向和斜向超限裂缝，2022年经技术状况评定该桥上部结构评定为4类，建议对该桥进行改造。

2 桥梁总体方案的确定

经征询环保部门意见，该桥位于一级水源保护地，河道内不允许开挖或钻孔施作新基础；经征询交通部门意见，该桥位于进出城枢纽要道，长期中断交通影响较大，故该桥采用下部结构利用。

综合考虑桥址区施工、交通、环境特点，上部结构选型须考虑自重较轻，易装配安装，且下部结构承载力能满足的结构。通过对装配式小箱梁、钢混组合梁和UHPC结合桥面板组合梁等各种上部结构进行技术和经济对比，上部结构采用基桩富余度较大、自重较轻、易于装配安装、对环境影响小的UHPC结合桥面板组合梁。

3 下部结构利用要点及关键技术研究

下部结构利用的构件包括盖梁、墩柱和桩基，桥梁位于高震区，地震动峰值加速度：0.3 g，原桥始建于1995年，采用《公路桥梁抗震设计规范》（JTJ 004—89）规范，桥梁建成后，经过2008年发布的《公路桥梁抗震细则》和2020年发布《公路桥梁抗震设计规范》的演变，原桥下部结构已不能满足现行抗震规范要求。故在桩基竖向承载力满足规范要求的前提下，还需考虑墩柱及桩基在地震作用下是否满足承载力要求。

3.1 盖梁加固要点及关键技术

盖梁作为下部结构主要部件，承担着传递和分配上部结构荷载的作用，下部结构利用时须按现行规范要求对其承载能力进行验算，如不满足承载能力需求，须考虑采用加固或更换措施。

该桥盖梁计算结果显示（如表1～2所示），盖梁正弯矩区抗弯承载力富余度不高，负弯矩区不满足要求，盖梁抗剪承载力不满足要求。故须考虑提高盖梁抗弯和抗剪承载力，常见的措施有增大截面法、粘钢法和更换，增大截面法和更换需考虑拆除、植筋、钢筋绑扎、支模、浇筑和养生等工序，对于上部结构更换的桥梁，混凝土工程直接影响工程进度，故采用粘钢法（如图2所示）以缩短工期，通过在盖梁底部和侧面粘贴钢带以提高盖梁的抗弯和抗剪承载力。

盖梁正弯矩区加固可在盖梁底部粘贴钢带，负弯矩区加固时需考虑支座垫石、防震挡块布置等因素；盖梁抗剪加固主要是提高其配箍率，设计时应使钢板形成U形环箍，粘钢加固后，承载力均满足承载力要求（如表1～2所示）。

3.2 墩柱及桩基设计要点及关键技术

原桥桥墩和桩基按照早期的抗震规范标准进行设计显然已不能满足当前的抗震要求，根据桥址区地震参数及桥梁基本信息，桥梁设防类别为B类，按照现行《公路桥梁抗震设计规范》要求，桥梁在E1地震作用下一般不受损或不需修复可继续使用，在E2地震作用下应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可维持应急交通使用[2]。

按照规范要求，该桥为规则桥梁，采用反应谱法进行抗震验算[2]，采用承载能力极限状态下的偶然组合：恒载+地震作用，作用均采用标准值。

地震力作用下，墩柱及桩基为偏心受压构件，是由轴心压力和弯矩共同作用的构件，原桥下部结构利用，故其截面尺寸和配筋是固定值，当轴心压力的偏心距不同时，截面破坏时会对应不同的轴压力和弯矩，根据偏心距的不同，可得到正截面承载力与相应弯矩之间的曲线[3]，利用Midas Civil软件中任意截面生成器功能，可根据原桥桥墩和桩基截面特性及配筋情况生成不同荷载组合工况下的P-M（轴力-弯矩）曲线，如图3～4所示。

通过计算地震力作用下顺桥向和横桥向墩顶截面、墩底截面及桩基最不利截面的轴力（P）和弯矩（M），保持M/P为常量，通过与P-M曲线对应结果比较，可得到构件内力/极限承载力比值，如果比值大于1，则承载力不足，如果比值小于1，则满足承载力需求。

（1）桥梁采用常规设计的普通板式橡胶支座，对桥墩和桩基不做任何加固处理，根据地震力作用下顺桥向和横桥向各控制截面的轴力和弯矩，结合P-M曲线[4]，得出计算结果如表3所示，计算结果显示：构件内力/极限承载力比值均大于1，不满足抗震需求。

（2）由于该桥位于水源保护地，下部结构不能拆除新建，河道不允许开挖，故考虑采用减隔震设计，桥台采用水平力分散型橡胶支座，桥墩采用高阻尼隔震橡胶支座以延长自振周期和增大阻尼以达到消耗地震能量和降低结构地震响应的目的[5]，按照上述相同计算方法，计算结果如表4所示，计算结果显示：桩基截面顺桥向构件内力/极限承载力比值均小于1，满足抗震需求。

顺桥向地震作用下，高阻尼橡胶支座水平剪切位移为68.5 mm＜175 mm（允许值），满足验算要求。

横桥向地震作用下，高阻尼橡胶支座水平剪切位移为75 mm＜175 mm（允许值），满足验算要求。

（3）经以上计算分析，桥梁采用减隔震措施达到了抗震要求，但设计时应注意考虑其他抗震构造措施，在桥墩、桥台横向设置限位挡块并在挡块与主梁间设置橡胶缓冲块，按照支座变形位移预留足够变形间隙。

（4）设计时应复核上部结构梁端与墩、台帽或盖梁边缘的搭接长度，确保搭接长度满足规范要求。根据计算结果，该桥桥墩盖梁宽度不满足要求，可采用增大截面法或型钢加宽的方法，由于该桥桥墩盖梁考虑采用粘钢加固，综合考虑，采用型钢加宽的方法满足搭接长度要求。

4 结语

下部结构利用的桥梁应充分考虑上部结构选型，下部结构各部件承载力，减隔震支座的应用能很好地实现减震作用，在一定条件下可弥补旧桥设计缺陷；粘钢加固改造不仅能实现提高承载力的需求，还能满足构造需求。公路危旧桥梁改造工程经常面临受地形条件、建设环境和交通条件等因素限制而无法拆除新建的情况，要充分发掘下部结构可利用条件，达到节约资金、减少工期、快速保通的目的。

参考文献

[1]项贻强， 郭树海， 陈政阳， 等. 快速施工桥梁技术及其研究[J]. 中国市政工程， 2005（4）： 28-32.

[2]公路桥梁抗震设计规范： JTG/T 2231-01—2020[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2020.

[3]叶见曙， 李国平. 结构设计原理（第4版）[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

[4]葛俊颖. 桥梁工程软件Midas Civil使用指南[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2013.

[5]公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座： JT/T 842—2012[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2012.