對于牛腿搭接結構連續(xù)梁橋病害的整治技術研究

劉保文 ，王松 （中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230000）

1 研究背景

20世紀90年代牛腿作為一種梁式橋的梁部搭接結構在橋梁中得到了一定范圍的應用，尤其隨著城市交通的快速發(fā)展，城市立交及高架橋大量采用了連續(xù)梁，并在聯(lián)與聯(lián)之間采用牛腿搭接結構以隱蔽帽梁達到美觀效果，立面上看梁部結構自然流暢、無隔斷感，同時增加了橋下凈空。在設計上箱梁采用牛腿搭接,使得聯(lián)間橋墩尺寸和其它墩一致，墩身種類少,施工十分方便。這種形式橋梁結構造型簡潔、美觀,能夠避免在聯(lián)端處專門設置蓋梁或設置較大尺寸橋墩安裝雙排支座,節(jié)約工程造價，在當時經濟條件下牛腿搭接結構連續(xù)梁橋具有較好的經濟性和實用性。在城市互通式立交橋中牛腿搭接結構應用較為普遍,合肥市五里墩立交橋、鄭州嵩山路立交橋、貴陽市大營坡立交橋、廈門市仙岳路上跨金尚路立交橋、廈門集美大道互通立交橋、成都三環(huán)路武侯立交橋等上部結構均采用了牛腿搭接形式的連續(xù)梁。

但在施工上因各箱梁采用牛腿搭接,梁部需按照一定的順序施工，同時上牛腿承受較大集中力且牛腿高度小于梁高，因此對牛腿設計及混凝土局部承載力提出了更高的要求。

2 牛腿搭接結構連續(xù)梁橋工程病害

牛腿搭接結構橋梁經過10～20年的運營，總體上橋梁結構安全可控，未出現(xiàn)橋梁無法正常運營使用的案例出現(xiàn)，說明牛腿搭接類型橋梁具有其工程優(yōu)勢及合理性。但隨著橋梁運營時間不斷增加，牛腿及相關病害不斷涌現(xiàn)。國內部分牛腿搭接結構連續(xù)梁橋病害情況詳見表1。

部分牛腿搭接結構連續(xù)梁橋病害 表1

牛腿搭接結構橋梁病害的產生與多種因素相關：

①牛腿搭接部位一般采用橡膠支座，橡膠支座使用壽命期較短，在長期荷載、溫度等因素作用下易于損壞，破壞了支座固有的縱向彈性剪切變形功能，導致牛腿搭接處成為固定鉸支座，喪失了聯(lián)端處自由變形的設計初衷。

②由于牛腿搭接部位隱蔽、養(yǎng)護不能觸及觀察，牛腿處病害會隨著時間推移不斷積累，最終導致全橋出現(xiàn)相關病害。

③牛腿搭接構造為了滿足美觀需要，牛腿間縫隙較小，在施工及運營過程中的雜物、泥沙等填塞縫內，養(yǎng)護難以清理，導致牛腿搭接的兩聯(lián)橋之間直接相互作用，尤其在外界溫度升高情況下，梁體伸長，溫度力連續(xù)傳遞作用于橋墩，是導致牛腿搭接結構橋梁橋墩開裂、墩柱傾斜、梁體偏移的重要原因。

④牛腿作為梁式橋上部構造的一個重要結構,因設有傳力支座,牛腿處截面突變,集中荷載較大,因此牛腿受力較為復雜。而在牛腿的轉角處往往由于受拉產生裂縫，雖然可通過提高混凝土強度或加強配筋提高牛腿承載力，但效果較差，為橋梁結構埋下了安全隱患。

綜上分析，牛腿搭接結構連續(xù)梁橋易發(fā)生梁體偏移、墩柱開裂偏位、牛腿開裂滲水、伸縮縫失效等病害，該類病害的成因均與牛腿搭接結構弊端密不可分，多數(shù)橋梁病害均因長期運營之后牛腿搭接結構的失效引起，因此對該類橋梁病害整治應以牛腿病害的整治為核心。

3 牛腿搭接結構連續(xù)梁橋病害處理方法

牛腿搭接結構橋梁病害與牛腿具有緊密相關性，因此解決該橋病害的主要原則是對牛腿進行整治改造。國內大部分牛腿搭接結構橋梁的整治主要是對牛腿搭接的隱蔽空間進行清理，更換牛腿支座，使牛腿恢復正常工作狀態(tài)，與牛腿相關病害則是進行常規(guī)維修加固，但不能從根本上解決牛腿失效的病害來源，隨著時間推移，牛腿支座失效、伸縮縫堵塞的病害仍然會有可能再次出現(xiàn)。

從結構分析來看，要徹底根除牛腿搭接結構型式弊端應對牛腿本身進行改造，取消牛腿搭接結構，改造成聯(lián)端分離方式。該方案主要是對牛腿進行切除、橋墩加寬，改造為雙排支座，聯(lián)端相互分離，改變聯(lián)與聯(lián)之間相互關系。采用此改造方案費用較高，施工難度較大，但徹底根除了牛腿搭接結構形式的病害來源，對確保橋梁長期健康運營具有重要的作用。

4 工程實例分析

淮北東崗樓立交橋始建于上世紀90年代中期，位于老城區(qū)北部，連接高岳路、淮海路、東山路及古城路，是進城各條道路的交匯處，交通位置重要。東崗樓立交橋為行人、非機動車、機動車、鐵路3層苜蓿葉型立交，東西向全長800m，南北向全長680m。橋梁設計荷載采用《公路工程技術標準》（JTJ001-97）規(guī)范汽-20、掛 -100。

主線橋各聯(lián)之間及主線橋與匝道橋之間均采用牛腿搭接方式，牛腿搭接處上下牛腿之間設置板式橡膠支座。主線橋第一聯(lián)、第四聯(lián)梁端設置下牛腿，第二聯(lián)兩側梁端均設置上牛腿；第三聯(lián)在與第二聯(lián)連接處梁端設置下牛腿，在與第四聯(lián)相接處梁端設置上牛腿。匝道橋在與主線橋搭接處均設置上牛腿。

該橋運營14年后出現(xiàn)病害，通過對橋梁病害進行全面檢測發(fā)現(xiàn)，橋梁出現(xiàn)了梁體伸縮縫損壞失效、梁體及橋墩露筋銹蝕、橋墩柱底開裂、橋面鋪裝層破損等病害。

4.1 橋梁主要病害情況

4.1.1 牛腿及伸縮縫病害

牛腿搭接構造是東崗樓立交橋主線橋各聯(lián)之間、匝道與主線橋間聯(lián)端連接方式，牛腿搭接處設置共用橋墩。由于上下牛腿之間僅設置板式橡膠支座，而板式橡膠支座高度低，且牛腿處梁體兩側設有限位擋塊，日常養(yǎng)護難以觸及，伸縮縫處垃圾、泥沙等雜物容易堆積難以清理（見圖1）導致各聯(lián)之間相互間影響。

圖1 牛腿搭接結構

圖2 主線橋H17墩病害

4.1.2 橋墩病害

主線橋固定墩H5墩柱底存在明顯橫向裂縫，H6墩柱底存在表面混凝土剝落病害，H16墩柱底部表面出現(xiàn)露筋銹蝕、混凝土缺損等典型橋墩病害,H17墩柱底部出現(xiàn)混凝土壓碎等病害（見圖2）。

4.2 牛腿搭接結構改造

通過對淮北東崗樓立交橋牛腿搭接、墩柱等病害進行總結分析，牛腿搭接結構形式是造成橋梁病害的根本原因。由于牛腿搭接內部橡膠支座失效，橋梁伸縮縫損壞，當環(huán)境溫度上升，主線橋及匝道橋梁端受到約束、不能自由伸縮，導致各聯(lián)結構之間相互作用，環(huán)境升溫引起的溫度力傳遞于固定墩和橋臺上，固定墩墩底因承受較大彎矩導致開裂，橋臺因承受較大推力而出現(xiàn)墻體開裂、混凝土剝落等病害。因此該橋的維修整治核心即對牛腿搭接結構進行改造。

牛腿搭接結構分為上牛腿與下牛腿，為消除牛腿搭接結構型式的缺陷，改造內容主要為將牛腿搭接型式改為相互獨立的聯(lián)端雙排支座結構形式（見圖3）。

圖3 牛腿改造設計原則

4.2.1 牛腿改造施工

牛腿改造主要是將牛腿搭接結構改造為相互獨立的聯(lián)端體系，其中第二聯(lián)兩側均設置為上牛腿，第三聯(lián)僅在與第四聯(lián)相接處設置上牛腿，上牛腿改造主要是在下部結構已經施工完畢且混凝土強度達到設計要求的情況下進行割除施工。同時應在牛腿搭接處設置支架頂升梁體，使梁體重量由支架承擔。上牛腿采用22KW-200L電動繩鋸割除，繩鋸切割上牛腿施工見圖4。

圖4 繩鋸施工

主線橋下牛腿改造主要是將下牛腿上方進行鑿毛、植筋、綁扎鋼筋、澆筑C50自密實混凝土，將下牛腿補齊至原梁頂面高度，待混凝土強度達到設計強度后張拉橫向預應力。

4.2.2 橋墩改造施工

由于梁體上牛腿被割除，需在割除牛腿處設置新支點。因此對主線橋雙柱墩采用增大截面法進行加固改造。為實現(xiàn)牛腿割除后聯(lián)端設置雙排支座，在墩頂處縱橋向兩側各設置一個混凝土牛腿。在牛腿上設置鋼結構橫梁、支座實現(xiàn)對梁體的支撐。橋墩改造施工見圖5。

圖5 牛腿改造施工完成

橋墩截面增大通過在橋墩墩身鉆孔植筋、綁扎鋼筋網、澆筑自密實混凝土實現(xiàn)。橋墩植入環(huán)向鋼筋及承臺植入豎向鋼筋前須對原橋墩及承臺混凝土表面進行鑿毛，去除浮化層，在混凝土澆筑前涂刷界面劑。鑿毛、安裝鋼筋網及涂刷界面劑后，灌注C40自密實混凝土，并加強振搗。

4.3 改造效果

經過對牛腿搭接結構改造，解決了原有牛腿搭接型式的缺點，消除了橋梁各聯(lián)之間的相互影響的隱患，從根本上清除了病害根源，并且對墩臺進行了加固改造、重新鋪設橋面、安裝伸縮縫等措施，淮北東崗樓立交橋經維修加固后于2014年6月竣工通車，全橋加固改造完成投入運營五年來各項指標良好。

5 結論

通過分析牛腿搭接結構連續(xù)梁橋特點、病害和病害處理措施，以淮北東崗樓立交橋為工程實例進行了研究，對于牛腿搭接結構連續(xù)梁的病害應以牛腿改造為重點，提出了一種改變牛腿搭接結構形式的整治方法。通過切除牛腿、橋墩改造改變橋梁聯(lián)與聯(lián)之間搭接關系，徹底解決該種類型橋梁病害產生根源，長期來看具有一定的經濟性和合理性，對以后同類型橋梁的維修加固具有一定的參考和借鑒價值。