危舊橋梁改造工程下部結(jié)構(gòu)利用設(shè)計(jì)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究

李強(qiáng)興

摘要 橋梁改造工程中盡可能地利用原橋構(gòu)件，可以有效壓縮改造工期，減少資金投入，文章結(jié)合工程實(shí)例，總結(jié)了危舊橋梁改造設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意要點(diǎn)，結(jié)合有限元計(jì)算，利用高阻尼支座、粘鋼加固等措施，使原橋下部結(jié)構(gòu)蓋梁、墩柱和樁基滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求，針對(duì)危舊橋梁改造設(shè)計(jì)時(shí)，下部結(jié)構(gòu)新建或加固受限制的橋梁提出一些設(shè)計(jì)思路和解決方案，以期為危舊橋梁改造工程提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞 危橋改造；下部結(jié)構(gòu)；樁基承載力；維修加固

中圖分類號(hào) U445.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）08-0089-03

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，既有道路橋梁逐漸成為人們從事生產(chǎn)生活的必經(jīng)之路，保證其安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。部分橋梁建設(shè)年代久遠(yuǎn)，橋梁上部結(jié)構(gòu)由于受到荷載、腐蝕等作用，性能衰減速度較快，急需進(jìn)行加固改造。危舊橋梁改造工程對(duì)交通和環(huán)境的影響隨之而來(lái)，部分橋梁下部結(jié)構(gòu)受地形條件、建設(shè)環(huán)境和交通條件等因素限制而無(wú)法拆除新建。研究如何經(jīng)濟(jì)、高效、合理地利用下部結(jié)構(gòu)，加快橋梁建設(shè)速度，降低工程總造價(jià)，最大限度地減少對(duì)既有交通的不利影響[1]迫在眉睫。

1 工程概況

甘肅境內(nèi)某橋始建于1995年，橋梁上部結(jié)構(gòu)為5×

20 m鋼筋混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、肋板臺(tái)，樁基礎(chǔ)，橫斷面由7片T梁構(gòu)成，T梁中心間距1.6 m，梁高1.3 m，順橋向設(shè)置5道橫隔板，原T梁材質(zhì)為25號(hào)鋼筋混凝土；下部結(jié)構(gòu)采用20號(hào)混凝土柱式墩、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)為25號(hào)鋼筋混凝土框架臺(tái)、20號(hào)混凝土樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛-100，橋?qū)捊M合為2×1.25 m

（人行道+護(hù)欄）+9.0 m，橋梁全長(zhǎng)104.04 m，橋型布置如圖1所示。

橋梁經(jīng)多年運(yùn)營(yíng)，上部結(jié)構(gòu)T梁出現(xiàn)豎向和斜向超限裂縫，2022年經(jīng)技術(shù)狀況評(píng)定該橋上部結(jié)構(gòu)評(píng)定為4類，建議對(duì)該橋進(jìn)行改造。

2 橋梁總體方案的確定

經(jīng)征詢環(huán)保部門意見，該橋位于一級(jí)水源保護(hù)地，河道內(nèi)不允許開挖或鉆孔施作新基礎(chǔ)；經(jīng)征詢交通部門意見，該橋位于進(jìn)出城樞紐要道，長(zhǎng)期中斷交通影響較大，故該橋采用下部結(jié)構(gòu)利用。

綜合考慮橋址區(qū)施工、交通、環(huán)境特點(diǎn)，上部結(jié)構(gòu)選型須考慮自重較輕，易裝配安裝，且下部結(jié)構(gòu)承載力能滿足的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)裝配式小箱梁、鋼混組合梁和UHPC結(jié)合橋面板組合梁等各種上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對(duì)比，上部結(jié)構(gòu)采用基樁富余度較大、自重較輕、易于裝配安裝、對(duì)環(huán)境影響小的UHPC結(jié)合橋面板組合梁。

3 下部結(jié)構(gòu)利用要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究

下部結(jié)構(gòu)利用的構(gòu)件包括蓋梁、墩柱和樁基，橋梁位于高震區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度：0.3 g，原橋始建于1995年，采用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 004—89）規(guī)范，橋梁建成后，經(jīng)過(guò)2008年發(fā)布的《公路橋梁抗震細(xì)則》和2020年發(fā)布《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的演變，原橋下部結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求。故在樁基豎向承載力滿足規(guī)范要求的前提下，還需考慮墩柱及樁基在地震作用下是否滿足承載力要求。

3.1 蓋梁加固要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

蓋梁作為下部結(jié)構(gòu)主要部件，承擔(dān)著傳遞和分配上部結(jié)構(gòu)荷載的作用，下部結(jié)構(gòu)利用時(shí)須按現(xiàn)行規(guī)范要求對(duì)其承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，如不滿足承載能力需求，須考慮采用加固或更換措施。

該橋蓋梁計(jì)算結(jié)果顯示（如表1～2所示），蓋梁正彎矩區(qū)抗彎承載力富余度不高，負(fù)彎矩區(qū)不滿足要求，蓋梁抗剪承載力不滿足要求。故須考慮提高蓋梁抗彎和抗剪承載力，常見的措施有增大截面法、粘鋼法和更換，增大截面法和更換需考慮拆除、植筋、鋼筋綁扎、支模、澆筑和養(yǎng)生等工序，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)更換的橋梁，混凝土工程直接影響工程進(jìn)度，故采用粘鋼法（如圖2所示）以縮短工期，通過(guò)在蓋梁底部和側(cè)面粘貼鋼帶以提高蓋梁的抗彎和抗剪承載力。

蓋梁正彎矩區(qū)加固可在蓋梁底部粘貼鋼帶，負(fù)彎矩區(qū)加固時(shí)需考慮支座墊石、防震擋塊布置等因素；蓋梁抗剪加固主要是提高其配箍率，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使鋼板形成U形環(huán)箍，粘鋼加固后，承載力均滿足承載力要求（如表1～2所示）。

3.2 墩柱及樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

原橋橋墩和樁基按照早期的抗震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)顯然已不能滿足當(dāng)前的抗震要求，根據(jù)橋址區(qū)地震參數(shù)及橋梁基本信息，橋梁設(shè)防類別為B類，按照現(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，橋梁在E1地震作用下一般不受損或不需修復(fù)可繼續(xù)使用，在E2地震作用下應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時(shí)加固后可維持應(yīng)急交通使用[2]。

按照規(guī)范要求，該橋?yàn)橐?guī)則橋梁，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震驗(yàn)算[2]，采用承載能力極限狀態(tài)下的偶然組合：恒載+地震作用，作用均采用標(biāo)準(zhǔn)值。

地震力作用下，墩柱及樁基為偏心受壓構(gòu)件，是由軸心壓力和彎矩共同作用的構(gòu)件，原橋下部結(jié)構(gòu)利用，故其截面尺寸和配筋是固定值，當(dāng)軸心壓力的偏心距不同時(shí)，截面破壞時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的軸壓力和彎矩，根據(jù)偏心距的不同，可得到正截面承載力與相應(yīng)彎矩之間的曲線[3]，利用Midas Civil軟件中任意截面生成器功能，可根據(jù)原橋橋墩和樁基截面特性及配筋情況生成不同荷載組合工況下的P-M（軸力-彎矩）曲線，如圖3～4所示。

通過(guò)計(jì)算地震力作用下順橋向和橫橋向墩頂截面、墩底截面及樁基最不利截面的軸力（P）和彎矩（M），保持M/P為常量，通過(guò)與P-M曲線對(duì)應(yīng)結(jié)果比較，可得到構(gòu)件內(nèi)力/極限承載力比值，如果比值大于1，則承載力不足，如果比值小于1，則滿足承載力需求。

（1）橋梁采用常規(guī)設(shè)計(jì)的普通板式橡膠支座，對(duì)橋墩和樁基不做任何加固處理，根據(jù)地震力作用下順橋向和橫橋向各控制截面的軸力和彎矩，結(jié)合P-M曲線[4]，得出計(jì)算結(jié)果如表3所示，計(jì)算結(jié)果顯示：構(gòu)件內(nèi)力/極限承載力比值均大于1，不滿足抗震需求。

（2）由于該橋位于水源保護(hù)地，下部結(jié)構(gòu)不能拆除新建，河道不允許開挖，故考慮采用減隔震設(shè)計(jì)，橋臺(tái)采用水平力分散型橡膠支座，橋墩采用高阻尼隔震橡膠支座以延長(zhǎng)自振周期和增大阻尼以達(dá)到消耗地震能量和降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的[5]，按照上述相同計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果如表4所示，計(jì)算結(jié)果顯示：樁基截面順橋向構(gòu)件內(nèi)力/極限承載力比值均小于1，滿足抗震需求。

順橋向地震作用下，高阻尼橡膠支座水平剪切位移為68.5 mm＜175 mm（允許值），滿足驗(yàn)算要求。

橫橋向地震作用下，高阻尼橡膠支座水平剪切位移為75 mm＜175 mm（允許值），滿足驗(yàn)算要求。

（3）經(jīng)以上計(jì)算分析，橋梁采用減隔震措施達(dá)到了抗震要求，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意考慮其他抗震構(gòu)造措施，在橋墩、橋臺(tái)橫向設(shè)置限位擋塊并在擋塊與主梁間設(shè)置橡膠緩沖塊，按照支座變形位移預(yù)留足夠變形間隙。

（4）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)復(fù)核上部結(jié)構(gòu)梁端與墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣的搭接長(zhǎng)度，確保搭接長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該橋橋墩蓋梁寬度不滿足要求，可采用增大截面法或型鋼加寬的方法，由于該橋橋墩蓋梁考慮采用粘鋼加固，綜合考慮，采用型鋼加寬的方法滿足搭接長(zhǎng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

下部結(jié)構(gòu)利用的橋梁應(yīng)充分考慮上部結(jié)構(gòu)選型，下部結(jié)構(gòu)各部件承載力，減隔震支座的應(yīng)用能很好地實(shí)現(xiàn)減震作用，在一定條件下可彌補(bǔ)舊橋設(shè)計(jì)缺陷；粘鋼加固改造不僅能實(shí)現(xiàn)提高承載力的需求，還能滿足構(gòu)造需求。公路危舊橋梁改造工程經(jīng)常面臨受地形條件、建設(shè)環(huán)境和交通條件等因素限制而無(wú)法拆除新建的情況，要充分發(fā)掘下部結(jié)構(gòu)可利用條件，達(dá)到節(jié)約資金、減少工期、快速保通的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]項(xiàng)貽強(qiáng)， 郭樹海， 陳政陽(yáng)， 等. 快速施工橋梁技術(shù)及其研究[J]. 中國(guó)市政工程， 2005（4）： 28-32.

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[4]葛俊穎. 橋梁工程軟件Midas Civil使用指南[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2013.

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