沪宁高速公路既有桥梁维修加固及施工技术

1 项目概况 上海沪宁高速公路（A11） 于1996 年建成通 车，为全封闭、全立交、高等级、多功能的现代化 高速公路，主线设计路基宽26 m，为双向4 车道。 主要承担着由中西部地区至苏锡常和上海区域间 交通、沿线一批高密度城市间的交通和上海与嘉 定、昆山等周边城镇1 小时交通圈的放射性交通。 随着长江三角地区经济的快速发展和城市群的加 速形成，通行于沪宁高速的交通量与重载交通骤 增，已远远超过当初设计交通量。鉴于此，上海市 政府决定对沪宁高速公路（上海段） 进行拓宽改 建。拓宽改造路线长21.37 km，拓建后规模为双向 8 车道。在拓宽改建中，针对沪宁高速上海段沿线 既有60 座桥梁，其中通道桥36 桥，中等跨度桥梁 17 座，大桥和立交桥7 座，决定进行（除沪杭铁路 上跨桥和西吴松江大桥两座大桥）维修加固，以确 保拓宽改建后高速公路的运行通畅。 桥梁加固2 既有桥梁的主要病害及成因 为了全面深入地了解既有桥梁存在的病害特 征，依据现场调查结果, 对桥梁病害进行综合分 类, 找出其规律性, 并通过对病害的机理分析，为 桥梁的技术改造提供可靠依据, 这对新建桥梁也 有一定的指导意义。既有桥梁的病害调查统计见 表1。桥梁加固 2.1 预应力及普通钢筋混凝土板梁病害 从现场的调查看来，大量整体现浇板梁底板 都出现通长或断续的纵向裂缝，部分梁板出现露 筋、钢筋锈蚀的现象，见图1。大部分裂缝宽度较 小，但部分裂缝宽度最大值达1.0 mm。产生这种 裂缝的原因是由于在路面荷载作用下梁板产生 了较大的横向弯矩，超过了梁体的横向抗弯能 力，从而引起梁体出现纵向裂缝。从裂缝的性状 看，大部分裂缝宽度尚未超过养护规范[1]的规定 值，裂缝处未发现渗水现象，说明裂缝尚未贯穿 整个板梁的高度范围。而少部分裂缝宽度较大 且裂缝处有渗水，并析出白色晶体。这种裂缝的 出现将削弱梁板断面的整体性，随着车辆荷载 的不断作用，将使纵向裂缝不断加深乃至贯穿 整个截面，进而引发桥面雨水的渗入，影响结构 的耐久性。桥梁加固 2.2 支座病害 由于橡胶支座构造简单、造价低廉、安装方 便，故被广泛用于各类公路桥梁中。在检查中发现 桥梁支座病害主要表现为橡胶支座变形开裂、脱 空和支座垫板锈蚀等，支座变形移位见图2。 支座变形开裂主要是由于静载与动载的作用 长期超过支座抗压容许应力，支座出现永久性非弹 性变形直至严重损坏。同时在施工阶段，支撑垫石、 梁体与支座结合部不平整或不水平，导致支座受力 不均匀，将使得应力集中部位过早破坏。另外支座 本身的质量问题也是引起支座开裂的原因之一。 支座脱空主要是由于施工时支座底部未垫塞 调平钢板或钢板厚度不够所引起，也有些是由于 主梁吊装时碰撞支座使其偏离设计位置所引起。 支座脱空常造成梁体局部下沉、桥面破坏，进而极 有可能引发交通事故，故应重点加以防范。 支座垫板锈蚀主要是由于钢板表面防锈层破 坏，导致钢板被腐蚀所引起。桥梁加固 2.3 桥墩、桥台病害 桥梁墩台基础在常年的使用过程中，除了承受 上部结构荷载外，还承受土压力、风力、流水压力、 冰压力和浮力等各种作用。另外由于过桥车辆的日 益重型化，墩台基础经常受到过重的活荷载作用， 因而桥梁墩台出现不同程度的损坏。这主要包括： 基础的不均匀沉降；基础的滑移和倾斜以及 基底局部冲空；基础结构物的异常应力和开裂等。 墩、台身的水平、竖向和网状裂缝；混凝土剥落、空 洞和老化；钢筋外露、锈蚀；结构变形、移位等，桥梁加固见图3。 另外，检查中发现部分桥台翼墙产生斜向裂缝， 见图4。大多斜向裂缝表现为上头大、下头小，裂缝 宽度一般在0.1 mm 以上，这主要是由于桥台上部台 背及翼端结构本身较为薄弱，且由偏心荷载、填土及 行车荷载产生的侧向压力过大所导致。而由于主梁 与台背翼墙之间的缝隙被顶死，从梁体上传递来的 过大推力也是引起翼墙产生剪切裂缝的原因之一。桥梁加固 2.4 桥面铺装病害 混凝土桥面铺装层的病害较为常见，主要表现 为较为规则的纵、横向裂缝，不规则的网状裂缝及较 严重的破裂等病害。产生病害的主要原因是桥面板 刚度不足，在重载或冲击荷载的作用下产生较大变 形，从而导致铺装层出现裂缝，且发展较快。其次，铺 装层与桥面板和主体结构变形不协调产生附加内力 也会引起纵、横向裂缝。另外，对于早期修建的桥梁， 由于人们对铺装功能、病害认识有限，往往存在配筋 量偏小，钢筋直径过细，铺装与承载构件的界面连续 不牢靠等问题均易引起桥面铺装层开裂。 铺装层的病害对高速公路上的危害性最为严 重。首先，铺装层的破损会使车辆冲击荷载进一步 增大。其次，防水功能失效后雨水渗入主梁中，使 主梁受力钢筋锈蚀，这对于钢筋混凝土结构的危 害极为严重。最后，铺装层的破坏会改变设计荷载 的横向分布状态，使得各梁板受力不均，并使主梁 实际高度变小，纵向刚度减弱，挠度增大。 另外，桥面伸缩缝损毁也是较为常见的病害之 一，这与桥头跳车病害相互关联。由于台后填土沉 降引起桥头跳车，桥头跳车引起更大的冲击荷载直 接作用在伸缩缝附近，造成伸缩缝破损。伸缩缝破 损将直接危及墩台及承重结构的安全。雨水从伸缩 缝处渗入墩台帽中，使台帽及盖梁钢筋锈蚀、混凝 土保护层剥落。特别是对空心板桥，雨水有可能通 过板端进入板内，板内长期积水将对板造成致命性 的伤害。伸缩缝破损及桥台渗水见图5、图6。 桥梁加固2.5 其他病害 调查中发现桥梁结构中其他常见的病害包 括：混凝土保护层不足；混凝土失效、疏松、胀鼓、 裂纹甚至脱落；混凝土碳化速度快，碳化深度达到 钢筋表面；防震挡块损坏；桥面排水不畅；栏杆及 人行道系损坏等。这些病害不仅影响桥梁的美观， 也影响桥梁的使用安全。 3 既有桥梁的维修加固和施工要点 桥梁加固3.1 支座更换 部分桥梁支座存在剪切开裂、橡胶老化、受力 不均、移位脱空等病害，需要进行更换。同时部分桥 梁也需通过增设支座垫石来调整既有桥梁标高。 本工程采用桥梁支座PLC 全监控更换系统进 行桥梁支座的更换[2]。桥梁加固本系统是将同步液压顶升系 统、计算机PLC 信号处理、位移监控与桥梁结构分 析和施工技术等进行集成，并在集成系统上进行 的成套技术开发。其中系统采用的RSM200 超薄油 缸，油缸厚49 mm、最大顶升压力30 t、最大顶升量 16 mm、系统最大压力70 MPa、系统终端最大点数 128 个。桥梁顶升车实物图如图7、图8 所示。该系 统已成功用于浙赣铁路电气化项目跨线构造物改 造工程等相关工程，并取得了较好的经济效益。 3.1.2 顶升注意事项 桥梁加固（1）对于部分梁底与盖梁间空隙较小，不能放 置顶升终端的桥梁，可采用以下两种方式处理。 a.在盖梁顶面千斤顶放置位置进行适当的局 部凿除，保证梁下有足够的终端放置空间。但对于 部分桥梁在下凿过程中出现盖梁钢筋骨架的情 况，则不宜进一步凿除，且也不易解决终端底面摆 放平整的问题。 b. 对于无法通过上述方式解决顶升空间的， 则可通过在墩顶或盖梁上植筋，安装牛腿，以牛腿 作为作业平台的受力结构进行支座换，见图10。桥梁加固 （2）在系统终端安放好后，应重新检查系统中 各类监控子系统与终端设备的安装位置与安装质 量，检查无误后，启动系统进行试顶，试顶压力取 设计压力的105%，以查看系统工作情况与整体起 落精度。试顶成功后，正式对梁体进行顶升，顶升 高度原则上为不超过9 mm，具体高度以现场能将 支座拿出并能将新换支座安放就位为准。 桥梁加固（3）当顶升梁段的长度较短，允许顶高不能满足 更换支座的工作高度时，应在相邻墩台之间安装千斤 顶，按线形内插法控顶高，并和更换支座的一端同步 起梁，以防止桥面连续部位出现裂缝。若在非伸缩缝 处的墩上更换支座，应在相邻另一孔梁安放千斤顶， 与更换支座的梁同步起落，防止桥面连续被顶裂。 3.2 桥面铺装修复 对桥面铺装层存在的小面积破损、局部坑洞 可作普通修补处理。而大面积的开裂及混凝土破 损面则应凿除原有桥面铺装层并重新铺筑，并加 强横向联系。同时桥面铺装修复时应注意：桥梁加固 （1）应对旧桥面进行凿毛处理，使梁顶表面粗 糙，呈齿状形。同时为使新旧混凝土粘结良好，可 在凿毛后的混凝土表面涂上一层界面剂。 （2）加固前必须对梁顶病害进行处理，同时还 需用高压冲洗机清扫、冲洗结合面并使之干燥。 （3）补强层混凝土浇筑后，应加强养护，避免 使铺装层过早受力。待混凝土强度达到设计强度 的80%后，方可浇筑沥青混凝土桥面铺装及通车。桥梁加固 3.3 裂缝与混凝土破损修补 根据《公路桥涵养护规范》[1] 和裂缝的特点， 对裂隙宽不小于0.15 mm 的裂缝采用化学压力灌 浆法予以修补，对裂隙宽小于0.15 mm 的裂缝采 用封缝胶予以封闭。 另外，针对既有桥梁混凝土基本构件和节点 出现的强度不足和局部漏筋等缺陷，采用碳纤维 （CFRP）补强加固技术，以提高构件的抗弯、抗剪 承载力以及受拉构件的轴向抗拉承载力，提高构 件的刚度和延性[3]，并控制构件裂缝的发展和对 已有裂缝进行封闭。在碳纤维布加固施工过程 中，应对公路桥进行交通管制，严禁超宽车和超 出桥梁设计活荷载的等级的车辆过桥，尽可能的 减少桥梁的上部荷载，以确保加固后的构件和碳 纤维材料能达到协同受力的目的。加固施工完毕 后，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面方 法来判断碳纤维片材与结构间的粘贴质量，总有 效粘结面积不应低于95％。另外，还应对碳纤维 配套胶结剂与混凝土的正拉粘接强度的测定。 总结以往类似工程和本工程的实践经验，碳 纤维布由于自重较轻、施工方便、工序简单、可操 作性强、操作空间较宽松，而且施工进度快、工期 短，更能在不间断交通的情况下操作，因此对营运 中的桥梁的加固修复带来较大的经济效益，可极 大地降低经济损失和社会影响。

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