万柳桥大修加固设计技术研究
“万柳桥大修加固设计技术研究”项目研究由北京市市政工程设计研究总院有限公司、北京市城市道路养护管理中心、北京市市政工程科学技术设计研究院、北京市工程管道及桥梁构件质量监督检验站等单位合作完成。
项目研究成果获2012年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖。该项目研究成果适用于城市桥梁大修加固改造工程。
项目技术研究概况
北京市南三环路万柳桥建于1991年，桥梁上部结构为3跨连续宽腹T型梁，跨径22.9m+29.5m+22.9m，桥梁全长75.5m，全宽28.2m，桥梁总面积2130平米。桥梁南北两半幅相对独立，每半幅桥上部结构由3片宽幅T梁组成，在梁端支点、中墩支点及各跨跨中设置横梁。桥梁下部结构中墩为钻孔桩基础接承台、柱式桥墩；边墩为轻型桥台接钻孔桩基础。
2004年，万柳桥曾进行过加固改造，主要包括主梁外包钢板加大截面、桥面铺装翻修等措施。近年来，由于桥面板严重开裂，且呈现明显劣化趋势，2011年9月，该桥出现了局部塌陷险情。经结构安全检测，该桥梁技术状况评定为D级，属不合格状态。
经相关结构检测、荷载试验及计算分析，该桥主梁工作状况如下：1）通过荷载试验，主梁、横梁整体工作状况较好；2）主梁外包钢板加固后，正弯矩区段承载能力有所提高；实测残余变形、残余应力最大值在10%附近，说明主梁接近弹性工作状态；由于恒载增加，墩顶附近负弯矩区段纵向主筋配置不足，强度降低，承载能力不足；3）桥面板开裂破损导致其刚度明显降低，承载能力不足，严重影响荷载横向传递。
为彻底解决万柳桥结构病害，消除安全隐患，决定对该桥进行大修加固。万柳桥加固工程设计时，从耐久性、施工总工期、交通影响、工程造价等方面进行了技术方案综合比选，最终确定钢托架和墩柱托换进行万柳桥大修加固设计与施工的技术方案，该方案的技术内容与步序参见“桥梁加固技术内容及步序流程图”。
主梁中支点加固效果图
关键技术与应用成果
万柳桥大修加固设计技术研究项目的关键技术与应用成果体现在以下几个方面。
1）内力调整的加固方式 针对万柳桥主梁承载能力不足问题，除了更换主梁外，常规的加固方式是在主梁顶面进行加强，通过植筋等措施将主梁截面加高，在加厚截面内布置加强钢筋。此加固方式势必加高主梁截面，增加主梁自重，对于主梁其他控制截面、桥梁下部结构受力产生不利影响。同时，加厚主梁截面所采用的混凝土浇注方式，对三环主路交通将产生较大影响。如采用体外预应力的加固方式，则由于梁高原因，其优势和作用不能完全发挥。
该工程采用顶升托换工艺，通过改变支撑方式，将主梁中支点由单点支承变为2点支承，原墩柱不再承重受力，对连续主梁中支点进行内力调整，以降低弯矩内力峰值。该加固方式的施工均在桥下进行，对桥面交通、桥面高程、主梁恒载均无影响。主梁顶升施工也可在不中断桥面交通的前提下进行操作。
桥面板的翻修加固中，项目在原桥面板混凝土拆除前进行主梁顶升，待新浇注混凝土养生达到强度后释放顶力，起到了进一步调整主梁内力、降低混凝土养生期间行车扰动和主动加固的目的。
与常规加固方式相比，主梁内力调整加固方式节约造价约750万元，与更换主梁方式相比节约造价约1200万元。
桥面板底面钢桁架安装效果图
2）桁架格构式混凝土桥面板加固支撑装置 结合万柳桥加固工程，项目自主研发的“桁架格构式混凝土桥面板加固支撑装置”（专利号：ZL 2012 2 0149431 0）解决了现有技术对桥面、桥下交通影响大以及工期等问题。采用桁架格构式支撑装置不但改善桥面板受力，确保桥面板大修实施前桥梁结构与行车安全，也可在一定程度上加强主梁之间的横向联系，更为桥面板维修争取有利时机与条件。
该装置各部件均采用常规型钢构件，连接采用焊接方式，组装简便快捷，便于批量组装生产；支撑装置可快速安装和拆除，安装施工在桥下进行，对桥面交通影响小；有了支撑装置的安全保障后，桥面板维修可选择在交通压力相对较小、环境温度适宜时进行施工；此种支撑装置重量较轻，对主梁承载能力影响小；通过在顶面钢板焊接剪力键等方式，此种支撑装置可永久性作为桥面板结构的一部分。
该装置可重复利用，在T型、∏型和箱形等城市桥梁桥面板维修改造中具有广泛的应用前景，具有良好的经济效益和社会效益。
3）高压水射流施工技术 万柳桥加固工程采用的高压水射流施工技术，在不影响交通断行的前提下，成功实现了桥面板翻修施工，取得了很好的社会效益和经济效益。与常规机械或人工拆除混凝土方式相比，高压水射流施工技术具有以下突出特点：可以完整保留内部钢筋；施工作业范围精确，可以精确控制拆除面积和力度；绿色环保，铣刨机作业过程中无任何扬尘，所使用的水，由污水净化设备处理后可以直接排放，无污染；安全快捷，远距离遥控操作的施工方式，保证操作安全及施工快捷。
旧桥面板水铣施工作业现场
万柳桥加固工程首次在人口和交通密集区域，采用高压水射流技术进行桥面板混凝土大面积拆除。项目对降噪、清渣、废水回收等工艺进行了改良和优化，不仅达到了桥面板翻修目的，保证了施工质量，同时完善了桥面板翻修施工工艺，并形成了适用于桥梁桥面板翻修的施工体系，为类似工程、类似工况的工程提供了可靠的借鉴和保证。
由于城市断路施工越来越难等客观因素的存在，在维修与万柳桥类似的老旧市政桥梁时，高压水射流施工的应用，无疑成为城市和谐建设的重要手段，将会有广阔的发展前景。
4）超薄千斤顶同步顶升 万柳桥中支点新增墩柱顶升托换在原旧墩柱顶面狭小空间放置小规格、超薄千斤顶，经同步顶升实现桥梁结构体系转换和主梁中支点内力的调整。
按计算承载力、实测实际空间，在每墩设置6个YDT1200型顶升千斤顶，千斤顶带球铰纠偏装置。同步顶升施工均在桥下进行，对桥面交通无影响。此种超薄千斤顶同步顶升技术对于目前诸多桥下空间受限、桥面交通不易中断的城市桥梁顶升维修和加固设计与施工，具有较强的借鉴意义。
5）周末54h不断路连续施工组织方式 万柳桥加固工程确定周末54h不断路连续施工方案。三环主路全桥四道桥面板，分别在4个周末进行桥面板拆除和新浇施工，每个施工循环可保证三环主路2上2下4车道通行。同时大修设计对桥区辅路和桥下环岛进行改造，保证桥下交通导行的同时增加辅路通行能力，以缓解三环主路交通压力。每个循环的大修施工，万柳桥区以及周边地区交通秩序井然，未造成拥堵状况。此种施工以及交通组织模式为今后我市桥梁，特别是交通主干线上桥梁的大修设计和施工提供了参考，具有较强的借鉴和指导意义。（北京市市政工程设计研究总院有限公司 供稿）
注：本文刊载于《市政技术》2014年第4期，第1、2页。