过火大桥加固工程
一、 项目概况
桥梁长度2081.018m；桥梁设计荷载：汽车-超20级，挂车-120，桥面全宽：24.5m，设计车速：80km/h。
2008年2月7日凌晨由于桥下堆积物失火， 76号墩处墩身及箱梁表面产生较为严重的损伤。
二、 结构现状 2008年2月7日凌晨大桥桥下第十五联76号墩处发生火灾，火灾持续时间约1小时，采用冷水灭火。根据检测报告及火灾后现场勘察结果，大桥目前结构现状如下：
1、B道(左幅)结构现状
(1) 上部结构
箱梁受大火影响，底板及翼缘板混凝土大面积剥落，抗裂钢筋网已完全与混凝土剥离。腹板处钻芯取样试验结果表明，混凝土强度满足规范要求。经检测，箱梁底板最大损伤厚度为70mm，翼板最大损伤厚度为80mm，腹板最大损伤厚度为50mm；
(2) 下部结构
76号墩柱出现较多竖向裂缝，最大裂缝宽度0.4mm，混凝土环向大面积剥落，混凝土未剥落处敲击呈空鼓声，经检测，76号墩B道墩柱混凝土强度满足规范要求，最大损伤深度90mm；
(3) 支座使用情况
经仔细检查，B道76号墩墩顶支座局部损坏，已无法满足桥梁运营的正常使用要求。
2、A道(右幅)结构现状
(1) 上部结构
大桥箱梁受大火影响，局部出现混凝土剥落、掉块、钢筋外露现象。腹板处钻芯取样试验结果表明，混凝土强度满足规范要求。经检测，箱梁底板最大损伤厚度为24mm，翼板最大损伤厚度为80mm，腹板最大损伤厚度为21mm；
(2) 下部结构
76号墩柱局部有竖向裂缝，最大裂缝宽度0.08mm，敲击局部呈空鼓声。芯样试验结果表明，墩柱混凝土强度满足规范要求，最大损伤厚度为60mm。
(3) 支座使用情况
经仔细检查，A道76号墩墩顶支座未见异常情况，可满足桥梁运营的正常使用要求。
三、 加固前结构验算 1、验算目的
通过对大桥第十五联进行结构验算分析，掌握桥梁结构在火灾后的实际承载能力状况，为业主的决策及加固设计提供依据。
2、验算内容
依据竣工图资料及桥梁检测报告中桥梁的实测尺寸，对大桥第十五联进行验算，主要验算内容如下：
(1) 正常使用极限状态下箱梁的应力验算；
(2) 承载能力极限状态下箱梁的极限承载能力验算；
(3) 箱梁翼缘板承载能力验算；
(4) 箱梁顶升验算。
3、主要材料及其设计参数
(1)上部结构计算采用空间杆系计算程序3DBSA2006进行计算，计算内容包括成桥状态下的结构自重、预应力、混凝土收缩徐变、支座强迫位移(按错墩沉降，沉降量为0.8cm考虑)、活载、结构均匀温度作用(箱梁整体升温按15℃计，整体降温按20℃计)、竖向日照温差(±5℃计)等作用的计算，以及施工阶段计算。荷载组合按《公路桥涵设计通用规范》规定进行组合。
(2)验算荷载
① 设计速度：80公里/小时
② 设计荷载：汽车－超20级 挂车－120
(3)材料参数
纵向预应力锚下控制应力 1395MPa
孔道偏差系数 0.0015
一端锚具回缩 0.006m
钢束松弛率 0.035
松弛系数 0.300
预应力孔道摩擦系数 0.25
支座不均匀沉降 0.008m
混凝土抗压弹性模量 3.5×104MPa (50号)
钢绞线的弹性模量 1.95×105 MPa
(4) 截面折减情况
根据实际情况，对76号墩前后侧各6m范围箱梁截面进行折减，梁底板下缘混凝土折减7cm，翼板下缘混凝土折减8cm，腹板外侧混凝土折减5cm。
(5) 荷载组合
共计算了三种荷载组合。
组合Ⅰ：恒载＋汽车荷载＋支座沉降；
组合Ⅱ：恒载＋汽车荷载＋支座沉降＋整体升温＋正温度梯度；
组合Ⅱ：恒载＋汽车荷载＋支座沉降＋整体降温＋负温度梯度；
组合Ⅲ：恒载＋挂车荷载＋支座沉降。
(6) 结构单元离散图
图4－1结构单元离散图
4、验算结果
火灾后76号墩顶承载力为13748 kN·m< 15740×0.9＝14166kN·m，承载力不满足要求。
主梁在76号墩顶处应力为-0.47MPa(拉应力)，满足原设计部分预应力混凝土A类构件要求。
支座顶升过程中（顶升行程按20mm计算），主梁在76号墩顶处将产生0.75 MPa的拉应力，将对受力产生不利影响。
四、 加固设计方案 目前由于B道受大火影响损坏较A道相对严重，同时又正值春运时期，依据2008年2月9日由业主主持的专家会议精神，决定先对A道进行临时加固处理，确保大桥的车辆通行，然后再对B道进行加固维修处理，待B道加固施工完成后，通车后再对A道进行加固处理，目前A道临时加固工程已经完成，根据既有病害情况及结构验算情况对大桥加固方案设计如下：
1、B道加固方案
(1) 上部结构
大桥火灾后箱梁加固主要为箱梁的原结构截面尺寸补强及箱梁的结构受力加固，原结构截面尺寸补强目的在于通过利用高强材料将箱梁失效混凝土置换的方式恢复受损箱梁截面受压区高度，达到截面补强的目的。同时考虑到截面后期补强，截面应力重新分布，新增混凝土只承担活载内力，为确保加固施工过程箱梁顶升及后期运营大桥的安全，本次加固设计根据结构验算结果对箱梁进行了结构受力加固，结构受力加固拟采用在受损箱梁顶板增设预应力钢束或在顶板处粘贴钢板两种方案对箱梁进行加固。
截面补强方案一：
首先将底板、翼板松散部分混凝土凿除，在底板种植钢筋，重新挂钢筋网，然后再利用环氧混凝土将受损部位混凝土修复。
鉴于火灾后大桥76号墩处箱梁承载能力不足，同时由于更换支座的需要，大桥需在76号墩处将箱梁顶升1～2cm，为支座顶升提高安全储备，确保大桥加固施工过程中的安全，本次加固设计采用在76号墩墩顶增设体外预应力束的方式以提高箱梁极限承载能力。
B道箱梁主要施工工艺如下：
1) 搭设临时支架
在76号墩25m范围内搭设满堂支架，利用木楔将箱梁与支架抵紧，将箱梁76号墩处内力减小。由于76号墩处处于软土地基地段，支架搭设前应对地基进行处理，建议采用打入式钢管桩做为满堂支架基础；
2) 原结构表面处理
首先割除原箱梁外露钢筋网，剔除表面松散混凝土，将箱梁缺损面凿毛处理，为保证后期环氧混凝土浇筑质量，在凿除箱梁表面松散混凝土的基础上，将箱梁新鲜混凝土多凿除2～3cm；
3) 植钢筋，焊接新的钢筋网
依据设计图纸，在翼板、腹板及底板位置种植钢筋，种植钢筋采用HRB335φ16螺纹钢筋，打孔直径20mm，植入深度23cm。由于底板处混凝土较薄，植筋时可将底板混凝土打穿，在箱梁内将植钢与焊锚垫板连接。
植筋完成后，依据设计图纸，将箱梁原钢筋网片恢复，在钢筋割断处将新的钢筋网片与原钢筋焊接，新植钢筋应勾住新增钢筋网底(外)层钢筋，新增钢筋与植筋的连接可利用扎丝绑扎，禁止新增钢筋网与植筋直接焊接。
4) 浇筑混凝土
按要求配制细骨料环氧混凝土，混凝土浇筑过程可考虑分段浇筑，浇筑过程应密切注意混凝土浇筑质量，避免蜂窝、麻面及空洞的出现。
截面补强方案二：
将底板处混凝土外部凿除，将底板钢筋割除，并预留出足够搭接长度，再立模绑扎新的底板钢筋网，最后浇筑高性能混凝土。具体施工工艺如下：
1) 原结构表面处理
依据设计图纸在设计位置按先内侧，后外侧的顺序将底板混凝土凿除，凿混凝土工具应选用小型工具，严禁使用大型工具或微爆破的方式凿除顶板混凝土，避免凿除混凝土过程对箱梁产生过大干扰。
2）绑扎钢筋网
按设计要求将底板上、下两层钢筋网恢复，钢筋绑扎及连接应满足《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041－2000)要求。
3）浇筑混凝土
按要求配制细骨料混凝土，混凝土浇筑过程可考虑分段浇筑，浇筑过程应密切注意混凝土浇筑质量，避免蜂窝、麻面及空洞的出现。
箱梁加固方案一：
增设箱梁顶板预应力钢束
a. 首先拆除原桥面沥青混凝土铺装层，依据设计图纸在梁顶准确放样、开设槽口，同时将槽品处原箱梁顶板钢筋割除，并预留出足够的搭接长度；
b. 按设计要求布置预应力钢绞线，新增预应力钢束布置于箱梁顶板顶层钢筋上缘，安装预应力锚具，焊接新增预应力齿板钢筋；
c. 浇筑预应力齿板混凝土，混凝土采用C50细骨料环氧混凝土，浇筑过程中应采取有效措施确保混凝土浇筑密实。
d. 齿板混凝土强度达到设计强度90%后，依次按先短束后长束的顺序张拉预应力；
e. 恢复张拉槽口钢筋，浇筑张拉槽口及顶板钢束槽口混凝土，混凝土采用C55细骨料环氧混凝土
f. 恢复桥面沥青混凝土铺装层。
箱梁加固方案二：
箱梁顶板粘贴钢板
1) 原主梁梁底处理
a. 对主梁梁底进行抹浆处理前，应首先按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。
b. 将原结构表面的松散混凝土及浮渣、污物等予以清除。
2) 原结构粘钢表面的处理
a. 用修复材料将粘钢(16Mn)表面修复平整。
b. 被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出结构断面。
c. 将混凝土表面清理干净并保持干燥。
d. 钻制涨锚螺栓预留孔。
3) 钢板防腐
钢板防腐涂装工序：
a. 钢板人工打磨除锈；
b. 钢板涂刷底漆3道；
c. 钢板安装；
d. 安装检查，对安装过程中造成的底漆破损进行补漆；
e. 钢板涂刷面漆4道。
4) 粘贴钢板
a. 配制界面胶。
b. 将界面胶均匀涂抹于所要粘贴的部位。
c. 粘贴钢板，使粘贴界面充分接触。
d. 在跨中钢板底部安装涨锚螺栓，并对钢板进行加压固定，对于端部钢板可采取架设临时支撑的方式进行加压固定。
(2) 下部结构
待梁体顶升完毕，上部结构箱梁恒载全部转移至临时支架上后，将76号墩柱松散混凝土全部凿除，重植钢筋，挂钢筋网，利用增大截面法对受损墩柱进行加固处理；
B道墩柱主要施工工艺如下：
1) 原结构表面处理
为了使新、老混凝土能够很好地结合，并共同参与受力，在加固前应首先将原结构表面松散混凝土剔除，一般以露出新鲜混凝土为宜，并将混凝土结合面进行凿毛处理，在凿毛过程中采用人工凿毛的方式进行，在凿毛工作完成后，用高压水或无油压缩空气将表面的灰尘及油污清理干净，干燥后待用。
2) 植筋
待完成混凝土缺损区域修补，在竖向新增一排HRB335 φ16螺纹钢筋，新增钢筋的下端植入承台。依据设计图纸，在墩身植入HRB335 φ12螺纹钢筋。禁止在素混凝土区域及缺陷修补未完成时进行植筋操作。
植筋锚固深度根据GB50367-2006之12.2.3公式计算确定，严禁按短期拉拔试验值或厂商技术手册推荐值采用，其中竖向HRB335 φ16螺纹钢筋钻孔直径设计值d＝20㎜，植筋深度：33㎝，横向HRB335 φ12螺纹钢筋钻孔直径设计值d＝15㎜，植筋深度18㎝。
3) 绑扎D8冷轧带肋钢筋网
按设计要求绑扎钢筋网，应保证D8冷轧带肋钢筋网有足够的保护层厚度。
4) 浇筑高性能混凝土
应按设计图纸进行立模，然后再浇筑混凝土，并振捣密实。
在浇筑混凝土过程中，可考虑竖向分层浇筑，为避免混凝土发生离析，应避免从高空抛落。在混凝土浇筑完成后，应注意做好养护。
(3) 支座处理
由于B道76号墩墩顶支座待梁体顶升完毕后，更换新的支座。所有工序完成后，将箱梁回落至新更换支座。具体施工工艺如下：
1) 顶升支架基础设置
由于大桥第十五联处于软土地基路段，顶升支架基础无法设置于地基上，且依据竣工图资料，76号墩承台桩基设计中已考虑了临时支架的重量，故76号墩支座更换顶升支架设置于承台上，确保顶升施工的安全进行。
2) 搭设顶升支架
在梁底与钢管混凝土支架中间安装顶梁的千斤顶，千斤顶本身不接触梁底部位，为了保证顶起过程中不致损伤梁底，在梁底和千斤顶接触处用厚约2厘米的橡胶板垫实，确保软接触密合。在基础和梁间由4根直径100cm钢套筒，内填C25混凝土构成支撑架，用于箱梁顶升。
3) 安装千斤顶及观测装置
顶升施工拟采用4台400吨液压千斤顶，千斤顶安放在支架立柱上部的千斤顶支座上，千斤顶上下均垫铺2层δ＝20mm钢板。同时，由于箱梁有横坡所以在千斤顶顶面与支架之间支垫楔型钢板，确保千斤顶稳定。
观测装置采用灵敏度较高的百分表来控制顶升高度。百分表设在箱梁底板墩顶位置，内外侧各设置一个，顶升时若两个百分表读数偏差较大，则立即停止顶升，待查明原因后，方可继续进行顶升工作。
4) 顶升梁体
a. 试顶：支撑架、千斤顶安装完毕，即开始试顶；试顶主要是为了消除支撑本身的非弹性变形或沉降，在主梁还没有正式起时即可停止，并停放1小时进行观察无任何变化后才能开始整体顶升。
b. 整体顶升：试顶完成后，在专业人员的统一指挥下所有千斤顶慢慢用力整体顶起梁体使其离开原支座约1.5厘米立刻停止，并立即在支架与梁间增设若干个钢筋混凝土预制块形成临时固定点，以增加接触点和面积，提高顶升系统的稳定性，确保桥梁整体安全。
5) 支座更换
梁体顶升完毕后，将原支座拆除，支座位置用高标号环氧树脂砂浆找平，安装新的支座，最后慢慢落架，去掉混凝土块和千斤顶，拆除临时支撑。
(4) 桥面排水恢复
依据设计图纸，将火毁的桥面排水管恢复。
2、A道加固方案
(1) 上部结构箱梁
凿除箱梁松散部分混凝土，将外露钢筋表面清理干净，再利用环氧砂浆对缺损部位进行修复；
(2) 下部结构墩柱
凿除松散部分混凝土，将外露钢筋表面清理干净，再利用环氧砂浆对缺损部位进行修复；
3、箱梁及墩身表面涂装处理
为满足加固后结构物的耐久性及美观要求，在大桥第十五联加固完成后，对箱梁及墩身涂装一层港工混凝土耐久性涂装层，使加固后的桥梁外观上与原结构美观一致，同时也提高了近海桥梁混凝土结构的耐久性。
五、 加固后结构验算 1、承载能力极限状态计算
箱梁组合内力、承载力包络图（不计普通钢筋）
图6－1箱梁组合内力、承载力包络图
2、正常使用极限状态组合应力图
图6－2正常使用极限状态组合应力图
从上面可以看出加固后76号墩顶承载力为15530kN·m ＞17010×0.9＝15309kN·m，承载力满足规范要求。
76号墩顶最小应力为0.64Mpa（压应力），满足原设计部分预应力混凝土A类构件要求。
3、箱梁顶升验算
为了更换76号墩支座，将76号墩支点顶升按照2cm考虑，在(恒载＋支座顶升2cm)箱梁应力计算结果如下图。
从下图可以看出，支座顶升2cm情况下76号墩顶应力为0.29(压应力)MPa，满足规范要求。
图6－3支座顶升应力图
4、验算结论
（1）箱梁加固前，考虑火灾影响箱梁承载力略有不足，加固后满足规范要求，具体数据见下表：
| 工况
|
Mj （kN-m）
|
Mu （kN-m）
|
Mu/Mj
|
| 加固前
|
14166
|
13748
|
0.97
|
| 加固后
|
15309
|
15530
|
1.01
|
（2）箱梁加固前考虑火灾影响，76号墩顶最小应力为-0.47Mpa(拉应力)，加固后箱梁76号墩顶最小应力为0.64MPa(压应力)，箱梁顶升中箱梁墩顶最小应力为0.29MPa(压应力)，均满足原设计部分预应力混凝土A类构件要求。
六、 施工顺序 大桥加固工程施工顺序如下：
1、B道加固施工
（1）搭设临时支架，将76号墩处箱梁临时支承；
（2）箱梁结构受力加固；
（3）将76号墩处箱梁顶升1.5cm，卸载76号墩身内力，梁底夹塞临时垫块；
（4）76号墩墩柱加固施工；
（5），拆除已损坏的76号墩顶支座，安装新支座；
（6）箱梁底板、腹板及翼板加固维修施工；
（7）对B道进行荷载试验。
2、A道加固施工
（1）开放B道交通，封闭A道交通；
（2）箱梁底板、腹板及翼板加固维修施工；
（3）76号墩墩身加固施工；
（4）开放A道交通。
3、第十五联箱梁及墩身、盖梁防腐涂装施工
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