中新天津生态城彩虹大桥加固方案第一小组.docx
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中新天津生态城彩虹大桥加固方案第一小组
中新天津生态城彩虹大桥梁体加固处理方案
天津理工大学
2013级工程硕士
第一小组
尚绍维、王垚、刘冬明、孙永乐、王刚
二〇一四年五月
中新天津生态城彩虹大桥梁体加固处理方案
摘要：
本文主要介绍了中新天津生态城彩虹大桥改造方案的比选，从工期、造价和结构方面进行论述，确定采用钢梁和混凝土梁结合方案。
该方案能够满足远期运行，具有结构自重轻、整体性能好、安装架设方便、结构贮备空间大等优点。
关键词：
加固 结合梁
1、概述：
彩虹大桥南起天津经济技术开发区东海路（现改为北塘黄海北路），跨北塘河口（永定新河与蓟运河交汇处，距三河岛下游约200米处），北接汉北路，于1998年10月31日竣工通车。
按汽——20荷载设计，双向四车道，全长1215.69米，该桥主桥采用3孔（每孔168米）下承式钢管混凝土系杆拱桥，主桥纵梁为T梁横向干结。
全桥纵向布置为：
11×25m预应力混凝土空心板梁+1×50m预应力混凝土箱梁+3×168m下承式系杆钢管混凝土拱+1×50m预应力混凝土箱梁+14×25m预应力混凝土空心板梁，桥面总宽29m，其中中央分隔带0.5m，行车道2×8.5m，拱肋2×1.5m（含防撞栏杆），非机动车道2×3.0m，人行道（含栏杆）2×1.25m。
主桥纵向为平坡，横向坡度为双向2%。
彩虹大桥的建成十多年来，形成了滨海新区南北大动脉。
“一桥两路”集疏港运输、防御海潮、国防战备、观海旅游四项功能于一身，并历史地解决了新区南北不通的问题，推动滨海新区经济增长和促进天津市经济发展发挥了重要作用，对中新天津生态城落户天津也起到关键作用。
2、桥梁运行状况
通车十二年来，滨海新区及天津港建设规模不断增大，经济实力得到了长足的的发展，随之带来彩虹大桥超重车辆日益增多，车辆载重远超过设计标准，对彩虹大桥安全造成了严重危害，并经过多次维修改造。
2003年8月对彩虹大桥伸缩缝、桥墩进行维修加固。
2007年11月对彩虹大桥主桥塘沽跨更换部分断裂小纵梁。
2003年8月对彩虹大桥伸缩缝、桥墩进行维修加固，2007年11月对彩虹大桥主桥塘沽跨更换部分断裂小纵梁。
2008年3月，为改善滨海新区投资环境，推进中新天津生态城项目实施，拆除彩虹大桥收费站，取消车辆通行限制，进一步加大了桥梁车辆通行量。
2008年5月对检测中发现小纵梁裂缝超限的予以更换，共计52片，上、下游分别为37片、15片，同时维修损坏的系杆PE护套和桥面系。
彩虹大桥主桥简图
2008年彩虹大桥维修改造后，运行良好,在2010年上半年,滨海新区周边道路同时进行改造，彩虹大桥成为连接滨海新区南北唯一通道，承载全部重型车辆通行，2010年6月7日凌晨，主桥车行道小纵梁突发断裂，桥梁管理单位立即组织专家对彩虹大桥现场进行了现场查勘，发现大桥12#~13#墩间自13#向塘沽方向第4吊间，上游侧拱脚内侧第三片纵梁由于超重车辆碾压而出现瞬间断裂，并导致第2、4片小纵梁均有不同程度损坏，封闭了桥梁，经专业桥梁检测机构检测，结论为车行道纵梁存在严重安全隐患。
3、纵梁更换设计原则
3.1在全面检测的基础上维持汽-超20的设计荷载标准。
3.2在有条件的基础上适当提高安全储备，且坚持桥面的安全储备比整体结构的安全储备略低。
4、纵梁加固方案比选
桥梁管理单位组织设计单位，就桥面系车行道纵梁加固维修方案进行研究论证，提出了车行道纵梁全部更换与车行道纵梁更换两个加固方案。
方案一纵梁为车行道改为工字型钢梁与人行道原混凝土T型纵梁结合方案（简称结合梁），方案二位与原设计方案相同的车行道钢筋混凝土T型纵梁全部更换方案。
4.1结合梁方案
4.1.1结构型式
（1）结合梁
结合梁钢纵梁和中横隔梁截面见图1，组合截面见图2。
a.钢纵梁 b.中横隔梁
图1结合梁钢梁截面 图2结合梁组合截面
（2）路面方案
桥上路面采用与原设计相同的厚度，铺装层厚度由5cm调整至6cm，以提高桥面铺装的承载能力。
4.1.2设计荷载及参数取值
小纵梁横向分配系数计算方法采用刚接梁法，单片纵梁的汽车活载横向分配系数采用0.3，活载动力系数取1.45，施工荷载按1kN/m2计。
设计荷载工况分别按主力和主+附两种荷载工况考虑。
主力：
恒载+混凝土收缩（15℃）+活载；
主+附：
主力+不均匀温度（骤升15℃或骤降15℃、桥面板升温15℃）。
4.1.3计算结果
（1）挠度
静活载挠度3.6mm，挠跨比1/2083，小于1/600，满足规范要求。
（2）应力
表1结合梁应力表
部位
恒载
活载
骤升
骤降
主力组合：
最大
主+附：
最大
混凝土板
上缘
-0.1
-5.20
-0.7
0.7
-0.1
0.7
下缘
0.7
-0.55
1.66
-1.66
0.7
2.36
钢梁
上缘
-68.2
-6.0
-26.8
26.8
-74.2
-101.0
下缘
41.8
73.5
5.5
-5.5
115.3
120.8
钢梁应力根据施工步骤逐节段累计计算，由表1可知，钢梁最大应力115MPa，小于容许应力210MPa，满足规范要求。
4.1.4与加劲纵梁横隔板的连接
本桥在系杆下设T型加劲纵梁，其横向与两侧的机动车道、非机动车道的桥面系纵梁通过横隔板及桥面整体化层刚性连接，机动车道纵梁下设2片矩形加劲纵肋，加劲纵梁及加劲纵肋纵向均通过现浇湿接头与横梁刚性连接。
桥梁整体结构分析表明，桥面系系杆下设加劲纵梁，纵梁下设加劲纵肋显著提高了漂浮结构体系桥面系的整体性能及横梁的抗扭能力。
4.1.5施工方法、工期和工程投资
（1）施工方法和工期
结合梁钢梁部分采用预制拼装的施工方法架设，混凝土桥面板采用现浇。
施工顺序为：
由拱脚向跨中逐个节间对称更换，先拆除既有混凝土纵梁，再架设钢纵梁，栓焊连接钢梁横隔板及钢梁端部与横梁之间的连接钢板，安装桥面混凝土钢底模，绑扎钢筋，最后现浇桥面板混凝土；桥面防水层和沥青混凝土桥面铺装层可在桥面板混凝土强度达到90％后分5～6次施工。
每个吊杆节间的6片纵梁拆除和安装的工期需要1.5天，安装永久性钢底模和绑扎钢筋工期需要0.5天，现浇桥面混凝土工期需要0.5天，每个吊杆节间共需2.5天，每孔主桥有19跨中纵梁，2跨墩上纵梁，按照11孔梁计算每孔桥的工期，单次更换纵梁需要工期28天，每孔桥纵梁分3次更换，需要工期84天。
（2）工程投资
结合梁方案车行道纵梁需要全部更换，其中吊杆间跨度7.46m的A1、A2型纵梁912片，主墩顶跨度5.49mE1、F1型纵梁64片，5.05m的E2、F2型纵梁32片，全桥共计1008片。
桥梁工程数量及投资估算表2。
表2投资估算
项目
材料及规格
单位
数量
综合单价
金额（元）
新建
纵梁
Q345qD
t
844.79
12500
10559875
涂装（脂肪族炳烯酸聚氨脂涂装体系）
m2
10762.0
150
1614300
混凝土桥面板
C45补偿收缩混凝土
m3
1506.8
1400
2109520
纤维素纤维UF500
kg
1356.1
56
75942
HRB335
t
376.7
7000
2636900
R235
t
75.3
7000
527100
水泥基渗透型防水涂料
m2
6503.7
180
1170666
拆除
混凝土纵梁
重6t
片
1008
1962
1977696
合计
片
1008
20508
20671999
4.2混凝土纵梁方案
4.2.1结构型式
（1）纵梁
预制梁截面型式及配筋与原设计方案大致相同，桥面板及横隔板由铰接改为现浇41cm的混凝土湿接头。
（2）路面方案
桥上路面采用与原设计相同的厚度，5cm改性沥青玛蹄脂碎石混凝土（SMA-16）。
本方案主桥纵断面与现状完全相同，纵断面线型圆顺，铺装层重量没有增加。
4.2.2施工方法、工期和工程投资
（1）交通组织
由于工期比较紧张，3孔主桥的桥面系纵梁同时进行更换。
针对目前桥梁的实际运营状态和便于施工期间交通组织，每个吊杆节间的16片车行道纵梁，按照6+4+6的组合分3次更换完成，更换顺序为由汉沽至塘沽行驶方向靠外侧车道的6片纵梁，其次为中央分隔带部位的4片纵梁，最后为剩余的6片纵梁。
纵梁施工期间交通组织按照目前的先单幅桥梁双向单车道通行，当另外一幅桥靠外侧车道的6片纵梁更换完成后，交通组织调整为两幅桥靠外侧车道双向单车道行驶。
（2）施工方法和工期
混凝土纵梁采用预制的施工方法架设，混凝土桥面板采用现浇。
施工顺序为：
由拱脚向跨中逐个节间对称更换，先拆除既有混凝土纵梁，再架设纵向钢筋混凝土纵梁，焊连接纵梁横隔板及端部与横梁之间的连接钢板，安装桥面混凝土钢底模，绑扎钢筋，最后现浇桥面板混凝土；桥面防水层和沥青混凝土桥面铺装层可在桥面板混凝土强度达到90％后分5～6次施工。
每个吊杆节间的6片纵梁拆除和安装的工期需要1.5天，纵梁横向连接和绑扎钢筋工期需要0.5天，现浇桥面混凝土工期需要0.5天，每个吊杆节间共需2.5天，每孔主桥有19跨中纵梁，2跨墩上纵梁，按照11孔梁计算每孔桥的工期，单次更换纵梁需要工期30天，每孔桥纵梁分3次更换，需要工期90天。
（3）工程投资
车行道纵梁全部拆除方案工程造价
项目
材料及规格
单位
数量
综合单价
金额（元）
新建
预制纵梁
C45补偿收缩混凝土
m3
1362.0
1600
2179278
HRB335
t
405.2
7000
2836215
R235
t
45.0
7000
315000
纤维素纤维UF500
kg
1225.8
56
68647
水泥基防水涂料
m2
7716.7
180
1389006
混凝土桥面板
C45补偿收缩混凝土
m3
703.2
1400
984453
纤维素纤维UF500
kg
632.9
56
35440
HRB335
t
269.7
7000
1887900
水泥基渗透型防水涂料
m2
6796.0
180
1223280
拆除
混凝土纵梁
重6t
片
1008
1962
1977696
合计
片
1008
12795
12896916
4.3结论
4.3.1结构自重
结合梁方案与混凝土梁方案结构自重比较表
结合梁方案
混凝土梁方案
项目
数量
项目
数量
主体结构
钢结构重（t）
844.8
主体结构
预制纵梁重（t）
3408
混凝土桥面板重（t）
3767.04
混凝土桥面板重（t）
1757.95
全桥合计（t）
4611.8
全桥合计（t）
5166.0
平米指标（t/m2）
0.52
平米指标（t/m2）
0.588
主体结构+桥面铺装
6cm沥青混凝土（t）
1160.2
主体结构+桥面铺装
5cm沥青混凝土（t）
966.9
平米指标（t/m2）
0.657
平米指标（t/m2）
0.698
由上表可知，结合梁方案在桥面混凝土增加1cm桥面铺装结构得以改善的情况下，其结构自重仍比混凝土梁方案低6％，由于结构自重的降低，整体结构的安全储备略有提高。
4.3.2工期与工程造价
方案
工期
造价（万元）
造价相差百分比
结合梁
84
20671999
60%
混凝土梁全部更换
90
12896916
4.3.3结论
结合梁方案与混凝土梁全部更换方案相比造价高778万元，为全部更换方案的1.6倍，工期多6天，结构受力方案结合梁方面最优，经济性方面混凝土梁部分更换方案最好，但由于造价最高的结合梁方案桥面系纵梁（含整体化层）总投资也仅为2067.2万元，比彩虹桥投入的总的维修费用还低很多。
因此，推荐采用结合梁方案。
5、后序
2010年7月经过有关设计单位和政府部门多次讨论，采用结合梁方案进行维修，由铁道部第三勘察设计院进行设计，中铁十八局集团有限公司施工，经过4个月的日夜奋战，2010年10月20日完成通车。
中新天津生态城彩虹大桥通过结合梁改造处理后，对过往车辆进行控制管理，严禁货车通行，经过近三年运行通车，桥梁运行良好，桥梁评定等级为二级。
目前，彩虹大桥也是在国内同类桥梁运行较长、使用状况良好的系杆钢管混凝土桥。
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