武宿立交樞紐主線橋病害分析及加固措施

孫建芳

（山西太舊高速公路有限責任公司工程技術部，山西 太原 030600）

1 工程概述

1.1 原橋結構要點

武宿立交樞紐位于太舊高速公路的西段K520+289處，太原市南郊，是連接太舊高速公路、太原東山過境高速公路、太原南環高速公路、太榆路、機場路的重要交通樞紐，上跨石太鐵路，由2.8 km主線和19條匝道（1995年建成15條，2007年續建成4條）組成。

武宿立交主線橋上部結構為預應力混凝土連續箱梁，跨度28~40 m，全長1 082 m。左右分幅，左幅橋合計1 078.93 m，右幅橋合計1 073.229 m。單幅橋箱梁采用單箱雙室、三室、四室截面，下部結構為柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎。橋面鋪裝厚15 cm，包括8 cm防水混凝土基層和7 cm瀝青混凝土面層。

除L6#、R7#兩聯外，主線橋其他各聯橋均采用支架現澆施工，截面形式為單箱雙室。箱梁梁高2.2 m，每跨設3道中間橫隔板，頂板、底板、腹板與橫隔板相交處設倒角。

L6#、R7#兩聯橋采用頂推法施工。兩聯橋均采用箱形截面，底板水平，頂板設2%的橫坡，梁中心線處高2.2 m。L6#橋采用單箱雙室截面，R7#橋采用單箱三室截面。

箱梁內均設置縱向預應力，支點橫隔板內設置橫向預應力，均采用6—7Φ5預應力鋼絞線束、OVM15—6錨固體系，預應力鋼絞線標準抗拉強度為1 500 MPa，箱梁內縱向預應力張拉控制應力為1050MPa，橫隔板內橫向預應力張拉控制應力為1095MPa。主梁縱向預應力鋼束均為短束，分段布置，錨固在梁端和跨間布置的齒板上。

原橋箱梁按全預應力混凝土構件設計，將梁體視為等高度、變截面、變剛度連續梁，按施工階段和運營階段兩種情況計算，其中不均勻沉降按1.0 cm考慮。

1.2 橋梁存在的主要問題和維修加固設計

1.2.1 存在的主要問題

作為太舊高速公路的重要交通樞紐和太原市重要交通出入口，武宿立交長期承擔著繁忙的交通任務，造成橋梁結構出現多種病害和缺損，結構承載力和剛度有不同程度的削弱，并影響到其耐久性，對安全運營構成嚴重隱患。根據2007年8月、2009年5月進行的橋梁定期檢查和2009年10月進行的專項檢測，主線橋箱梁腹板出現豎向裂縫和斜裂縫，底板存在橫向裂縫和縱向裂縫，橋墩蓋梁和橋臺開裂，一些支座破損，支座調坡抗震構件與墩帽接觸，主要承重構件缺損嚴重，病害發展明顯，按重要部件最差的缺損狀況評定為“三類”橋梁，結構狀態較差。

2007年9月，西安公路研究所對L5#橋進行了動靜載荷載試驗。結果表明，箱梁承載能力有所下降，抗彎承載力安全儲備不足，抗剪強度和剛度難以滿足設計和使用要求。

1.2.2 武宿立交歷年維修加固情況

鑒于以上原因，武宿立交樞紐近些年進行了多次的維修加固，主要維修加固項目包括：

2004年：J匝道橋變截面端粘貼鋼板加固維修。

2005年：路面改造維修；A、B、I、H匝道橋變截面處粘貼鋼板補強；Q2匝道橋加固。

2008年：主線L5#橋箱內體外預應力補強；B匝道橋和J匝道橋維修；主線橋箱內病害處治。L5#橋的加固方法包括在兩個邊跨內布置體外預應力鋼束、兩個邊跨自梁端一定范圍內箱內腹板上粘貼豎向抗剪鋼板、兩個邊跨梁底粘貼碳纖維布等。

2 橋梁病害情況及發生原因分析

2.1 主線橋主要病害情況

根據2007年8月、2009年5月進行的橋梁定期檢查和2009年10月進行的專項檢測，武宿立交樞紐主線橋出現的主要病害包括：

（1）箱梁腹板跨中附近存在豎向裂縫，最大寬度達1.5 mm，1/4跨或3/4跨處出現斜向裂縫。

（2）箱梁底板存在橫向裂縫和縱向裂縫，其中橫向裂縫最大縫寬1 mm，縱向裂縫最大縫寬0.53 mm。從2007年到2009年，裂縫數量、寬度均明顯發展，且修補后的裂縫均重新開裂。

（3）箱梁底板、頂板混凝土存在缺損、麻面、空鼓、露筋、露波紋管等缺陷。

（4）部分橋墩蓋梁存在豎向、斜向裂縫，縫最寬0.5 mm。從2007年到2009年，橋墩蓋梁裂縫無明顯發展。

（5）左幅第15跨14#墩2#支座破損，建議更換。

（6）共計70個支座調坡抗震構件與墩帽擠死，處于受力狀態，影響梁自由伸縮。

（7）現場回彈試驗測得一些位置箱梁混凝土強度低于原設計值，最低強度為37.4 MPa，不到原設計強度（50#混凝土）的80%。

（8）箱梁碳化深度最大值為4.7 mm，最小值為1.1 mm，平均值為2.7 mm，混凝土碳化對鋼筋銹蝕有輕微影響。

（9）有15跨箱梁實測鋼筋保護層厚度評定標度值為5，表明保護層厚度對結構鋼筋的耐久性影響很大，鋼筋易失去堿性保護，發生銹蝕；有2跨箱梁實測鋼筋保護層厚度評定標度值為4，對結構鋼筋耐久性有較大的影響。

2.2 病害發生原因分析

（1）各種大噸位車輛大幅增加，在長期超載超限車輛作用下，導致底板橫向裂縫和腹板斜裂縫的出現。

（2）武宿立交于1995年10月建成通車，至今已超過15年。橋梁檢測、荷載試驗和加固前結構分析結果表明，受長期混凝土徐變、碳化、開裂、預應力損失的影響，一些主梁的抗彎、抗剪承載力及剛度減小，安全儲備不足。

（3）箱梁腹板及底板厚度變化處過渡段較短，容易出現應力集中，利于裂縫開展。

（4）主線橋箱梁預應力筋采用短束，多根預應力筋錨固于跨間同一斷面，造成該斷面兩側預應力效應急劇變化，齒板外側出現一定拉應力。當超出混凝土抗拉強度時，將造成箱梁頂、底板出現橫向裂縫。

（5）箱梁普通鋼筋配筋率偏小，主線橋箱梁上、下緣縱向鋼筋采用Φ10的圓鋼筋，間距20 cm；箍筋采用Φ10的圓鋼筋，每個腹板內2肢，間距10~20 cm，不利于裂縫的防止和控制。

（6）在超載重車反復作用下，箱梁頂、底板橫向裂縫發展至腹板，形成貫通的U形裂縫。

（7）由于預應力損失、超載重車、施工質量等原因，造成腹板抗剪能力不足，在腹板中產生斜裂縫。

（8）箱梁局部保護層較薄，不利于鋼筋防銹和控制裂縫開展。檢測發現的箱梁縱向裂縫就是由于波紋管位置偏差，造成混凝土保護層較薄，由張拉后管道壓漿引起，或為混凝土順鋼筋方向產生的收縮裂縫。

（9）經調查，由于種種原因，施工過程中存在控制不良現象，造成局部混凝土質量差，個別地方出現蜂窩麻面及露筋現象；部分預應力筋張拉、錨固、壓漿有問題，有些部位普通鋼筋布置未嚴格遵照設計圖紙。這些均對結構受力產生不利影響，經長期使用在箱梁中出現多種病害。

（10）橋面鋪裝經過多次后期維修、加鋪，實際鋪裝層厚度已超過原設計厚度較多，箱內雜物較多，這些均增加了箱梁的附加荷載，惡化了結構受力狀況。

3 維修措施

3.1 維修設計總體思路

根據主線橋的結構形式和存在的主要問題，維修設計總體思路為：

（1）在對箱梁主體結構加固之前，將原橋面鋪裝鑿除，待梁體維修加固完成后，重新進行橋面鋪裝。

（2）對主線橋箱梁頂、底板裂縫較為嚴重的梁跨，增設體外預應力，提高原橋的預應力水平。

（3）對匝道橋箱梁跨中附近梁底和中支點附近梁頂增設預應力，提高箱梁的承載能力，改善受力狀況。

（4）在箱梁腹板豎向、斜向裂縫較寬、較多的部位粘貼鋼板，提高截面的抗剪能力。

（5）對開裂較為嚴重的橋墩蓋梁粘貼碳纖維布，對裂縫進行覆蓋，并控制裂縫的進一步發展。由于L6、R7#橋下新建鐵路的電氣化接觸網距主梁梁底較近，以后對梁底進行維修處置將比較困難，對該兩聯橋梁底縱向裂縫寬度較大和保護層厚度偏薄的區域也粘貼碳纖維布。

（6）對箱梁和墩臺的混凝土病害進行處治。

（7）對破損的支座進行更換，切割與墩臺蓋梁擠死的支座調坡抗震構件。

3.2 混凝土缺陷處置

對箱梁和墩臺上的混凝土裂縫，大于等于0.15 mm的裂縫采用壓力注膠法修補，小于0.15 mm的裂縫采用表面封閉法修補。

混凝土缺損部位應鑿除松散混凝土，然后用聚合物水泥砂漿（混凝土）或改性環氧砂漿（混凝土）填充補平。

混凝土露筋部位應鑿除松散混凝土，并清除鋼筋銹跡，噴涂阻銹劑，然后用聚合物水泥砂漿（混凝土）或改性環氧砂漿（混凝土）填充補平。

3.3 主線橋箱梁體外預應力加固

鑒于原橋箱梁頂、底板出現多條橫向裂縫，為提高原橋的預應力水平，減小箱梁內力，提高其承載能力，在箱梁內增設體外預應力，方法是在箱內靠近腹板位置布置體外預應力鋼筋，在跨中范圍靠近底板布置，在中支點附近彎起，在箱梁中支點橫隔板上部鉆孔，預應力筋穿過橫隔板進入下一跨箱梁，依次通過各梁跨，一聯內連續布置，直至本聯箱梁端部進行錨固。每束鋼束的鋼絞線根數為7根、9根或12根，每個箱室內布置2束。在各聯箱梁內靠近梁端位置布置鋼筋混凝土錨固塊，用以錨固新設的體外預應力鋼束，鋼束采用兩端或單端張拉。鋼束自梁底向梁頂豎彎位置設置鋼筋混凝土轉向塊，自梁頂向梁底豎彎位置設置鋼轉向塊，并在其中布置轉向鋼管。鋼束遇跨間橫隔板開孔通過，鋼束張拉后在鉆孔內填充橡膠隔振材料，并在較長自由鋼束中間位置設混凝土定位塊，對鋼束起定位、隔振作用。

主線梁箱梁箱內連續體外預應力筋維修加固范圍為除了2007年已進行體外預應力加固的L5#橋兩個邊跨之外的其余左、右幅各跨，包括左幅橋（R1~R7#橋）31跨，右幅橋（L1#~L6#橋）31跨，共62跨。

3.4 箱梁粘貼抗剪補強鋼板加固

根據箱梁腹板開裂情況，在主線橋箱梁外腹板內側和內腹板兩側、A匝道橋箱梁腹板外側粘貼豎向抗剪鋼板進行補強，以提高截面的抗剪能力，控制腹板裂縫的開展。主線橋共在31跨箱梁腹板上粘貼抗剪補強鋼板，A匝道橋共在22跨箱梁腹板上粘貼抗剪補強鋼板。

3.5 箱梁、橋墩蓋梁粘貼碳纖維布

L6、R7#橋下的鐵路建成后，其電氣化接觸網距主梁梁底較近，以后對梁底進行維修處置將比較困難。因此，此次對該兩聯橋維修施工時，在箱梁底板縱向裂縫寬度大于0.2 mm和保護層厚度偏薄的區域混凝土表面粘貼碳纖維布，控制裂縫的開展，阻止鋼筋銹蝕，提高結構的耐久性，具體范圍包括L6、R7#橋的第1、2跨箱梁底板。

部分橋墩蓋梁在定期檢查中發現多條裂縫，且裂縫寬度在0.2 mm以上。在對裂縫進行處置后，對蓋梁表面采用粘貼碳纖維布，對裂縫進行覆蓋，并控制裂縫的進一步發展。

3.6 重做橋面鋪裝

為改善本次維修加固后的行車條件且更好地發揮加固改造效果，減輕梁體加固時的有效荷載，在對主體結構加固之前，將主線橋原混凝土調平層和瀝青混凝土鋪裝鑿除。待梁體維修加固完成后，在頂板上植筋，設置鋼筋網，采用C45鋼纖維混凝土基層＋瀝青混凝土面層重新進行橋面鋪裝，改善橋面鋪裝和梁體的共同受力，增加箱梁的承載能力，提高橋面鋪裝的使用性和耐久性，增加橋上行車的舒適性。

主線橋原設計橋面鋪裝為8 cm防水混凝土基層＋7 cm瀝青混凝土面層，總厚度15 cm。由于武宿立交橋面已多次維修、加鋪，實際鋪裝厚度比設計厚度要大，鑿開實測主線橋橋面鋪裝約為19 cm。為保證維修后橋面與武宿立交樞紐其他部分連接平順，并維持原白＋黑橋面結構，基層采用水泥混凝土，面層采用瀝青混凝土，便于施工找平和設置防水層。在本次設計中，主線橋橋面鋪裝總厚度均采用目前的實際厚度，分別為19 cm和16 cm，主線橋橋面鋪裝構造為11 cmC45鋼纖維混凝土防水混凝土基層＋防水層＋8 cm瀝青混凝土面層。

3.7 支座更換與維修

根據2009年定期檢查報告，主線橋共計70個支座調坡抗震構件與墩帽擠死影響箱梁的自由伸縮，需予以切割分離。

3.8 混凝土表面涂裝

在對箱梁病害進行處置后，采用粘結力強、具有較好耐候、耐水、耐酸堿性能及良好施工性能的混凝土表面專用涂料對箱梁外露部位進行涂裝，對箱梁表面起到長期的保護作用，并同時達到裝飾美化效果。

4 其他

（1）為保證維修效果，并重新對橋面進行鋪裝，在橋梁維修施工期間封閉交通。

（2）施工前，應對照實橋和施工圖認真測量放樣，同時對病害進行復核。

（3）維修施工應采用本設計配合本橋原設計圖實施，如發現實際構造與原設計存在較大出入，應及時通知業主和設計單位。

（4）若維修施工期間發現新的病害，應及時通知業主和維修設計單位。

（5）本說明未盡事宜，應嚴格按照國家有關技術規范的要求進行施工。

（6）因橋梁病害情況復雜，在施工階段需根據實際情況加強動態設計，對病害進行根本性處治。

（7）雖然在加固設計時已考慮了活載超載，但從延長橋梁使用壽命、提高結構耐久性、確保運營安全等方面考慮，在未來的公路運營中，應加強對超載、超限車輛的管理力度，禁止超標車輛過橋，減小對橋梁的破壞。