桐梓壩大橋主橋病害分析與加固

田 野

(內江市交通建設工程質量監督站， 四川內江 641100)

截至2016年末,我國橋梁數量達80.53萬座，其中連續剛構橋占的比重較大。與同跨徑的懸索橋、斜拉橋相比，連續剛構橋具有施工簡便、造價低、維修量小、受力合理與行車舒適的特點，是目前橋梁建設中較為常用的橋梁結構型式之一。但由于設計理論的不完善、施工質量瑕疵以及運營過程中的養護與管理不到位等多方面因素，導致該類型橋梁存在較多病害，影響了結構的安全性、承載能力與耐久性。因此必須重視舊橋的維修加固，并采取針對性的維修加固措施，保證橋梁結構的運營能力、結構安全與穩定。現有的橋梁加固方法更多的用于上部結構的主梁加固，多為增加主梁的截面面積或在主梁上粘貼鋼板或纖維布。雖然在一定程度上能夠保證結構的承載能力或減緩病害的進一步發展，但并沒有改變結構的受力體系，當橋梁運營過程中，原有病害會再次顯現，導致加固費用的損失，因此有必要對具體的橋梁結構進行加固方法效果比較研究[1-3]。針對內江市桐梓壩大橋，進行典型病害類型、病害原因分析、加固效果評價與后期建議的主梁加固方案等方面進行研究，為該橋的后期維修加固提供新思路與加固建議，并為同類型的大橋加固工程提供參考。

1 工程實例概況

桐梓壩大橋于2003年建成通車，位于四川省內江市東桐路，跨越沱江，市中區側方向引橋為2跨部分預應力混凝土現澆異形板梁，主橋為預應力混凝土雙薄壁墩連續剛構梁，東興區方向引橋為8跨鋼筋混凝土連續箱梁橋，該橋由左、右兩幅獨立的橋梁組合而成。橋梁全長454.11 m，主橋總寬33 m，橋面布置為：3.5 m(護欄及人行道)+12 m(行車道)+2 m(中央分隔帶)+12 m(行車道)+3.5 m(人行道及護欄)。桐梓壩大橋主橋立面布置見圖1，平面布置見圖2。

圖1 桐梓壩大橋主橋立面布置(單位：cm)

圖2 桐梓壩大橋主橋平面布置(單位：cm)

橋梁主橋上部結構為(70+126+70) m預應力混凝土雙薄壁墩連續剛構梁橋。連續剛構梁體為單箱單室變截面箱梁體結構，支墩處梁高7.0 m，跨中及邊跨梁端處高2.8 m，梁體下緣除中跨跨中部10 m梁段和邊跨端部11.87 m梁段為等高直線段外，其余為拋物線。薄壁墩處箱梁構造見圖3，跨中斷面箱梁構造見圖4。

圖3 薄壁墩處箱梁構造(單位：cm)

圖4 跨中斷面箱梁構造(單位：cm)

本橋在2014年檢測時，連續剛構中跨梁體跨中位置下撓，且連續剛構梁體內部出現較多結構型裂縫，問題較為嚴重。故在檢測后，對本橋主橋上箱梁進行了維修加固設計及施工。

2 主梁典型病害、成因與修固方法

2014年初，對該橋進行了橋體結構檢測，發現主橋主梁(箱梁)存在主要典型病害。

2.1 箱梁的典型病害

左、右幅橋的中跨跨中梁體有明顯的下撓，其中上游幅橋最大下撓值為11.1 cm，下游幅橋最大下撓值為11.04 cm。在主橋中跨1/4截面及邊跨跨中截面附近，箱梁腹板內表面出現了斜向裂縫，大致與頂板呈20°～60°夾角的(斜裂縫均傾向支點)。每幅橋的邊跨現澆段及中跨跨中截面附近箱梁頂板內表面產生了縱向裂縫與橫向裂縫(圖5)。兩幅橋的箱梁內頂面齒板(預應力構件上)出現了較為明顯的豎向裂縫。箱梁表面有少量小面積的網裂區、空洞露筋區、混凝土剝落露筋銹蝕區(圖6)。

圖5 箱梁頂板內表面縱向裂縫

圖6 混凝土破損露筋

2.2 箱梁的典型病害成因及修固方法[4-5]

箱梁的大量開裂導致橋梁結構豎向抗彎能力明顯降低，從而致使結構剛度持續發生變化，主梁跨中截面出現下撓現象。

箱梁開裂成因分析：

(1)腹板內表面斜向開裂原因是該類裂縫是由于主拉應力過大造成的，梁體豎向(縱向)預應力有效性降低會引起主梁承受的拉應力大于混凝土容許拉應力。

(2)頂板內表面縱向開裂原因主要是懸澆箱梁分節段施工過程中前、后階段收縮、徐變不協調造成的，同時本橋箱梁頂板縱向預應力平彎設置不合理以及施工不規范等也可能引起頂板縱向開裂，由于該病害不影響結構安全使用，故不進行加固處治。但考慮到結構耐久性對其進行封閉灌漿處理。

(3)頂板內表面橫向開裂的現象是裂縫分布無明顯規律，且多處于箱梁受壓位置，故判斷為非受力裂縫，主要是由于混凝土收縮徐變、溫度作用所致，對其封閉灌漿處理即可。

(4)頂面齒板豎向裂縫主要是張拉曲線預應力鋼束，產生的橫向力造成，由于目前裂縫已經穩定，不會繼續開裂，故對其進行封閉灌漿處理。

(5)根據該橋竣工圖及監控資料，該橋未設置預拱度及施工階段的預拋高也是造成主梁非正常下撓的主要原因。

(6)箱梁出現空洞露筋、混凝土剝落露筋銹蝕的主要原因是施工過程中，施工質量控制不嚴格，未按照施工規范進行施工。維修加固方法為先鑿除其周圍松散的混凝土，對銹蝕的鋼筋進行除銹、防銹處理后，再用高強度環氧砂漿進行修補，以提高梁體的耐久性。對箱梁寬度大于0.15 mm的裂縫進行灌漿處理，對寬度小于0.15 mm的裂縫及網裂區進行封閉處理。在箱梁腹板的中跨1/4截面、邊跨跨中截面的一定范圍內增設體外預應力碳纖維板(圖7)。

圖7 箱梁腹板處粘貼的預應力碳纖維板

3 箱梁加固后效果評價

3.1 箱梁裂縫注漿效果評價

該橋在主梁(箱梁)維修加固完成后，根據參考文獻[6]，在箱梁裂縫處采用取芯法對注漿效果進行檢驗，芯樣檢驗采用劈裂抗拉強度試驗測定方法，檢測結果為：1#芯樣發生在界面上的破壞長度為88.00 mm，破壞面積為88.00×55.01=4 840.9 mm2，占總劈裂面面積的88 %；2#芯樣發生在界面上的破壞長度為100.01 mm，破壞面積為100.01×55.00=5 500.6 mm2，占總劈裂面面積的100 %。兩處芯樣發生在界面上的破壞面積大于破壞面總面積的15 %，不符合規范標準。1#和2#芯樣灌膠和修補表面裂縫見圖8，2#芯樣混凝土內未能灌滿膠的裂縫見圖9。

圖8 1#和2#芯樣灌膠和修補表面裂縫

圖9 2#芯樣混凝土內未能灌滿膠的裂縫

該橋主梁由于箱體裂縫產生了下撓，但目前裂縫已經穩定，不會繼續開裂，故對其進行封閉灌漿處理。雖然采用取芯法對注漿效果進行檢驗，檢驗結果不符合規范標準，但鑒于桐梓壩大橋箱梁裂縫病害不影響結構安全使用，裂縫處理的意圖是延長結構耐久性，設計單位并沒有對裂縫界面飽滿程度進行要求，而是將裂縫“封閉膠表面平整、無脫落、開裂”作為是否達到設計要求的檢驗標準。

3.2 箱梁裂縫發展狀況評價

2016年6月，對2014年加固后的桐梓壩大橋進行定期檢查，結果是上次箱梁加固后的位置沒有產生新的裂縫，且裂縫能夠保持穩定，表明該橋加固后與加固前相比，箱梁裂縫的發展速度減少，已經采取維修加固措施的裂縫沒有進一步發展。同時通過對該橋左、右幅第4跨(即中跨)線形進行測量，與2014年實測線形進行對比，線形擬合較好，橋梁進行加固維修后，無進一步下撓趨勢。根據參考文獻[7]，桐梓壩大橋Dr值為88.6分，全橋技術狀況最終評定為“2類”，即“較好狀態”，但在檢查中發現箱梁新產生了裂縫5條，最大寬度0.08 mm；網裂兩處，S=3 m2，說明橋梁結構的承載能力與耐久性仍然在下降。

通過桐梓壩大橋定期檢查結果表明暫時的維修加固或者耐久性修補措施具有一定的降低病害、保證橋梁承載能力的效果，但從長期的橋梁結構運營方面來說，封閉灌漿、表面裂縫修補及增設體外預應力碳纖維板并沒有改變連續剛構橋的受力特性，箱梁的病害可能會隨著運營時間的增長、耐久性的下降變得更加嚴重，因此有必要提前探討主梁的加固方式，提高橋梁結構的耐久性，維持橋梁結構安全性。

4 主梁加固方案優選

4.1 板—拱結構加固方案

現有的橋梁主梁的加固方法[8-9]，多為在主梁上粘貼鋼板。雖能增加結構的承載能力，減緩病害的發展，但并沒有改變結構的受力體系，當橋梁運營過程中，原有病害會再次顯現，因此有必要對具體的橋梁結構進行不同的加固方法效果比較。

如圖10所示，為簡支梁與板—拱結構共同受力圖。圖10(a)雖然與連續剛構橋受力有區別，但在跨中，簡支梁與連續剛構均為梁體底面受拉，而連續剛構橋箱梁底面受拉是結構產生下撓的主要原因，因此以簡支梁代替連續剛構橋進行研究，具有可行性。

(a)簡支梁

(b) 板—拱組合結構圖10 簡支梁與板—拱結構共同受力(單位:m)

4.2 結構有限元模型

運用ABAQUS有限元軟件建立橋梁原結構與板—拱加固后結構的有限元模型，其中板拱結構的標高與尺寸如圖10(b)所示。如圖11所示，為原結構與板—拱結構梁體受力圖。

由圖10可得，與原結構相比，板—拱加固后的梁體內部應力、位移均較原結構減少約一個數量級；而改造后的結構梁端支座反力有所增加，最大豎向力位置位于拱結構梁端拱腳處，最大豎向力大約為原結構的1.53倍。這表明板—拱結構加固橋梁方案能減小梁體跨中撓度，但新增加的拱結構會增加墩柱底部或下部基礎的豎向力，加固時應采取墩柱底部或下部基礎的保護措施。

5 結 論

以內江市桐梓壩連續剛構橋為研究對象，對主橋典型病害類型、病害原因、加固效果與加固改造建議進行分析與探討，得到的結論如下：

(1)連續剛構橋主橋的典型病害主要為上、下游幅橋均出現下撓，并伴隨有斜向裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫與豎向裂縫。箱梁表面出現網裂區、空洞露筋區與混凝土剝落露筋銹蝕區。

(2)對腹板內表面斜向開裂、頂板內表面縱向開裂與橫向開裂、頂面齒板豎向裂縫與箱梁內出現的空洞露筋、混凝土剝落露筋銹蝕等病害成因進行分析，并進行了維修加固處理。

(3)通過對該連續剛構橋進行維修加固與耐久性修補措施，橋梁病害能夠維持穩定，保證了橋梁結構的承載能力。

(4)分析板—拱加固后的有限元模型，板—拱加固后的梁體內部應力、位移均較原結構小，但最大豎向力增加。新增加的拱結構增加了墩柱底部或下部基礎的豎向力，采取該加固方案時應對墩柱底部或下部基礎進行保護與承載能力驗算。

(a)原結構梁體全截面應力

(b)板—拱結構梁體全截面應力

(c)原結構梁體豎向位移

(e)原結構梁體支座反力

(f)板—拱結構梁體支座反力

[1] 程紹俊,高榮雄,肖溢華,等.U型橋臺常見病害機理與加固技術研究[J].土木工程與管理學報,2014(4):22-28.

[2] 程紹俊,高榮雄,周文瑋,等.板-拱組合作用加固簡支板結構研究[J].工程抗震與加固改造,2015,37(3):66-72.

[3] 周泳濤,鮑衛剛,劉延芳,等.橋梁加固工程關鍵技術研究[J].橋梁建設,2010(6):49-52.

[4] 李進洲,余志武,宋力,等.長益高速公路橋梁病害調查及加固措施[J].世界橋梁,2010(4):75-78.

[5] 廖衛東,王蒂,許漢錚,等.武黃高速公路橋梁病害特征及加固方法分析[J].武漢理工大學學報,2003,25(12):9-12.

[6] JTG/T J23-2008 公路橋梁加固施工技術規范[S].

[7] JTG/T H21-2011 公路橋梁技術狀況評定標準[S].

[8] 王技,鐘海輝.軟土地基橋梁病害成因分析及加固技術研究[J].筑路機械與施工機械化,2014,31(12):90-93.

[9] 尹成斐.重載鐵路小跨度橋梁病害綜合整治加固技術研究[J].鐵道標準設計,2017,61(4):83-87.