某互通匝道橋病害原因分析及加固措施

朱自明

(深圳市市政設計研究院有限公司 廣東深圳 518029)

0 引言

與直線橋梁相比，彎橋對地形、地貌的適應性更強，但在彎橋的固有曲率影響下，基于荷載作用將產生彎矩耦合。彎橋在橋梁的內力、變形計算上相較直橋計算更為復雜。在實際工程中已建成的彎橋出現了如主梁側翻、支座脫空、梁體裂縫、橋墩裂縫、橋臺裂縫等病害問題，嚴重影響橋梁的正常工作。若不及時對相關病害進行加固與維修，則可能導致安全事故產生，造成巨大的經濟損失。故，對彎橋病害相應的加固與維修的研究工作十分必要。本文就某互通匝道彎橋存在的病害進行分析，并介紹其加固措施。

1 工程概況

某互通匝道橋位于半徑為55m彎道內，縱坡為3.281%。該橋上部結構為 18m+4×20m+18.0m現澆預應力混凝土連續空心板梁，下部結構中橋墩為柱式墩(單柱或雙柱)、鉆孔灌注樁基礎；橋臺為肋式臺、鉆孔灌注樁基礎，橋梁全長119.0m。該匝道橋的橫斷面為8.0m(行車道)+2×0.5m(防撞護欄)，橋梁采用球型支座，支座布設情況如圖1所示。

圖1 橋梁支座布置示意圖

1.1 病害情況介紹

該匝道橋梁體的裂縫，主要包括底板縱向、斜向裂縫，腹板豎向和斜向裂縫。檢查發現，縱向裂縫31條，總長85.8m，主要分布在第2-6跨空心板梁梁底；斜向裂縫 25 條，總長 18.1m，主要分布在第1跨空心板梁底；豎向裂縫1條，總長1m，主要分布在第3跨距3號墩8.5m處空心板梁左側腹板。板底裂縫如圖2(a)所示。第6跨腹板發現1條斜向裂縫，縫長0.5m。第6跨腹板斜裂縫如圖2(b)所示。

觀察墩身豎直度發現，墩身順橋向偏移量最大的是6-1 號墩身，豎直度為0.22 %。墩身橫橋向偏移量最大的是 4 號墩，豎直度為 0.27%，其墩身橫橋向和順橋向豎直度均滿足規范值0.3%；支座有橫向滑移現象，除 3 號墩上固定支座外，其它支座都有橫向滑移現象，滑移最嚴重的為 6 號墩上支座，滑移量達 7.0cm，且支座滑移量不斷增加；伸縮縫處 0 號臺上的 2 號支座(內側)和 6 號墩上 2 號支座(內側)出現脫空現象，伸縮縫出現上下錯位現象。支座主要病害照片如圖3所示。

(a)板底裂縫(b)第6跨腹板裂縫圖2 空心板裂縫照片

圖3 支座病害照片

該匝道橋抽檢的梁體和墩柱的實測混凝土強度都能滿足設計強度要求，僅發現第 3 跨腹板不能滿足設計強度要求，主要原因是該腹板在施工澆筑過程中質量控制不好，導致在澆筑過后于腹板表面重新粉刷了一層水泥漿。此次檢查四跨中抽檢底板厚度不滿足要求的6個，占總數的50%。其中不滿足的都為底板厚度偏薄。

1.2 病害原因分析

根據文獻[1]中曲率半徑對彎橋“彎扭耦合”效應影響的參數分析可知，本文分析的匝道彎橋曲率半徑R=55m，小于90m，“彎扭耦合”效應對支座反力的影響顯著，因此，采用MIDAS(2011)軟件計算支座反力。橋梁現狀各支座最小支反力情況如下：1#、2#、4#、5#支座處最小支反力相差不大，均為3100kN左右，而0#、3#、6#處的內外側支座兩者間反力相差較大，3#支座處最為明顯，兩支座間的反力相差近1200kN。

橋梁現狀各支座最大支反力情況如下：1#、2#、4#、5#支座處最大支反力相差不大，均為4100kN左右，而0#、3#、6#處的內外側支座兩者間反力相差較大，3#支座處最為明顯，兩支座間的反力相差近1000kN。

根據MIDAS(2011)計算結果，雙支座布置的3個墩臺中3#、6#墩曲線內側支座均出現負反力，即出現支座脫空現象。通過對結構的驗算可知，目前此匝道彎梁內側支座脫空的主要原因，是空間預應力索、非均勻溫差、徐變等因素的彎扭耦合作用引起的翹曲[2]。

梁體裂縫復查得到裂縫修補后并無繼續延伸現象。橋梁實測混凝土強度基本滿足設計強度要求，僅第 3 跨腹板不足。混凝土保護層厚度對結構鋼筋耐久性有一定的不利影響，主要是底板保護層厚度偏薄。梁底底板厚度檢查不合格率占總數50%。均為底板偏薄。墩身周圍無外界荷載影響，且墩身豎直度均滿足規范值。

由此可見，該匝道橋最大的病害是梁體整體跑位，特別是出現伸縮縫處 0號臺上的 2 號支座和 6 號墩上 2 號支座出現脫空現象，導致梁體的受力情況整體發生改變；同時，由于支座滑移量在繼續發展，因此需對橋梁跑位現象采取維修加固處理。出現這種現象的原因主要有以下兩點：

(1)彎橋建成后主要受“彎、扭”耦合效應，彎梁截面內將產生較大的扭矩。梁腹部在彎矩剪應力和扭矩剪應力作用下會出現外梁超載、內梁卸載的現象。由于彎梁的特性，恒載會產生向外側翻轉的扭矩[3]。同時，由于內外梁跨徑的不同，將導致內外梁受力不均[4]。

(2)彎橋在彎扭作用下將產生較大的扭轉變形，主梁內側豎向撓度小于外側；在梁體端部截面上或將出現翹曲現象[5]。

2 加固措施

2.1 加固方案

根據以上分析，提出該匝道橋的加固方案為： 0#臺處內側腹板設置拉桿、6#墩曲線外側支座外移1.025m、橋面原左側行車道、右側緊急停車帶改成右側行車、左側緊急停車帶。

首先，對0#臺設置拉桿、6#墩內側支座調整、行車道右側行走的加固措施是否可行進行分析計算，并與原橋進行對比。0#臺未設拉桿時，按原行車方式組合最小反力為-71.2kN，會出現支座脫空的情況，改為右側行車后組合最小反力為244.4kN，不再出現支座最小反力為拉力的情況，可見改變行車方式可以有效解決原行車方式所產生的支座脫空的問題[6]。0#臺設置拉力為400kN的拉桿后，按原行車方式所產生的組合最小反力為250.3kN，支座不再出現脫空現象。在設置拉桿的基礎上將行車方式改為右側行車，組合最小反力為565.9kN，有效改善了0#臺的性能。3#、6#墩按原行車方式組合時，均會出現支座脫空現象，其中，3#墩組合最小反力為-274.2kN，6#墩組合最小反力為-342.0kn，支座最小反力均為拉力。將行車方式改為右側行車后，對應支座的組合最小反力均未出現拉力，其中，3#墩為231.8kN，6#墩為59kN。對6#墩采用加固措施后，其組合最小反力有明顯提升，按原行車方式為120.2kN，按右側行車為447.0kN，效果明顯。

彎橋成橋后引起曲線內側支座脫空的主要因素是，梁截面豎向梯度升溫和汽車偏載；橫向不同支座間距這兩個因素影響的作用也不同[7]；如6#墩加固前后支座間距分別為3.25m和4.275m，截面豎向梯度升溫對內側支座產生的支反力分別為-203kN 和-121kN，按原行車道行駛，汽車偏載對內側支座產生的支反力分別為-483kN 和-345.8kN。將行車道改至右側(汽車在本橋的曲線內側行駛)、左側改成緊急停車帶，汽車偏載引起曲線內側支座負反力大大減少，如0#臺由-375.2kN 減少到-59.6kN，3#墩由-627.2kN減少到-121.2kN，6#墩加固后由-345.8kN減少到-19kN。

2.2 施工工藝

施工時，先拆除橋面鋪裝、護欄、空心板砼，接著開始植筋，對新舊混凝土交界面鑿毛，然后澆筑空心板混凝土、橋面鋪裝、護欄。之后，分別建立頂升平臺、搭設空心板頂升支架、安裝臨時支撐設施；頂升 6#過渡墩主線橋，頂升高度不得大于 5mm，按設計要求拆除 6#墩頂混凝土，施工蓋梁；落梁后，再對空心板上部結構裂縫進行處理。

2.2.1混凝土植筋工藝要點

用鋼筋探測儀檢查植筋部位的原混凝土鋼筋位置，以確定鉆孔位置。接著，按規定的鉆孔直徑垂直于植筋結構平面鉆孔，標尺設定為成孔深度。若遇到鋼筋時，必須清孔。清孔后，清掃并用氣筒吹出孔內灰渣，直至孔內清潔干燥為止，再將注膠混合管插入孔底，從孔底向外注入粘結劑，注滿孔洞的2/3，保證植筋后飽滿。

最后，將準備好的鋼筋旋轉著緩慢插入孔底，按照固化時間表規定時間進行安裝，使錨固劑能均勻地附著在鋼筋的表面及縫隙中，待其固化后再進行綁扎鋼筋及其它各項工作。

2.2.2新老混凝土結合面施工要點

為了使老混凝土表面的粗、細骨料都外露，形成凸凹不平的表面，確保新老混凝土表面的處理質量，進行新、老混凝土表面處理施工時，采用高壓水射法、電動鋼絲刷或人工鑿毛法。但對于采用人工鑿毛法處理新老混凝土表面時，必須嚴格控制處理質量。

舊混凝土的鑿除界面，全部露出本體混凝土(即去除硬化的表面層)，粗骨料要求露出 50%，同時表面凸凹不平度不小于 6mm。

在結合面混凝土澆筑施工前，結合面至少不間斷地澆水 3h～6 h，然后蓋上濕麻袋，直至老混凝土及粘結面上無明水，保濕 12h～24h，再澆筑新混凝土。

2.2.3空心板臨時頂升施工工藝要點

頂升主梁時，精心施工，要求每個千斤頂的頂升速度均勻，同步提升主梁。頂升時，在空心板橫梁處底面與千斤頂間設置鋼梁，并在臨時支撐上用鋼板填充頂升間隙，隨頂隨墊，以防止千斤頂因意外事故突然失靈而造成事故。頂升到位后，進行臨時支墊，支墊要求牢固可靠，支墊過程不可放松千斤頂。支墊完成取出舊支座后，在安放新支座前，先將支座位置定位，以確保支座位置準確。支座上鋼板與支座墊平塊之間采用粘鋼膠粘結固定，安放支座，對支座鋼板涂防銹漆防護。支座安放完畢，先將梁底臨時支撐解除，然后按起頂的逆順序下落梁體就位。

2.2.4裂縫封閉灌漿工藝要點

對于裂縫寬度<0.15mm的裂縫，采用聚合物水泥表面封閉法(聚合物水泥是在加固專用的改性環氧漿液配出后加入50g 525#水泥攪拌均勻而成)，封閉后要考慮梁體表面的美觀[8]。

對于裂縫寬度>0.15mm的裂縫，采用灌注混凝土裂縫修補膠液封閉裂縫法，將裂縫修補膠漿液壓注入結構物內部裂縫中去，以達到封閉裂縫、恢復并提高結構耐久性和抗滲性的目的，使混凝土構件恢復整體性。

3 結語

以某互通匝道橋的病害為工程背景，首先對其病害進行詳細調查，分析表明該橋出現病害主要是由于原設計的橋梁總體布置不夠合理，在此基礎上提出改變行車道位置并增設拉桿等關鍵加固措施，并對加固的施工工藝進行詳細介紹。

通過理論分析可得到如下結論：彎橋溫度變形較大，對支座的適應變形要求高，設計中應選擇合理的支撐體系；通過預設偏心、增大支座橫向距離等措施，可以減少內外側支撐反力之差；針對彎橋向外側偏移的特點，在設計過程中應考慮采取措施，如改變行車道流向予以改善等。此橋經修復后運行狀況良好，可對今后類似的橋梁加固工程具有一定的參考價值。