某立交橋病害成因分析及處治設計

唐 賡，吳志隆，陳彥羽

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

為解決城市交通日益突顯的擁堵問題，立交橋被普遍應用于城市交通基礎設施中，而受城市建設用地限制，曲線梁橋在城市立交中的應用越來越普遍。由此，城市立交橋中曲線梁橋的病害也接踵而來。在曲線梁橋設計、施工過程中由于沒有充分考慮到曲線梁橋彎扭耦合這種特殊的受力特性和變形形式，特別是對彎扭耦合受力特性對梁體的不利影響以及預應力荷載、溫度梯度、系統溫差和混凝土收縮徐變對曲線梁橋的作用效應等認識不足[1]，加上交通量增長迅猛和超載情況時有發生，導致立交橋中曲線梁橋的病害日益凸顯。

本文依托廣西某立交橋維修加固工程，針對其主要結構部位病害情況進行深入分析，探討其產生的原因，在此基礎上對病害進行綜合處治設計，為同類型立交橋加固工程提供參考。

1 工程簡介

桂林市沙河立交橋位于桂林市象山區，緊鄰沙河金橋建材裝飾城，是環城西一路與環城南三路相接的一座城市立交橋。該橋為一座偏南北走向的普通鋼筋混凝土連續箱梁橋，橋梁全長514.392 m，共22跨。上部結構分為5聯，橋跨組合自北向南依次為(4×20)m+(23.156+24.968)m+(2×25+28.544+2×25)m+(20+4×25+20)m+(20+25+27.638+25+20)m。橋梁全寬18.0～38.931 m，平面圖見圖1。

圖1 沙河立交橋平面圖

2 病害情況

根據檢測報告[2]，桂林市沙河立交橋主要病害情況如下。

2.1 橋面系

立交橋的橋面瀝青鋪裝層已磨耗露骨，局部存在坑槽、網裂和少量裂縫。

伸縮縫止水帶多處被撕裂；伸縮縫存在縫寬過大、縫寬不均勻等現象(見圖2)；22#臺頂處伸縮縫抵死；伸縮縫內垃圾填塞，部分伸縮縫內植被滋生；兩處伸縮縫型鋼存在高差，且有跳車現象；伸縮縫錨固區混凝土有縱向裂縫。

圖2 沙河立交橋伸縮縫實測縫寬示意圖(mm)

防撞護欄存在多處混凝土缺陷病害(裂縫、銹脹露筋、刮擦破損)；護欄迎撞面尺寸不滿足現行規范要求。

2.2 上部結構

立交橋曲線梁段第2、3聯均存在橫向爬移現象，第2聯爬移最大數值為13 cm，第3聯爬移最大數值為16.8 cm。第5聯存在縱向爬移，縱向爬移最大數值為2.0 cm，見圖3。

箱梁底板普遍存在裂縫寬度未超過規范限值0.2 mm的橫向裂縫及U形裂縫，間距約0.2 m，貫穿底板；墩頂負彎矩區域梁頂翼緣板處存在裂縫寬度未超過規范限值0.2 mm的橫向裂縫；主梁腹板存在少量裂縫寬度未超過規范限值0.2 mm的斜向裂縫。

2.3 下部結構

該橋5-3#、8#、9#立柱傾斜嚴重，遠超過規范限值。外觀檢測中發現5-3#立柱、8#立柱、9#立柱(固定支座和縱向滑動支座處)在受拉區存在明顯的環向裂縫。根據垂直度測量數據分析推測5-3#墩樁身和9#墩樁身在現狀地面下方存在開裂病害。

5#墩和6#墩右側擋塊與梁體間開裂。

(a)第2聯梁體

3 橋梁結構病因分析

3.1 梁體爬移分析

從檢測報告[2]反映的情況來看(見表1)，該立交橋曲線梁體存在較嚴重的爬移現象，并由此引發橋梁病害。

表1 梁體爬移情況一覽表

由表1可見，立交橋上部結構爬移現象均發生在彎道曲線梁段處，病害特征符合曲線橋梁爬移病害的特點。曲線梁橋在汽車離心力、混凝土收縮徐變、溫度等作用下會使得曲線梁橋弧段半徑改變，圓心角不變，致使曲線梁橋產生徑向偏移。受支座摩阻系數和曲線梁橋結構自重的影響，曲線梁橋產生的徑向位移無法完全恢復，這樣周而復始導致曲線梁橋徑向位移不斷積累，造成曲線梁橋的橫向“爬移”。

3.2 支座破壞、墩柱偏位開裂分析

立交橋在溫度、混凝土收縮徐變、汽車離心力等作用下，梁體產生偏移，引起支座處產生水平支座反力及支座偏位。當支座水平反力過大超過支座水平力承載極限值則導致支座發生剪切破壞，支座失去原有調節功能，水平力傳至墩柱，墩柱偏心受壓傾斜偏位，墩柱剛度不足進而導致墩柱開裂。

3.3 梁體裂縫分析

根據檢測報告[2-3]，該橋主梁正、負彎矩區域均存在細微裂縫，第6#、18#跨梁端腹板存在斜向裂縫，目前最大裂縫寬度均未超限。因2015年檢測報告未提供詳細的裂縫數據，無法與2019年檢測報告數據進行對比分析，對裂縫的發展情況無法判斷。

對于鋼筋混凝土構件，從理論上來說是帶裂縫工作的，但裂縫最大寬度不能超過相關規范的限值0.20 mm，以保證混凝土結構在設計使用年限內的耐久性。根據2019年檢測報告，其結構抗力與作用效應之比為1.18，斜截面抗剪強度安全儲備稍稍偏少。

雖然裂縫未超過規范限值0.2 mm，但是削弱了截面特性，橋梁加固后開通運營，在有超載車輛通行的情況下，即使采用“壁可法”進行處理，也容易再次產生此類裂縫。

4 綜合處治設計[4]

4.1 梁體復位及限位

根據檢測報告的梁體爬移、伸縮縫實測縫寬等數據確定復位平移量，采用坐標控制，對沙河立交橋存在爬移的第2聯、第3聯、第5聯進行頂升復位設計：因支座位置空間受限，采用增設臨時鋼管支撐，通過三向千斤頂進行三維復位調整。實際施工復位時應對伸縮縫縫寬及兩聯間梁端偏移量進行復測，根據復測結果確定最終的復位數據。最終數據應達到各聯梁端對齊、梁端間隙均勻以及伸縮縫縫寬均衡的復位目標，見圖4。

圖4 復位后伸縮縫理論設計縫寬示意圖(mm)

梁體復位后，根據檢測報告反映爬移情況及梁體自由伸縮量考慮，對沙河立交橋存在爬移曲線梁段(第2聯、第3聯、第5聯)的橋墩及直線段(第1聯、第4聯)的橋墩處均增設限位擋塊：采用鋼板工廠預制成型后鍍鋅防腐，現場植埋化學錨栓錨固。擋塊內設置減震橡膠墊以起到緩沖作用，見圖5。

圖5 限位擋塊構造示意圖(cm)

4.2 更換支座

曲線梁橋梁體發生較大的橫向爬移，導致各墩頂上的橡膠支座出現不同程度的拉裂和剪切破壞，情況嚴重時甚至出現壓死現象。支座損壞會嚴重影響曲線梁橋的承載力，加大曲線梁橋橫向側移的病害。因此，對沙河立交橋第2、3、5聯橫向“爬移”導致損壞的支座進行更換，同時根據梁體溫度伸縮需要優化支座布置及類型選擇。

4.3 墩柱處治

由于曲線梁體發生較大的橫向爬移，支座失效卡死，繼而引發墩柱承受較大水平荷載，導致墩柱產生傾斜、開裂現象。墩柱產生傾斜、開裂后，情況嚴重時會導致墩柱承載能力無法滿足橋梁運營要求。根據檢測報告的病害情況及優化后支座布置及類型選擇，同時結合地形條件將曲線梁段的8#、9#、19#、20#墩改造為三支座薄壁墩，對5-2#、5-3#、5-4#(報告中編號)墩柱采取外包鋼套筒(套筒包至樁柱)灌注混凝土加固措施，提高其承載能力，鋼套筒采用鋼結構防腐涂裝。同時，在樁頂及墩柱頂處增設橫系梁，提高墩柱整體剛度，見圖6。

圖6 增設薄壁墩構造示意圖(cm)

5#墩和6#墩右側擋塊與梁體抵死開裂，梁體復位后采用鑿除原擋塊及開裂混凝土，重新澆筑混凝土后粘貼鋼板加強擋塊。

4.4 樁基處治

根據檢測報告[2]，本橋5-3#、5-4#、8#、9#、19#墩柱均存在明顯的環向裂縫，樁身可能存在開裂。加固前對5-3#、5-4#、8#、9#、19#墩柱樁基進行開挖檢測，對5-3#、5-4#墩柱樁基采用鋼套筒內灌注自密實混凝土的方法進行加固處理。結合8#、9#、19#墩改造為薄壁墩情況，8#、9#樁基增設錨筋樁及承臺，19#墩開挖至擴基底，加大原擴大基礎，擴基往上外包混凝土形成薄壁墩。

4.5 主梁加固

雖然裂縫未超過規范限值，但是削弱了截面特性，橋梁加固后開通運營，在有超載車輛通行的情況下，即使采用“壁可法”進行裂縫灌膠處理，也容易再次產生此類裂縫，而裂縫對橋梁耐久性影響較大。同時考慮現行《城市橋梁設計規范》城-A級與原橋設計采用的93版《城市橋梁設計準則》設計荷載城-A級相比，對車輛荷載的限值有了一定提高，為提供安全富余度而對主梁進行加固。結合沙河立交橋實際情況，從對原結構損傷、加固效果、施工條件及后期維護等綜合考慮，認為普通碳纖維布加固較為理想。沙河立交橋混凝土箱梁加固采用粘貼普通碳纖維布加固，即在梁底板及墩頂段腹板間隔粘貼20 cm寬碳纖維布并布置20 cm寬碳纖維布壓條進行加固，見圖6、圖7。

圖7 梁底粘貼碳纖維布示意圖(cm)

圖8 腹板粘貼碳纖維布示意圖(cm)

4.6 橋面系處治

沙河立交橋2009年建成至今橋面鋪裝未進行過更換。根據檢測報告，沙河立交橋的橋面瀝青鋪裝層已磨耗露骨，局部存在坑槽、網裂等病害。對此，根據檢測報告對橋面瀝青鋪裝進行全部更換：采用SBS改性瀝青防水粘結層+SMA-13改性瀝青瑪蹄脂碎石。橋面防水等級為1級，防水層使用年限為15年。

根據前文所述伸縮縫病害情況，為減少橋面跳車，提高行車舒適性，對伸縮縫進行更換處理。伸縮縫更換應在鑿除舊伸縮縫，鋪好橋面瀝青混凝土后再重新開鑿伸縮縫槽口，安裝新的伸縮縫裝置，最后澆筑伸縮縫錨固區混凝土。

根據《2019年桂林城市橋梁安全防護設施檢測報告》[5]，沙河立交橋混凝土防撞護欄迎撞面形狀不能滿足《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81-2017)要求，經與項目業主溝通后，確定對防撞護欄進行加高改造，對原混凝土護欄按SS級加高至1.10 m，再在其頂面設置鋼牛角固定鋼管加高至1.4 m。

4.7 其他局部病害處治措施

其他病害指各類構件的裂縫、蜂窩、麻面、孔洞、剝落、露筋等。

(1)對于寬度(寬度為處治之前的裂縫寬度，下同)≥0.15 mm的橋梁上、下構裂縫，采用壓力灌注法進行裂縫灌膠處理；對于寬度 <0.15 mm 的橋梁裂縫，采用裂縫表面封閉處理。

(2)對于混凝土出現的蜂窩、麻面、孔洞、剝落、露筋等缺陷的部位和露筋的區域，采用局部鑿除法，再用改性環氧樹脂砂漿進行修補。

(3)對支座鋼板銹蝕部分重新進行除銹防銹處理。

(4)對其他損壞的附屬設施進行維修處理。

5 結語

本文在對結構進行病害分析評估的基礎上，根據立交橋的病害成因，采取綜合的處治對策：對爬移箱梁進行頂升復位并增設限位裝置；根據結構變形優化支座設置；對墩柱進行加固補強；增強固定、單向支座墩柱整體受力性能；箱梁底板及腹板粘貼碳纖維布加固，提高承載能力；更換橋面鋪裝提高行車舒適性，減輕汽車沖擊影響。本文病害成因及綜合處治設計可為同類型立交橋維修加固提供參考。