橋梁下部結構病害檢測及加固措施分析

杜建華 吳嬌媚

(1.重慶中檢工程質量檢測有限公司 重慶 400002 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶 400002)

橋梁工程是事關國計民生的基礎建設,橋梁下部結構從簡單到復雜經過了長時間的發展變化。橋梁下部結構是指支承橋跨結構并將其荷載傳遞至地基的構造物,是橋梁墩臺和橋梁基礎的總稱,由支座、橋墩或橋臺和基礎等組成,是支撐橋梁的重要基礎。年代比較長久的橋梁工程,當時規劃荷載低、承載量小、橋面窄,而現在汽車數量增多,還會出現超載與超限情況,導致這類橋梁已無法滿足交通運輸要求,在持續運營中會出現各種病害,影響道路交通安全。如今橋梁改造,重點已放在舊橋維檢與加固改造層面。橋梁下方結構主要是傳送荷載,決定大橋結構是否處在相同高程與平面。下方結構受水流荷載、填土側荷載以及橫向風力等影響,在持續作用下會引起墩臺裂縫、沉降、偏移與傾斜等問題,從而影響大橋上方結構,威脅整個橋體安全。

1 橋梁下方結構存在的病害介紹

橋梁上方結構、下方結構和基礎之間彼此影響,下方結構問題一般受兩點因素影響,即外部因素和上方與基礎狀態的改變。不同種類、不同大小的病害,其成因也有區別,一些繁瑣的病害,一般是多種因素共同影響的結果。

1.1 墩臺裂縫

裂縫屬于橋墩病害中的普遍現象,橋墩會受上方荷載的作用。荷載作用形式不一樣,形成的裂縫類型也有區別,其具體裂縫形式有橫/豎向、斜向與網狀裂縫。橋墩形成豎向裂縫的具體原因是砼澆筑以后并未及時養護,其豎向承載如果超過墩臺承載水平就會形成豎向裂縫。橫向開裂主要是由于在接縫位置未處理好亦或者水平的外荷載影響導致的。若在墩臺局部形成了剪切應力,將會引起斜裂縫。若砼內部出現水化熱情況,而且外部溫度有了較大改變,就會導致墩臺產生不規則網狀開裂。

1.2 墩柱偏移

墩柱一般承載了橋梁工程的自重、車輛壓力、人群壓力等豎向荷載,如果墩柱出現了豎向偏移,墩柱不僅要承受豎向荷載也要受偏心荷載。但是,在墩柱規劃時通常只考量豎向軸力,受到偏移影響,墩柱的負擔將增大,若長時間處在這種狀態下會極大影響著橋梁穩固性與承載水平。引起墩柱偏移的成因較多,其中具體包含填土壓力太大、外部車輛、船只碰撞、地震等,另外,若施工期間無法嚴格控制操作行為,也會引起墩臺偏移。

1.3 蓋梁裂縫

蓋梁處在橋墩和支座當中,發揮著傳遞與支撐荷載的功能。蓋梁斜向裂縫一般是因為局部剪應力引起的;而豎向開裂不僅是因為墩臺基礎出現了不均勻下沉,而且是因為蓋梁的規劃荷載超過了早期設計值。

(1)砼掉落露筋

蓋梁處在伸縮縫和橋面銜接縫部位極易受橋面滲漏影響,簡支板大橋蓋梁位置漏水比例超過30%,干濕循環會導致蓋梁砼凍融損壞鋼筋銹脹,漏水引發蓋梁砼掉落、鋼筋銹蝕。

(2)防震擋塊擠壓斷裂

為控制梁體橫向移動,梁體支座兩邊都建立防震擋。因為施工尺寸不精準,尤其是梁板端橫隔板和防震擋板的可調范圍局限,使得吊梁過程將防震擋擠壓斷裂。當防震擋塊與梁間預設間隙不足時,車輛荷載影響下的部分橫向位移和變形也會擠壓損壞防震擋。

(3)蓋梁斷裂、露筋

伴隨重載交通量持續增多,當蓋梁承擔的豎向荷載大于規劃允許值時,蓋梁將出現裂紋,若蓋梁上面出現滲漏情況,水流流進縫隙后,會逐步加快裂縫擴散。當裂縫擴散至鋼筋時,因為有水,會導致鋼筋銹蝕,由此增大鋼筋結構,令鋼筋砼防護層漲裂,使砼掉落,引發露筋情況。

1.4 支座問題

支座處在上方結構與下方結構當中,一般發揮連接作用。如果支座產生問題既會影響上方結構,還將影響下方結構。支座形成病害的種類與成因見表1所示。當前橋梁大多選擇橡膠支座,其常見病害是:支座脫空、遺失、剪切變形太大、斷裂破裂與安裝不合理等。

表1 支座病害類別及成因

(1)支座脫空、遺失

支座脫空、遺失主要出現在板梁結構橋,因為每片板梁包含四個支座,想支座均衡受力就需要四個支座處于同個平面。支座脫空將導致臨近支座受力加大而縮短應用實現,而且還會使板梁出現扭轉情況,引起不利受力情況。相較于支座脫空,其丟失隱患更大。主要原因是:簡支板梁大橋的支座用量很多,需對每個板梁的四個支座高程精準測量才可以保障安裝到位,對施工精度標準較高。因為很難控制,施工時經常出現標高偏差,從而引起板梁橋支座結構脫空。

(2)剪切變形太大、開裂損壞

除傳送豎向壓力外,支座還依靠縱向變形與滑動來迎合溫度導致橋梁長度變動的作用。分析表明,有些橡膠支座于橫向也產生角度很大的剪切變化;也有支座橡膠斷裂損壞,鋼板裸露。支座變形太大代表其剪應力也會越大,長時間處在高應力環境下將大幅度縮減支座應用周期。病因是:粘結橡膠支座和支座墊塊的環氧數值漿液在吊裝上方結構時還沒有固結,或在對梁實施橫向糾偏、定位時導致支座出現位移與剪切變化。當剪切變化到規定要求時,鋼板和橡膠片分離,而老化作用慢慢使橡膠片斷裂引起鋼板裸露,由此支座已完全損壞,要立刻調換。

2 橋梁下方加固方法

橋梁下方墩臺病害主要是墩臺下沉與破損、墩臺基礎受到水流沖刷挖空、墩臺外表開裂,這些問題將影響橋梁下方墩臺承載力,所以只是加固橋梁上方結構遠遠不夠,必須穩固橋梁下方結構,進而增加橋梁承載力,常用的橋梁下方加固方法包括:擴大基礎加固方式、增設基樁加固方式與高壓灌漿法方式。

2.1 基礎部分加固

2.1.1 擴大基礎加固方式

當原橋體基礎是剛性基礎,并且墩臺路基土土質較好時,多選擇擴大基礎加固方式來穩固橋梁下方,頂部荷載作用于橋梁上方結構且傳送至橋體墩臺時,能依靠擴大基礎延展至路基土上,因為基礎和路基的接觸范圍擴大,因此橋梁承載力上升。但延展至路基土表面的荷載要低于路基持力層的承載水平,因此對路基士土質有較高要求。常用的擴大基礎加固模式有在墩臺附近增設砌石或是砼等途徑。

擴大基礎加固方式操作工序是:①選擇加固區,且在加固區附近建立拉伸鋼板樁圍護,而且圍護結構要有支撐結構。②借助泵機把圍堰中的水位下降到設計水位之下,且在基坑建造排水結構。③挖掘基坑到規劃標高,且挖掘時注意維護墩臺結構。④于墩臺兩邊鑿孔植筋以確保擴大基礎與墩臺充分銜接。⑤立模板并澆筑砼。采取擴大基礎來加固橋墩時,要按照《公路橋梁地基和基礎設計標準》(JTG 3363－－2019)要求,因為路基持力層承載性能決定擴大基礎范圍,展開強度驗算,但當路基土質比較松軟時,只需對擴大基礎實施強度驗算,還要做好下沉驗算。

2.1.2 增設樁基加固法

當選擇擴大基礎加固方式,承載力依舊不符合要求,或是加固后基礎出現不均勻下沉太大時,要在基礎底部安裝一些樁基,由此增大基礎持力,減少不均勻下沉。橋體墩臺所承載的壓力能依靠樁基傳送至樁間土與路基更深層位置持力層,通過借助鋼筋把樁基與承臺連接起來,進而提升基礎承載水平。

對橋體下方墩臺增加樁基時,通常采取摩擦型樁與柱樁兩類,橋梁上方的豎向荷載經過承臺傳送到樁基環節,基于樁側土和樁體間的摩擦被抵消了一些,剩余部分通過樁基下方的路基土承受,而樁基兩邊的極限摩擦力高低與樁側土層、成樁方法和入土深度相關,當滿足臨界深度后,不會再增大樁基兩邊的摩阻力,所以施工過程不能盲目增大樁長來提升橋體基礎承載性能。

2.1.3 高壓灌漿法

當橋墩路基土是淤泥土壤且淤泥層厚度較深時,如果盲目增加樁長既會浪費材料,還無法繼續增加樁基承載性能,能采取高壓灌漿法穩固多橋墩路基。高壓旋噴灌漿法即首先把含噴嘴的灌漿管鉆入指定標高,再旋轉提高灌漿管,且把固定規劃配比的泥漿噴射到土體中,土層中土質很差的土體在高壓漿液影響下被損壞,且伴隨灌漿管的提高被帶出,沒有帶出部分與泥漿結合在起來產生強度大與防滲好的固結體,進而增大路基土承載性能。

2.2 橋墩部分加固

(1)套箍緊固。若橋墩基礎埋深很淺或是質量管理不嚴均會引起墩臺裂縫,甚至產生貫通裂紋,這種情況下能采取鋼筋砼套箍加固方法。

(2)圍帶加固。若橋墩產生貫通裂紋但未受到嚴重損壞,則能在橋墩表面增加鋼筋砼圍帶實現加固,圍帶寬度能根據裂縫方向與寬度等決定。

(3)利用FRP加固。FRP即纖維增強塑料,能把FRP橫向或是豎向纏于橋墩表面。橫向的FRP可以更好約束核心砼,進而提高防剪強度與延性,豎向的FRP可以提高橋墩防彎性能。因為FRP具備質輕強度大、防腐蝕、便于施工與維護成本低等優點得到了有效使用。

2.3 橋臺部分加固

(1)降輕載荷法。針對軟基橋梁而言,橋臺由于受積水、填土高層很高、軟土塑性移動等影響而出現滑動。現有一種EPS板具備質輕、側向推擠影響小、總體性好等優勢,可以減小橋臺滑動力與下沉差。使用EPS板可以有效處理老橋橋臺推擠現象,減小橋臺前后因軟土塑性剪切貫通出現滑移的概率。

(2)輔助擋土墻固定法。針對軟基而言,后臺填土將引起很大的橋臺側壓力,極易引起橋臺朝河流方滑動。因此能在橋臺后增設擋土墻,依靠擋土墻承載填土壓力,以減小橋臺所遇到的水平滑動力,從而下降橋臺滑動病害的出現概率。

3 現有橋梁工程病害檢測要點

檢查現有橋梁結構問題的方法有外觀檢測與無損檢測,而外觀檢測一般是檢測橋梁幾何大小、砼老化信息及其橋梁墩臺和支座等關鍵結構的應用狀態,按照病害情況,初步分類大橋病害等級;大橋無損檢測主要指在損壞橋梁結構的前提下檢測橋梁砼結構強度、碳化深度、裂紋寬度及深度等,為了解橋梁結構應用狀態,也要對橋體結構展開荷載試驗。

3.1 外觀檢查

首先,檢測對墩臺局部外觀,檢查其是否有傾斜和滑動,墩臺背部填土是否存在擠壓下沉與錐坡是否存在坍塌等情況。其次,重點檢測水下墩身:墩臺有沒有產生鼓包、剝落、空鼓、裂縫等問題,整個墩體是否存在傾斜、變形和撞擊破壞等情況。最后,檢測橋梁墩身排水狀態,觀察墩身物料老化和橋墩以下位置的沖刷、侵蝕狀況。

3.2 荷載試驗

經荷載試驗能了解橋體結構內力與變形等指標,由此判定橋梁穩固性,由于動載試驗比較繁瑣,一般選擇靜載試驗測試橋體結構。橋體靜載試驗是針對橋梁下方結構某個薄弱點,直接測量其位移、應變與裂縫等數據,對比檢測出的物理力學數據和規定的容許值,進而判定橋梁下方結構承載性能與穩固性,橋體靜載試驗主要包含三步:

(1)確定監測點:按照橋梁建設情況和圖紙內容,初步查看橋梁外觀之后,采取有限元系統計算出橋梁下方結構薄弱位置,在橋梁病害與薄弱位置貼上應變片與位移計,并檢測調試。

(2)增加靜載、記錄信息:加載時,嚴格根據監測方案操作,分級分步增加,員工互相配合并仔細記錄監測結果,與有限元計算信息實時比較,防止出現突發事件,一直處于安全值范圍內增載,若產生數據異常要立刻停止加載。

(3)比較研究:篩選收集到的信息,并采用繪圖軟件客觀呈現監測結果,整理后按照標準對比檢測出的物理力學數據和規定的容許值,進而判定橋梁下方結構承載性與穩固性。

4 橋梁下方加固前后靜載測試結果

大橋下方結構的承載性能是關系橋梁總體穩固性的關鍵因素,若承載力不夠將危害橋梁安全,比較常用的橋梁下方加固辦法是擴大基礎法。測量到某大橋結構中除表面開裂和支座破損外,橋墩檢測時產生較大的不均勻下沉,選擇幾個典型斷面展開大橋基礎加固,且比較研究大橋加固前后的測量值和理論值。通過大橋加固前后靜載測試發現,加固前后大橋不同位置的擾度值(見圖1)。

由圖1得知,(1)試驗荷載影響下,各管控截面擾度測試值都比理論計量值要小,擾度校驗值小于1,且最高實測擾度低于L/600,橋體剛度符合設計需求。(2)試驗荷載影響下,各箱梁檢測截面腹板處擾度布局趨勢與理論計算相符,基本順高度表現為線性關系,表示箱梁截面應力布局符合平截面假設,在試驗荷載影響下處在線彈性狀態。(3)受試驗荷載影響,各檢測截面的重要測點擾度值都比理論值要小,應力校驗值低于1,橋體強度符合設計需求。(4)試驗增載前后,沒有發現結構砼部件出現明顯新增裂紋,結構防裂性合格。

圖1 加固前后大橋擾度值

結束語

大橋檢測和加固是一個系統工程,大量理論與技術指標均借鑒西方發達國家的成果經驗,但是因為橋梁技術標準存在區別,產生的病害也不一樣,有較大的地區差異性。所以,橋梁施工人員要有效結合理論知識和實際情況,經研究得出科學的橋梁下部結構檢測和加固手段,由此加快橋體檢測和加固方法的使用及發展。