道路橋梁工程結構的病害與加固技術

黃福德

摘要：道路橋梁工程建設與我國經濟、城市、交通的發展存在密切聯系，道路橋梁工程結構是否穩定關系整個道路橋梁工程的質量。文章以武宣經合山至忻城高速公路中的1座特大橋為例，針對道路橋梁工程結構的常見病害展開分析。通過介紹該座橋梁結構現狀，分析道路橋梁工程結構中存在的主跨跨中下撓過大、箱梁部位開裂、主墩墩身表面開裂、橋臺護坡砌護出現寬裂縫等病害問題，提出利用體外預應力加固技術、灌漿法等多種加固處理技術對橋梁進行加固，經加固效果驗證，所采用的技術有效。

關鍵詞：道路橋梁病害；加固技術；工程結構

中圖分類號：U4? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0053-04

0 引言

近年來，隨著我國社會經濟快速發展及科研開發能力日益提高，國內的橋梁施工技術已躋身國際先進行列，新技術、新工藝、新裝備層出不窮，填補了傳統道路橋梁施工技術的缺陷，為今后橋梁施工創造了良好環境。然而，在實際道路橋梁工程中，特別是在道路橋梁改建工程中，仍存在對現有橋梁工程結構防護認識不足等問題，導致大多數道路橋梁工程結構處于“病害”狀態。如何克服橋梁工程結構先天不足的問題，消除橋梁使用過程中產生的多種病害，確保橋梁長期安全、高效、穩固運行，是現階段道路橋梁工程施工隊伍的首要任務。本文以武宣經合山至忻城高速公路中的1座特大橋為例，開展道路橋梁工程結構病害及加固技術研究。

1 工程概況

1.1 工程所處地區及橋梁簡介

武宣經合山至忻城高速公路三分部路基主線為K56+980～K70+670，路基全長為13.69 km，主要位于來賓市興賓區良塘鄉及橋鞏鎮境內。該道路橋梁工程主線包括1座特大橋、2座大橋、1座中橋、1座互通匝道橋、2座立交橋，共計7座橋體。

本文選取該工程中的1座特大橋為研究案例，該橋梁結構參數詳見表1。

1.2 特大橋橋梁結構病害現狀

研究人員針對特大橋梁展開檢測，根據檢測結果，此座大橋橋梁結構病害情況具體如下。

（1）該橋投入使用4年間，主跨跨中存在的殘留預拱度明顯不足。

（2）橋面采用混凝土鋪裝，4年間橋面不平整現象愈發嚴重，橋面部分橋段出現裂縫。在該橋建設過程中，為預防車輛在橋面行駛中出現打滑現象，橋面曾鋪設一層防滑層，現階段該橋面防滑層已脫落。

（3）橋箱梁底板底面出現縱向裂縫，裂縫呈現對稱分布，裂縫與箱梁中線的距離為16～24 cm。

（4）橋箱梁頂板底面出現縱向裂縫，并且裂縫為中線附近，裂縫較寬，裂縫與箱梁中線的距離為17～32 cm。

（5）橋箱梁腹部底板位置存在裂縫，裂縫呈現斜向走向，裂縫與底板之間存在30°～40°夾角，裂縫之間的距離為28～42 cm。

（6）隔板、墩身等均存在細小裂縫，同時橋臺護坡砌護存在很多寬裂縫，橋梁裸露表面結構存在細小裂縫。

2 道路橋梁工程結構病害產生原因分析

研究人員針對該橋橋梁結構，模擬實際施工環境，對工程結構病害產生原因展開分析，計算過程中涉及大量參數，參數計算結果詳見表2。

2.1 主跨跨中下撓過大

此座特大橋的設計大多采用直線索，未使用下彎索，這種設計方案無法有效抑制主梁下撓，相比直線索，設置下彎索更能有效抑制主梁下撓情況的發生。根據分析計算，該橋在今后幾年的使用中，主跨跨中下撓現象會持續加重。研究人員采用超聲回彈法推定該橋的混凝土結構強度，測算結果為40～50 MPa，而大橋的混凝土強度設計要求達到50 MPa，由此可見，混凝土強度不夠是造成該橋主跨跨中下撓過大這一病害的主要原因。此外，該特大橋為交通要道，受到超重車輛的影響，真實使用負荷遠遠大于設計的承載量，這也是造成大橋主跨跨中下撓的原因之一［1］。

2.2 箱梁底板底面開裂

該橋箱梁底板底面出現縱向裂縫，并且裂縫呈現對稱分布，裂縫與箱梁中線的距離為16～24 cm。利用荷載有效分布寬度算法計算底板荷載效應，計算結果顯示：箱梁底板在恒載、活載、徑向力三者共同作用下，裂縫寬度應為0.15 mm，充分考慮箱梁受到的溫度差、混凝土強度等外界因素的影響，箱梁底板底面的裂縫寬度應在0.20 mm左右。在實際測量中，該橋箱梁底板底面的開裂寬度為0.20 mm。因此，底板底面存在的縱向裂縫可判斷為橋梁工程結構中的受力裂縫，也是橋梁結構的病害之一［2］。

2.3 箱梁內部頂板底面開裂

該橋箱梁頂板底面出現的縱向裂縫位于中線附近，裂縫較寬，裂縫與箱梁中線的距離為17～32 cm。利用荷載有效分布寬度算法計算底板荷載效應，如果僅考慮恒載、汽車荷載兩種因素，箱梁頂板下緣所能承受的最小壓力為2.24 MPa，若將包括溫度在內的多種外界因素考慮進去，箱梁頂板下緣所能承受的最大壓力為-1.24 MPa，具體見圖1。頂板在受力過程中會受到溫度影響，若在此條件下增加負載，箱梁頂板底面必然會出現開裂現象。由此可知，箱梁內部頂板存在的縱向裂縫為橋梁工程結構中的受力裂縫，也屬于橋梁結構病害。

2.4 箱梁腹板斜向開裂

該橋箱梁腹部底板位置存在的裂縫呈斜向走向，裂縫與底板間存在30°～40°夾角，裂縫之間的距離為28～42 cm。腹板厚度為50 cm，按照100%豎向預應力、50%豎向預應力、30%豎向預應力、0%豎向預應力計算作用效率，結果見表3。

腹板厚度為50 cm所產生的裂縫較為集中，箱梁梁高較低，豎向預應力無法發揮正常作用。根據該橋實際施工及質量情況，該橋在設計中僅考慮了50%豎向預應力和30%豎向預應力條件下的有效性。該橋在實際使用過程中主拉力可能存在嚴重超限問題，并且該橋設計未使用下彎索，無法發揮主拉應力的真正作用。由此可推斷，該橋箱梁腹板斜向存在開裂現象有可能是主拉力引起。

2.5 箱梁中橫隔板開裂

此例特大橋共設橫隔板7道，包括3道中跨、每側各2道邊跨。橫隔板、頂板連接部位存在多條豎向裂縫，裂縫呈現中心對稱分布，其中靠近箱梁中線位置存在一條直線豎向裂縫延伸至頂板部位；橫隔板和腹板部位存在多條斜向裂縫，斜角約為40°，裂縫寬度最大為0.31 mm，超出了該橋設計的規范限制。研究人員推斷此類裂縫產生的原因可能是車道超負荷［3］。

2.6 主墩墩身表面開裂

大橋主墩墩體部位，尤其是接近承臺的部位存在多條豎向裂縫，原因主要是在大橋施工過程中先對承臺進行澆筑，部分混凝土在主墩墩體澆筑之前就已經完成收縮，后續墩體澆筑過程中混凝土收縮大于已完成澆筑的承臺，此現象會對墩身澆筑產生嚴重的約束作用，致使墩體接近承臺部位產生多條豎向裂縫。

2.7 橋臺護坡砌護寬裂縫

大橋橋臺護坡砌護存在許多寬裂縫，橋梁裸露的表面結構存在細小裂縫。經推斷，此種病害產生的原因如下：一是橋臺前側在填土施工時并未填補密實，致使橋臺護坡出現沉降現象；二是大橋橋臺施工完成時正處于深秋季節，在完成砌筑后未對橋臺進行保溫養護工作；三是大橋所處地區降雨較多，致使承臺裸露部分表面出現多條細小裂縫，嚴重影響大橋的正常使用。

3 道路橋梁工程結構加固技術

在明確此例特大橋工程結構存在的病害及引起各類病害的主要原因后，為提升該橋使用壽命，研究人員確定了大橋工程結構的加固目的，提出相應的加固措施。

3.1 加固目的

（1）通過橋面鋪裝等加固處理措施，進一步增強各種型號車輛的行車舒適性與安全性。

（2）通過調整大橋橋面線形，延緩大橋跨中下撓速度。

（3）通過提升大橋截面抗剪能力及箱梁頂板、底板的抗彎能力，抑制各類裂縫的擴展速度。

（4）利用多種有效加固措施，整治大橋橋梁工程結構各構件存在的裂縫問題。

（5）治理其他病害，進一步改善大橋的使用功能。

3.2 加固措施

3.2.1 裂縫處理

裂縫是此例橋梁工程的主要結構病害，若不及時處理，會進一步加大橋梁鋼筋等結構的暴露面積，加快空氣對橋梁鋼筋等結構的腐蝕速度，致使橋梁整體安全性、使用性能大幅下降。解決裂縫問題，可利用注漿法、密封法對橋梁工程結構存在的裂縫進行加固與修補，具體采用何種方法應根據橋梁裂縫的實際情況而定。例如：針對寬度>0.2 mm的裂縫可采用注漿加固法；針對寬度<0.2 mm的裂縫可采用封閉加固法［4］。

3.2.2 混凝土缺陷處理

橋梁工程施工中，由于混凝土存在雜質、攪拌不均等多種問題，導致橋梁工程混凝土質量不均勻，這些混凝土問題均會引起橋梁工程結構病害，對此，需要針對混凝土存在的缺陷采取相應的處理措施［5］。技術人員首先需要定位混凝土缺陷位置，將存在缺陷的混凝土消除，然后利用人工等方式修補缺陷。為保障修補、加固質量，可在修補中使用高強度的聚合性混合物混凝土。

3.2.3 橋面鋪裝處理

采用抗擾動混凝土對大橋橋面進行鋪裝，在混凝土配比中加入抗擾動劑可縮短混凝土凝結時間，增強混凝土早期強度。鑿除原橋面鋪裝，將鋼筋植入箱梁頂板部位，同時架設鋼筋網，使用抗干擾混凝土重新澆筑橋面。在鋼筋的作用下，不斷加強原混凝土、箱梁、新澆筑混凝土之間的連接，確保新澆筑混凝土可輔助箱梁發揮作用。

3.2.4 主跨跨中下撓過大處理

為防止主跨跨中下撓過大，研究人員提出通過加設體外預應力延緩主跨跨中下撓速度，具體方案如圖2所示。

[主桁架][已澆梁段][軌道梁][C][B] [A][側滑道梁][底模板]

圖2 主橋中跨加設體外預應力方案示意圖

加設8束體外預應力鋼束（型號：19φ，15.22 mm），在大橋每個腹板位置增設4束，利用轉向塊A、B經兩批次展開下彎操作，第一次下彎角度為8.6°、第二次下彎角度為9.2°。將轉向塊A設置在17號澆筑梁頂板底面位置，轉向塊B設置在25號澆筑梁頂板底面位置與底板頂面位置之間，利用狹窄的腹板將其連接。將轉向塊C、D設置在30號、34號澆筑梁底板頂面位置，錨下控制應力設為1 116 MPa。

經過計算分析，應用此方案可降低主梁跨中的最大主拉應力，降低幅度為0.46 MPa；同時，可提高跨中位置截面下部邊緣的應力儲備，提高幅度為2.38 MPa。

3.2.5 箱梁底板、頂板開裂處理

為有效處理大橋梁箱梁底板、頂板開裂問題，抑制箱梁底板、頂板裂縫的發展，研究人員利用CERP（云ERP軟件系統）對縱向裂縫加以修復，可采用注漿方法修補裂縫，并使用纖維布對裂縫進行加固［6］。

3.2.6 箱梁腹板開裂處理

在對大橋腹板進行加固處理的過程中，增加了邊跨21～28號段箱梁腹板的厚度，采用鋼板進行加固處理。

3.2.7 箱梁隔板裂縫加固處理

為防止底板在徑向力影響下發生開裂等病害，往往會使用中橫隔板。但在對大橋進行結構檢測時，發現該橋橫隔板、底板等相互連接部位存在嚴重的開裂現象。此種病害產生的原因實際上是由于車道受力過重所導致，可利用灌漿封閉手段對箱梁隔板裂縫進行加固處理。

3.2.8 主橋兩側伸縮縫缺陷處理

膠條遭受破壞導致的伸縮縫缺陷是主橋兩側的主要病害，同時，主橋伸縮縫底還存在腐蝕現象，因此，需要更換主橋磨損的膠條，并對伸縮縫底腐蝕、銹跡嚴重的部位進行除銹、涂抹防護涂層等處理。

3.2.9 橋臺護坡砌護裂縫加固處理

針對橋臺護坡砌護較寬的裂縫或砌護松動、凹陷的部位，施工人員需要拆除原本的砌護，對凹陷部位進行填土操作并夯實，加固護坡砌護。針對狹窄裂縫可進行灌漿操作，灌漿后需注意保暖及維護。此外，針對承臺裸露在外的細小裂縫可采用回填夯實等方法加固處理，若裂縫<0.15 mm，可不進行加固［7］。

4 工程加固效果

4.1 橋面鋪裝效果

重新鋪裝了抗擾動混凝土的橋面，具有良好的抗擾動效果，抗交通壓力能力得到有效提升。橋面鋪裝更換完畢后，可令橋面鋪裝參與橋體受力，在一定程度上減輕橋梁的恒載，提高箱梁高度，抑制跨中下撓速度；還可調整大橋橋面線形，增強各類型車輛的行車舒適性、安全性。

4.2 體外預應力

本次道路橋梁工程結構加固技術中，最有效的方法是體外預應力加固，通過加設體外預應力，可有效防止主跨跨中下撓過大。加設體外預應力后，計算各參數，對于體外預應力束T3、T4，張拉前主梁上撓最高值為13 mm，張拉后主梁上撓最高值為21 mm，中心線上升幅度為19 mm。由此可見，體外預應力加固技術可極大地提高主梁上撓值，延緩主梁下撓速度。此技術不僅可以使大橋梁工程結構的整體受力得到極大改善，還具有經濟性高、工期短、施工難度小等優勢，可減少加固工程對大橋正常運營的影響。

4.3 加固補強效果

對大橋裂縫進行加固后，橋梁的抗剪力和抗彎力得到增強，從根本上提升了橋梁的承載能力，改善了橋梁的使用功能。經加固后的橋梁可滿足汽車超20級、掛車超120級的承載力要求。

5 結語

造成道路橋梁工程結構病害的原因多種多樣，相關研究人員需要從多方面深入分析各類病害產生的原因，并提出針對性的加固措施。本文通過實例證明，在道路橋梁工程結構加固技術中，體外預應力加固技術尤為重要，同時還可通過灌漿法等方法對裂縫進行處理。本文提出的加固技術可應用在實際橋梁工程結構病害處理與加固中，可為國內其他道路橋梁工程結構病害防治與加固工作提供借鑒。

6 參考文獻

［1］張亞楠.公路橋梁病害治理及維修加固技術研究［J］.交通世界，2022（15）：62-64.

［2］趙帥.公路橋梁病害成因與加固技術研究［J］.四川建材，2021，47（12）：94-95，97.

［3］陳玉欣，王娜.滑坡體上橋梁病害分析及加固技術研究［J］.公路，2021，66（11）：189-193.

［4］賈斌.鋼筋混凝土橋梁病害分析與維修加固技術［J］.四川水泥，2021（9）：281-282.

［5］胡曉曄.橋梁病害產生原因與維修加固技術探討［J］.交通世界，2021（15）：17-18.

［6］顏燕.公路橋梁病害治理及維修加固技術分析［J］.居舍，2021（11）：73-74.

［7］唐楊，任榮.中、小公路橋梁病害與加固方法綜述［J］.長江工程職業技術學院學報，2020，37（2）：19-25.