連續小箱梁橋病因分析與加固措施

郭建東

（河南交通投資集團有限公司三門峽分公司，三門峽 472000）

1 工程概況

某高速公路主線橋梁，于2007年建成通車，橋梁荷載等級為公路Ⅰ級，全長98.36m，橋跨布置為3×30m，橋面凈寬2×11.5m，單幅橋橫向布置4 片小箱梁。上部承重結構為裝配式預應力混凝土連續小箱梁，橫隔板設置在墩臺位置，跨中無橫隔板，預制箱梁、橫梁、現澆接頭及濕接縫采用50 號混凝土；下部構造采用樁柱式橋墩，埋置式橋臺。該橋現場情況如圖1 所示。

圖1 橋梁現場

2 病害調查與產生機理分析

2.1 病害調查

該橋通車運營12年，由于近幾年來交通量劇增、材料劣化等因素綜合影響，橋梁使用情況嚴重低于預期，根據橋梁定期檢測情況，橋梁右幅技術狀況評分Dr 為39.58分，左幅技術狀況評分Dr 為39.38 分，橋梁屬于四類橋梁，根據規范相關要求該橋需進行大修或改造，并及時進行交通管制。

根據檢測情況，該橋存在的病害如表1 所示。

表1 橋梁病害匯總

根據檢測結果，該橋根據病害嚴重程度可以歸類為三類，其一為嚴重影響橋梁承載能力的病害，如上部結構的主要病害表現為跨中出現大量U 型裂縫和腹板斜裂縫，且裂縫寬度超限；支座損壞嚴重；橋面鋪裝大量縱橫裂縫以及坑槽等。其二為影響橋梁正常使用性能的病害，如橫向裂縫的裂縫和混凝土破損；橋梁護欄的鋼筋銹脹；橋梁墩臺的混凝土剝落鋼筋銹脹等。第三類為病害程度表現較輕，繼續發展可能導致橋梁正常使用性能不足的，如橋墩裂縫；伸縮縫附近橋面輕微沉陷；橋墩豎向裂縫。

2.2 病害成因分析

通過查閱歷年檢測報告，歷年橋梁技術狀況如表2 所示。2016年橋梁定期檢測橋梁技術狀況評定為1 類，箱梁完好；2017年和2018年未對該橋進行檢測；2019年橋梁定期檢測橋梁技術狀況評定為3 類，箱梁出現大量U 型裂縫和腹板豎向、斜向裂縫；2020年5月橋梁定期檢測橋梁技術狀況評定為3 類，箱梁的U 型裂縫較2019年增加較少，腹板豎向、斜向裂縫較2019年增長較快，其中一片箱梁增長100 道裂縫以上，裂縫寬度有所擴大；2020年11月橋梁特殊檢測，較2020年5月裂縫增長較少，但裂縫寬度發展較快，除了L2-1 箱梁裂縫寬度最寬0.15mm 外，其余23 片箱梁裂縫寬度均≥0.2mm。

表2 歷年橋梁技術狀況評定

交通荷載作用是影響橋梁結構產生病害的主要因素之一，為進一步探明2016 至2020年病害發展成因，結合交通量調查數據，分析活載變化情況，歷年交通梁統計數據結果如表3 所示。

表3 歷年日平均交通量表

根據該橋主要病害表現形式，結合現場檢測與交通量結果可基本認定該橋正截面抗彎與斜截面抗剪能力不足，病害成因如下：

①設計新舊規范的差異，現規范30 米箱梁預應力束明顯多于小箱梁（見表4），導致設計荷載偏低，隨著路段交通量的不斷增加，原有橋梁承載力已無法滿足現狀交通需要。

表4 現狀使用橋梁與現行橋梁預應力束對表

對比分析結論：底板：邊跨多2 根，中跨多2 根；腹板：邊跨多2 根，中跨多6 根；頂板：邊跨多11 根，中跨多11根。通過驗算也得出極限承載力不足。

②經檢測發現該橋為30m 小箱梁，然而跨中并未布置橫隔板，導致箱梁橫向之間僅通過端橫隔梁聯系，整體橫向聯系偏弱，整體剛度偏弱。

③自2016年以來，交通量迅速上升，重車交通量較同比增長較多，導致橋梁長期處于超重荷載作用下運營，會加速橋梁的損壞，導致梁體開裂、支座損壞、橋面鋪裝坑槽開裂。

根據2014～2020年交通量統計數據，該路段斷面交通量持續增長，且保持著較高的增長速度，現狀交通量已達到11884 輛/日，折合成小型車輛為21782 輛/日，自2014年起，測日平均交通量如表3 所示。

根據2020年9月各收費站入口處交通流量調查，該路段機動車合計11884 輛/d，折合成標準車當量數為21782 輛/d，各種車型交通量如表5 所示。

表5 2020年9月該路段斷面交通量調查結果

根據交通量統計數據可以看出：

①2018～2019年，路段交通量保持了較快增長，2019～2020年交通量增長10.22%。

②路段內通行車輛中整體以中小客車和特大貨車為主。從客車和貨車的占比來看，貨車整體占比較大，達到了40%。

③由此可見，交通量的逐漸增長、交通荷載作用次數逐漸增多，在一定程度上誘發了橋梁病害的產生和發展。

3 搶修加固方案確定

為保證橋梁在搶修加固完成之前橋梁結構的安全，確保車輛運營安全，按照兩階段進行實施。第一階段為臨時措施技術方案：根據《公路橋涵養護技術規范》（JTG H11-2004）中3.5.4 條的規定：橋梁技術狀況為4 類時需對橋梁進行大修或者改造，及時進行交通管制，如限載、限速通過，當缺損較嚴重時應封閉交通。第二階段為搶修技術方案：制定橋梁搶修技術方案，對橋梁進行搶修加固設計，并經過評審后組織進行實施，實施完成后搶險工程結束。

3.1 搶修臨時措施

為避免梁體病害進一步發展，造成不可估量的后果，首先采取臨時防護措施加固，保障橋梁搶修加固過程中高速公路的安全運營，主要的措施如下：

①采用梁底支撐系統，防止箱梁發生嚴重病害時，臨時支撐梁體，避免梁體垮塌，確保行車安全，該系統僅承受活載不承受恒載，僅作為橋梁發生緊急情況時的安全儲備，支撐系統主要包括地基基礎、立柱、橫梁等設施，具體參數如下：

地基基礎設計：支撐系統的底部可采用鉆孔灌注樁、鋼管樁或擴大基礎，考慮到搶險的時間要求，設計采用條形擴大基礎。條形擴大基礎數量共18 個，縱橋向寬度為3.2m，寬度為14.74m，厚1.2m，施工時先對地基進行開挖，進行人工夯實，然后鋪設級配碎石墊層，綁扎鋼筋，澆注C30 混凝土形成條形基礎。由于橋下第二跨下方有水溝，在設置臨時基礎時應清淤回填土方，保障基礎的穩定性。

立柱設計：立柱設計采用鋼立柱，立柱間采用橫撐保持穩定性。鋼立柱位置按如下原則：橋梁每跨下方設置兩排鋼立柱，分別位于梁端8m 處；地基基礎、立柱橫向和橋梁角度保持一致。

其他：柱頂的分配梁采用工字鋼，工字鋼上方設置可調節鋼墊石和橡膠支座，支座上方設置工字鋼橫梁，橫梁和箱梁底板之間設置1cm 橡膠墊，保證貼合密實。

②修建臨時施工便道，確保橋下設置梁底支撐系統后滿足橋下車輛通行要求。

③橋面采取限行限載措施，每幅橋面保留行車道，嚴禁大件運輸，避免交通超載引發病害對橋梁的損傷。

④安裝橋梁實時監控設備，并帶自動報警功能，防止意外發生時各部門響應不及時問題。

3.2 加固技術方案

3.2.1 增大截面法加固

增大截面法是指增大結構截面的面積和結構配筋對橋梁結構進行加固的一種方法。該加固方法對橋梁下部結構有一定要求，即橋梁下部結構能夠承受上部結構增加的自重。增大截面法可以有限提高橋梁結構的抗彎和抗剪能力，同時對橋梁結構本身耐久性病害也可以一并進行修復，提高橋梁結構耐久性。

增大截面法的優點是施工方法成熟，可靠性好，可有效提高橋梁結構的抗力，對結構剛度和穩定性也有一定提升。缺點是施工周期較長，增加了結構的自重，同時由于增大截面后結構尺寸增大，對結構建筑限界要求較高。

3.2.2 施加體外預應力加固

體外預應力加固是在橋梁結構構件表面或內部增加一定數量鋼束并施加一定初始應力，施加體外預應力后可一定程度抵消結構部分自重應力，對橋梁結構起到一定的卸載能力，從而提高橋梁結構的承載能力。

體外預應力加固方法的優點是對結構恒載有一定程度的卸載，施加體外預應力后，對結構的裂縫有一定抑制作用，使得橋梁結構裂縫寬度減小或閉合，同時可改善橋梁撓度，使得橋梁結構的撓度下降。缺點是體外預應力裝置負責，錨固塊和轉向塊不便于設置，同時結構使用一定年限后都伴隨有不同程度的預應力損失，由于結構增加預應力裝置，對結構建筑限界有一定侵占。

3.2.3 改變結構體系加固

改變結構體系加固是指對原有橋梁受力體系進行改變，如簡支結構改變為連續結構后跨中彎矩大大降低，或對跨中增加永久支撐后減小橋梁跨徑等，通過對原有結構的改變，起到加固的作用。

改變結構體系加固一般加固效果較好，但對施工要求較高，施工復雜，施工往往需要斷行交通，且經濟造價一般較高，對橋下凈空要求較高。

3.2.4 更換上部結構

更換上部結構是指對已出現結構性病害的主梁進行更換，該加固方法對橋梁病害加固徹底，可達到“一勞永逸”的效果，但該加固方案施工周期長，對已運營道路交通影響大。

因本橋24 片主梁全部出現病害，且主要病害為主梁的結構性病害、發展較快，經檢算目前該橋已經不能滿足現行規范及車輛通行要求，且梁體病害較為嚴重加固后承載力、耐久性、時效性、美觀性、工期等不易確定，該橋主梁采用加固方案已經不具備加固條件。因此，改造方案采用利用橋梁下部結構，拆除更換原有橋梁上部小箱梁結構。

4 保通運營方案

為保障既有高速公路的正常運營，對原橋梁結構的拆除和更換需要考慮既有道路的保通和運營方案，結合路段實際情況，該項目分階段進行拆除。

第一階段：橋南北兩側各設置80 米的轉換車道過渡區，其中橋北利用原有中分帶預留口，拆除中分帶預留口南50 米的中分帶護欄，橋南預留100 米的緩沖區，拆除緩沖區以南80 米的中分帶護欄，挖除中央分隔帶中的植物，并且硬化緩沖區中央分隔帶路面。

第二階段：封閉橋梁上行，在保通區域前設置各種警告標志。封閉區域內設置頻閃燈及相應施工標志，壓縮硬路肩寬度，按照雙向兩車道施劃臨時標線，兩車道中間設置新澤西護欄，安排交警、路政人員指揮、協調施工路段的車輛安全通行。對上行橋梁進行施工。

第三階段：待上行橋梁施工完成后，利用已施工完成上行作為車輛通行道路，封閉橋梁下行，對下行橋梁進行施工。

第四階段：中橋下行的施工完成后，恢復中橋的交通標志、標線、護欄及附屬設施。同時拆除保通交通標志及所屬設施，保通工作全部完成，恢復正常通行。

5 實施后效果

2023年對該橋進行定期檢測，橋梁總體技術狀況評為1 類。如表6 所示，通過數據可見經過2021年的加固維修之后，橋梁右幅SPCI、SBCI、BDCI 指標都有不同程度的增長，由2020年的75.5 增長到2023年的97.18，整體橋梁技術狀況效果提升顯著。

表6 2016～2023年橋梁各項技術狀況評定指標表

6 結論

連續小箱梁橋梁產生裂縫病害原因較多，包括早期設計不完善、施工質量差、運營荷載繁重等，對連續小箱梁進行加固改造時應結合橋梁病害特征確認橋梁病害產生原因，綜合對比，確保既有道路運營安全的情況下進行加固改造。