基于病害檢測(cè)與狀態(tài)評(píng)估的橋梁加固技術(shù)研究

王云山

（甘肅省蘭州公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

我國(guó)存在許多早期施工建設(shè)的公路橋梁，目前現(xiàn)有的很多公路橋梁具有相對(duì)較低的工程安全儲(chǔ)備，其中關(guān)鍵的形成根源因素就是工程技術(shù)未能得到更大程度的完善發(fā)展。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，公路橋梁的交通量日漸增加，加之環(huán)境因素與橋梁結(jié)構(gòu)特性的影響，公路橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的病害。國(guó)內(nèi)外研究表明，公路橋梁在使用荷載與服役環(huán)境共同作用下的病害包括混凝土開(kāi)裂、鋼筋銹蝕、梁體偏移、支座變形、基礎(chǔ)沉降等，對(duì)正常使用狀態(tài)下橋梁的承載能力與耐久性提出了更高的要求。僅僅依靠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)橋梁的服役狀態(tài)，缺乏科學(xué)性與合理性，需依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)橋梁病害現(xiàn)狀下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)做進(jìn)一步的評(píng)估，以反映橋梁在對(duì)應(yīng)環(huán)境下的整體服役能力。因此，文章基于對(duì)我國(guó)西北地區(qū)一座橋梁的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、仿真模擬、理論計(jì)算相結(jié)合的方式，依據(jù)規(guī)范規(guī)定對(duì)橋梁病害狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，制定了對(duì)應(yīng)加固維修方案并分析了加固效果，以期為既有橋梁的狀態(tài)評(píng)估及維修方案設(shè)計(jì)提供新思路。

2 橋梁病害檢測(cè)及結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定

2.1 項(xiàng)目概況

王家灣大橋位于G6 京藏高速甘肅段，上跨109國(guó)道線，軸向斜交角為50°。橋梁位于緩和曲線上，橋面縱坡-1.651%，分左、右兩幅，全長(zhǎng)181 m，寬24.5 m，屬于典型的大角度斜角橋梁。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，預(yù)制吊裝，先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)。全橋共2 聯(lián)，跨徑組合為3 m×25 m+4 m×25 m，主要設(shè)計(jì)為六片的單幅梁體結(jié)構(gòu)，布置為橫梁的工程設(shè)計(jì)構(gòu)造。對(duì)于工程基礎(chǔ)主要設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁，橋臺(tái)為肋板的結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)用雙重的柱體來(lái)支撐橋梁的下部整體結(jié)構(gòu)。大橋于2002 年通車，半年后梁板沿行車方向出現(xiàn)爬移，5 年后有5～6 cm 的明顯爬移，后安裝了部分限位裝置。2017 年橋梁定期檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)梁板位移最大達(dá)12 cm，伸縮縫變位異常，最大間距10 cm，技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為3 類，上部承重構(gòu)件為4 類。2018 年，經(jīng)甘肅省蘭州公路管理局對(duì)該橋檢測(cè)鑒定，主梁整體旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位、擋塊損壞、伸縮縫錯(cuò)位失效等病害繼續(xù)發(fā)展，存在嚴(yán)重安全隱患，需維修處治。

2.2 橋梁病害檢測(cè)

2.2.1 上部結(jié)構(gòu)病害

（1）橋面系與主梁病害。王家灣大橋的橋面為重新鋪筑，未見(jiàn)病害。伸縮縫梁體鈍角側(cè)頂死，銳角側(cè)拉開(kāi)，有3 處前后型鋼錯(cuò)臺(tái)，3 處保護(hù)帶骨料露出。護(hù)欄多處發(fā)生位移，豎向裂縫。全橋泄水孔均缺少雨篦。依據(jù)對(duì)主梁偏位測(cè)量結(jié)果，左幅梁體發(fā)生了旋轉(zhuǎn)偏移，護(hù)欄板錯(cuò)位12 cm；主梁馬蹄底面縱向裂縫共18 條，總長(zhǎng)53.9 m，最大寬度0.30 mm；因主梁變位導(dǎo)致部分鈍角處主梁與背墻頂死，個(gè)別主梁破損，總破損面積0.01 m2。右幅主梁馬蹄底面縱向裂縫共14條，總長(zhǎng)18.8 m，最大寬度0.40 mm；主梁總破損面積0.39m2。

（2）其他上部結(jié)構(gòu)的病害。根據(jù)王家灣大橋的檢測(cè)結(jié)果，左幅梁體的T 梁翼緣板有342 條橫向裂縫，總長(zhǎng)306 m；T 梁橫隔板接縫處破損面積達(dá)15.31 m2；橫隔板有30 條豎向裂縫，總長(zhǎng)24.5 m，最大寬度0.5 mm。右幅梁體翼緣板有325 條橫向裂縫，總長(zhǎng)290 m；橫隔板豎向裂縫共16 條，總長(zhǎng)度15.9 m，最寬裂縫0.15 mm。左右幅翼緣板局部位置均有滲水、泛堿等現(xiàn)象，橫隔板接縫處均有破損，焊接鋼板銹蝕，外摸砂漿脫落。

全橋支座均存在不同程度的墊石不平、支座脫空、滑移、扭轉(zhuǎn)、剪切等病害，其中，支座主要病害為剪切變形，順橋向、橫橋向及整體扭轉(zhuǎn)與剪切變形并存，除右幅7#橋臺(tái)支座外，橋墩支座均出現(xiàn)剪切變形病害。從橋臺(tái)支座結(jié)構(gòu)的剪切形狀改變來(lái)進(jìn)行分析，主要存在逆時(shí)針的梁體結(jié)構(gòu)以及支座結(jié)構(gòu)變形狀況。在橋臺(tái)附近的區(qū)域，存在銳角結(jié)構(gòu)的橋梁支座顯著形狀改變。橋梁墊石的結(jié)構(gòu)表層部位存在相對(duì)顯著的平整程度差異，并且存在墊石滑脫與橋梁支座的位置移動(dòng)情況，支座頂部脫空的趨勢(shì)。

2.2.2 下部結(jié)構(gòu)病害

對(duì)王家灣大橋下部結(jié)構(gòu)所屬的蓋梁、擋塊、橋墩、橋臺(tái)、樁基系梁等部位的病害進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)上述位置均發(fā)生了不同程度的開(kāi)裂，蓋梁裂縫在正彎矩區(qū)底部出現(xiàn)，為間距20～50 cm 的橫向裂縫，部分延伸至蓋梁側(cè)面呈“L”型。部分蓋梁頂部雜物堆積，總體積7.86m3。左幅橋墩的裂縫為背靠橋臺(tái)側(cè)的環(huán)向裂縫，橋墩出現(xiàn)了不同程度的傾斜；右幅的全部墩柱地面線以上背靠橋臺(tái)側(cè)均有環(huán)向裂縫。橋臺(tái)的左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)總體上存在程度較為突出的錯(cuò)位現(xiàn)象，其中最為顯著的工程位移幅度已經(jīng)達(dá)到了5 cm 以上。經(jīng)過(guò)觀測(cè)確定為鋼筋暴露與缺損的橋梁工程病害，7#橋臺(tái)頂部渣土堆積7.36m3，網(wǎng)裂總面積0.55m2，有修補(bǔ)痕跡。蓋梁擋塊的裂縫位于底部錨固螺栓周圍，左幅擋塊與梁體有14處頂死現(xiàn)象，破損3 處，總破損面積0.18m2。右幅擋塊與梁體有16處頂死現(xiàn)象，破損7 處。

檢測(cè)過(guò)程中為盡可能地減小對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)既有服役狀態(tài)的擾動(dòng)，左右幅分別隨機(jī)選取代表性墩柱后開(kāi)挖至系梁底面檢測(cè)樁基系梁的病害情況。左幅選取代表性4#～1#墩進(jìn)行開(kāi)挖，右幅選取代表性墩柱4#～2#、5#～2#、6#～2#墩，開(kāi)挖系梁長(zhǎng)度約1.5m，系梁的裂縫位于前側(cè)面、頂面、后側(cè)面，為環(huán)形裂縫。

2.2.3 護(hù)坡與錐坡病害

根據(jù)對(duì)護(hù)坡的檢測(cè)結(jié)果，左幅護(hù)坡多處發(fā)生沉降與開(kāi)裂，沉降區(qū)域總長(zhǎng)度50.3 m，沉降總面積12 m2。右幅護(hù)坡底護(hù)腳墻開(kāi)裂上下層錯(cuò)位，上層向小樁號(hào)方向位移5 cm 左右。錐坡檢測(cè)結(jié)果表明，左幅錐坡有3 條沿砌石勾縫向錐坡中間位置的橫向裂縫，開(kāi)裂總長(zhǎng)度30m，底部豎向開(kāi)裂3.5m。右幅0#臺(tái)錐坡頂豎向開(kāi)裂1 m，7#臺(tái)下方錐坡與護(hù)坡連接處豎向開(kāi)裂5 m。

2.3 橋梁病害現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)定

2.3.1 橋梁結(jié)構(gòu)變形分析

為進(jìn)一步確定橋梁病害現(xiàn)狀下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與服役性能，進(jìn)而設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的加固維修方案，進(jìn)行病害現(xiàn)狀下橋梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算。因此，通過(guò)有限元軟件Midas Civil 進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，全橋采用梁?jiǎn)卧＃瑯蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)、橋墩、蓋梁、樁基的抗震計(jì)算均按空間桿系進(jìn)行，樁土作用采用“土彈簧”模擬；抗震計(jì)算采用反應(yīng)譜分析。根據(jù)實(shí)際情況，橋梁右側(cè)有堆土，高度15m，坡率1∶1，重度18kN/m3，影響深度為樁頂以上3 m 至樁頂以下12 m。橋梁病害現(xiàn)狀下的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的變形，與實(shí)際橋梁狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果一致，即模擬結(jié)果與橋梁實(shí)際變形趨勢(shì)相吻合。因此，仿真所得的結(jié)構(gòu)變形分析結(jié)果可用于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)定。

2.3.2 墩柱承載力評(píng)定

由于大橋橋墩存在裂縫，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011），并結(jié)合橋梁病害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況對(duì)大橋橋墩現(xiàn)狀承載力進(jìn)行驗(yàn)算。依據(jù)規(guī)范規(guī)定，墩柱承載能力極限狀態(tài)的評(píng)定模式為：

式中，γo為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，S為荷載效應(yīng)函數(shù)，R(為抗力效應(yīng)函數(shù)，(fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，ad c、ad s分別為混凝土和鋼筋的幾何參數(shù)值，)Z1為承載能力檢算系數(shù)；ξe為承載能力惡化系數(shù)；ξc為結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；ξs為鋼筋的截面折減系數(shù)。

2.3.3 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定

仿真結(jié)果表明，大橋上部結(jié)構(gòu)的承載力與正常使用極限狀態(tài)滿足要求。然而在橋梁工程的使用實(shí)踐中，存在逐漸積累的工程活載因素、恒載因素、地震與溫度變化因素將會(huì)反復(fù)影響到橋梁整體構(gòu)造的堅(jiān)固安全性能，進(jìn)而導(dǎo)致了存在偏低的橋梁墩柱支撐強(qiáng)度狀況，梁體的承載能力會(huì)進(jìn)一步降低。檢測(cè)結(jié)果也表明，上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的病害。根據(jù)對(duì)墩柱的承載力評(píng)定結(jié)果，總體上能夠表明橋梁結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較小的富余度指標(biāo)，并且測(cè)定為0.15 mm 左右的橋梁最大裂隙部位寬度。具有較小工程儲(chǔ)備值的橋梁墩臺(tái)頂部結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)呈現(xiàn)出裂縫數(shù)目較多的特征，因此必須實(shí)施全方位的施工修補(bǔ)措施。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)橋梁病害檢測(cè)，王家灣大橋主梁、墩臺(tái)、基礎(chǔ)的病害嚴(yán)重，依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011），該橋技術(shù)狀況等級(jí)已經(jīng)接近“四類”標(biāo)準(zhǔn)，急需加固處治。通過(guò)橋梁病害現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，大橋開(kāi)裂狀態(tài)下墩柱應(yīng)力儲(chǔ)備比例較小，其承載力已基本達(dá)到極限狀態(tài)，需加固墩柱提升其承載力儲(chǔ)備。大角度斜交橋梁受自身結(jié)構(gòu)制約，地震、堆土等不利影響會(huì)進(jìn)一步加劇橋梁病害的發(fā)展，因此上部結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行維修處治以提高其耐久性。

3 橋梁加固維修及處治效果分析

3.1 橋梁病害處治機(jī)制分析

通過(guò)對(duì)原橋上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，原橋基本滿足橋梁建成年代相適用的規(guī)范要求，屬經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，部分技術(shù)指標(biāo)僅比當(dāng)時(shí)規(guī)范要求略高，富余偏小，安全儲(chǔ)備過(guò)低。由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件限制及老規(guī)范的局限性，與現(xiàn)行的規(guī)范相比，橋梁整體上呈現(xiàn)相對(duì)較小的梁體上部高度，并且存在偏大的橋梁體系結(jié)構(gòu)傾斜程度。橋梁整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)工程病害的關(guān)鍵根源集中體現(xiàn)在橫隔板的缺失，導(dǎo)致存在相對(duì)較低的梁體結(jié)構(gòu)橫向支撐剛度指標(biāo)。對(duì)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的橋梁墩臺(tái)下部結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過(guò)測(cè)試主要確定為該區(qū)域的橋梁承載結(jié)構(gòu)存在較小的富余承載量指標(biāo)，并且設(shè)計(jì)為相對(duì)較少的承載樁基數(shù)目，因此導(dǎo)致存在相對(duì)較低的橋梁縱向與橫向結(jié)構(gòu)剛度。

因此，以大橋病害檢測(cè)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定結(jié)果為基準(zhǔn)，依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)橋梁受損構(gòu)件進(jìn)行維修加固處治。其中，對(duì)大橋橋墩病害、梁體偏移進(jìn)行針對(duì)性處治，同時(shí)對(duì)橋梁的破損、露筋、裂縫、阻銹、防水、防腐等進(jìn)行全面的耐久性修補(bǔ)處理，延緩全橋結(jié)構(gòu)的退化趨勢(shì)。同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)糾偏以滿足梁體恢復(fù)正常使用功能為原則，重視新舊結(jié)構(gòu)的差異性和加固措施的可操作性，確保加固糾偏質(zhì)量。

3.2 混凝土病害處治

本橋的混凝土病害主要包括開(kāi)裂、表層缺陷、滲水泛堿。目前應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮到采取環(huán)氧樹(shù)脂的涂刷施工處理工藝方案，同時(shí)還需配合采取修補(bǔ)注漿的施工措施，直至能夠恢復(fù)到橋梁整體結(jié)構(gòu)的良好堅(jiān)固程度效果。具體對(duì)混凝土不密實(shí)、骨料外露及空洞處應(yīng)先鑿除松散部分，再用環(huán)氧砂漿處理。此外，橋梁部分區(qū)域有滲水泛堿現(xiàn)象，先將泛堿物和水跡清除干凈，在滲水區(qū)域周邊約0.5 m 范圍內(nèi)涂刷阻銹劑和防腐涂料，阻銹劑采用烷氧基類或氨基類噴涂型阻銹劑，進(jìn)行表面涂刷所用的材料為技術(shù)成熟的專業(yè)化絕緣涂料，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

4 結(jié)論

橋梁結(jié)構(gòu)性能會(huì)隨著服役年限的增加逐漸退化，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同形式的病害，嚴(yán)重影響橋梁的使用壽命及耐久性能。文章基于我國(guó)西北地區(qū)某橋梁的病害檢測(cè)結(jié)果，對(duì)橋梁病害現(xiàn)狀下的結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行了評(píng)定，并采取對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行了維護(hù)，主要研究結(jié)論包括：

（1）對(duì)實(shí)際橋梁的病害檢測(cè)結(jié)果表明，橋梁的上下部結(jié)構(gòu)、護(hù)坡與錐坡均產(chǎn)生了不同程度的開(kāi)裂；主梁最大裂縫寬度達(dá)到了0.39 mm，并產(chǎn)生了大幅的旋轉(zhuǎn)偏移；支座同時(shí)發(fā)生了滑移、扭轉(zhuǎn)、剪切等病害；下部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂較嚴(yán)重，裂縫數(shù)量較多，最大裂縫寬度超過(guò)1 mm。

（2）采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合的方式，評(píng)估了橋梁病害現(xiàn)狀下的結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的承載力和正常使用極限狀態(tài)均滿足要求，但儲(chǔ)備值較小；結(jié)合病害檢測(cè)與服役狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，橋梁技術(shù)狀況等級(jí)接近規(guī)范規(guī)定的“四類”標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行加固處治。

（3）基于橋梁的服役狀態(tài)評(píng)估結(jié)果分析，結(jié)合橋梁的實(shí)際病害，對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了糾偏處理，并更換了支座；為增加下部結(jié)構(gòu)的縱、橫向剛度，將既有橋墩增厚了20 cm，并增設(shè)了直徑1.2 m 的樁基；對(duì)橋梁上下部結(jié)構(gòu)的混凝土開(kāi)裂、表層缺陷、滲水泛堿等病害進(jìn)行了針對(duì)性的處理。

（4）對(duì)加固后橋梁狀態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基于病害檢測(cè)和狀態(tài)評(píng)估的加固維修方案改善了結(jié)構(gòu)性能，減弱了上部結(jié)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，顯著提高了墩身的抗彎承載與抗壓承載能力，加固效果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求與安全運(yùn)營(yíng)需求，表明制定的既有橋梁維護(hù)方案具有較高的科學(xué)性與合理性。