我國西北地區某橋梁引橋病害及加固方案研究

摘 要：本文對西北地區某橋梁引橋的病害與加固方案進行研究。首先闡述了橋梁現狀，包括外觀檢查結果（如裂縫分布、支座連接件情況等）和病害成因（施工縫開裂、箍筋斷裂等的原因）。接著進行加固前計算分析，涵蓋抗彎、抗剪承載力及裂縫寬度驗算。隨后詳細介紹了加固方案，有施工縫處補強、針對特定跨裂縫補強和北引橋提載升級加固措施。最后通過動、靜載試驗表明加固效果良好，工程質量達到合格標準。

關鍵詞：層間剪力 收縮徐變 溫度梯度作用

隨著我國經濟社會的快速發展，交通運輸需求也在不斷地增長。在交通運輸需求快速增長的同時，公路交通運輸行業也得到了快速發展，公路橋梁的數量和規模均得到了大幅度增長，其設計荷載也相應地提高。近年來，公路橋梁在長期的運營過程中出現了越來越多的病害問題。由于我國高速公路建設起步較晚，且早期設計荷載偏低，使得很多在役公路橋梁都存在著不同程度的病害問題。因此，對既有橋梁進行全面、系統的病害調查及原因分析具有十分重要的意義。

某橋梁引橋作為西北地區主要節點之一，位于黃河兩岸。該橋建成通車20多年來，一直承擔著巨大的交通壓力，近年來又因種種原因出現了諸多病害問題。本文結合某橋梁左幅北引橋病害實際監測過程、病害分析、加固方案及加固效果進行歸納總結，整理出可供參考的案例經驗。

1 橋梁概況

橋梁位于西北地區，荷載等級為汽車-超20級、掛車-120。橋梁全寬21.5m，寬度組成為0.5m（防撞護欄）+9.5m（行車道）+1.5m（中央分隔帶）+9.5m（行車道）+0.5m（防撞護欄）。左幅上部結構為（52m+3×80m+52m）變截面預應力混凝土連續箱梁+（18.318m+3×25m）等截面鋼筋混凝土連續箱梁；右幅上部結構為（52m+3×80m+52m）變截面預應力混凝土連續箱梁+（4×25m）等截面鋼筋混凝土連續箱梁。下部結構主橋橋墩為鋼筋混凝土圓形空心墩，鉆孔灌注樁基礎。墩身外徑3.0m，內徑1.2m，壁厚0.9m，墩頂和墩底均設1.5m的實體段。承臺厚3m，基樁為4根直徑2.0m的鉆孔灌注樁，樁長18m，樁尖嵌入微風化砂巖內約8.0m。引橋下部結構橋墩為柱式墩，基礎為樁基礎。橋臺為肋板臺，基礎為樁基礎。橋面鋪裝為8cm厚瀝青混凝土，護欄為鋼混組合防撞護欄，該橋于2002年12月建成通車。

2 橋梁現狀及病害成因分析

2.1 外觀檢查結果

第9跨箱梁左腹板縱向施工縫開裂，縫長4.2m，縫寬1.54mm；端頭出現斜向裂縫，梁體裂縫呈現“π”形，最大縫長0.88m，最大縫寬1.87mm，裂縫上寬下窄。左幅引橋腹板豎向裂縫共計132條，縫長0.2～1.14m，縫寬0.07～0.30mm；底板、翼緣板橫向裂縫共計141條，縫長0.4～2.11m，縫寬0.07～0.25mm；部分豎向裂縫與橫向裂縫位置呈對應關系。4個支座連接件未拆除。

第三方檢測單位對該橋進行了特殊檢查。檢測結果顯示，橋梁主橋箱內存在較多斜向裂縫，經承載能力檢算，計入橋梁現狀折減后，主橋承載能力滿足原設計規范要求。引橋存在較多橫向裂縫、豎向裂縫及斜向裂縫，其中左幅第8、9跨裂縫較為嚴重，經對該兩跨進行承載能力檢算及荷載試驗，結果均不滿足規范要求。

管養單位對該橋引橋左幅第9跨腹板斜向裂縫安裝一體化無線裂縫計，對裂縫寬度進行實時觀測記錄。結果發現，該條裂縫的長度和寬度均在持續發展。

2.2 橋梁主要病害成因分析

2.2.1 左幅引橋第8、9跨腹板施工縫縱向開裂、腹板斜向裂縫成因

橋梁左幅引橋第9跨左側腹板縱向施工縫開裂，縫長4.2m，縫寬1.54mm，左腹板存在1條斜向裂縫，距8#墩9.8m，縫長0.88m，縫寬1.87mm，裂縫上寬下窄。

為分析腹板施工縫處開裂原因，采用通用有限元軟件對左幅第9跨箱梁腹板縱向施工縫開裂處進行局部分析，選取左幅第9跨建立實體模型，模擬在腹板出現縱向裂縫時的主梁應力狀況。

經過對主梁建立實體模型分析，對腹板出現縱向裂縫位置主梁施加豎向荷載，不考慮箱梁配筋，在豎向荷載和主梁自重的作用下，縱向裂縫端頭位置出現25.1MPa的壓應力，該處混凝土被壓碎，同時，與此對應的斜向開裂位置主梁腹板下緣出現5.2MPa的拉應力，該處混凝土被拉裂，在壓、拉同時作用下該處形成斜向裂縫，表明施工縫縱向裂縫與腹板斜向裂縫與車輛的沖切作用有直接關系。

分析裂縫產生的主要原因如下：（1）主梁采用二次澆筑，未嚴格控制時間差，間隔時間過長，導致兩次澆筑混凝土的收縮差不一致；（2）橫坡由腹板高度變化形成，內側腹板高度變小，在重載車輛偏載作用下，車輛對主梁的沖切作用，引起在縱向裂縫端部的腹板斜向裂縫進一步發展。

2.2.2 腹板豎向箍筋斷裂成因

根據現場病害情況分析，斷裂鋼筋斷口齊整無明顯縮徑，且有錯口現象，為典型的剪斷破壞。層間剪力產生原因如下。

（1）原橋箱梁為分次澆筑，施工縫處的水泥漿質量較差，且接縫處未鑿毛、接縫齊整，導致主梁上下分層。在荷載作用下，會出現層間變形不一致，產生層間剪力。而跨中為變形最大處，故出現的層間剪力也最大，橋梁在荷載的長期反復作用下，層間相互錯動，導致混凝土壓裂、箍筋剪斷病害。

（2）溫度梯度作用是導致主梁出現層間剪力的一大因素。

（3）主梁兩次澆筑時間不一致，相互間的收縮徐變也不一致，也會致使主梁在接縫處出現較大的水平剪力。一般情況下，主梁層間抗剪作用順序為首先依靠層間鑿毛產生的摩阻力，其二是水泥漿的粘結剪切強度來抵抗，第三是主梁的豎向箍筋來抵抗。本橋由于施工縫處水泥漿施工質量較差，且在超重車輛的綜合作用下，導致箍筋過早承擔抗剪作用。截面開裂使得水汽入侵、箍筋銹蝕，抗剪作用被削弱，導致箍筋的斷裂。而在活載的反復作用下、溫度梯度的影響下，主梁開裂持續加劇。

3 加固前計算分析

根據主梁病害檢測結果，依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ023-85）、《公路橋涵設計通用規范》（JTJ 021-89）及《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）的規定，對既有橋梁在原設計荷載（汽車-超20 級，掛車-120）下，進行承載能力極限狀態驗算和正常使用極限狀態驗算。

3.1 加固前抗彎承載力驗算

計算結論：橋梁引橋在原荷載、原規范荷載作用下，邊、中跨跨中和支點截面抗彎均滿足要求，且有一定安全儲備。加固前既有橋梁上部結構抗彎承載力驗算結果，在18 規范驗算下，第7～9跨跨中抗彎承載能力不滿足要求，支點截面滿足要求。

3.2 加固前抗剪承載力驗算

計算結論：該橋梁引橋原設計上部結構抗剪承載力驗算結果，在原荷載、原規范荷載作用下，端、中支點截面抗剪均滿足要求，且有一定安全儲備。加固前既有橋梁上部結構抗剪承載力驗算結果，在18 規范驗算下，各支點截面抗剪承載能力滿足規范要求。

3.3 使用階段裂縫寬度驗算

原設計對該橋梁引橋鋼筋混凝土連續箱梁結構，裂縫寬度按照0.25mm控制設計。計算結論：該橋梁引橋原設計上部結構抗裂性驗算結果，在原荷載、原規范荷載作用下，截面計算裂縫寬度滿足限值要求。加固前既有橋梁上部結構抗裂性驗算結果，在18規范驗算下，部分跨中截面計算裂縫寬度不滿足限值要求。

4 加固方案

4.1 施工縫處的局部補強措施

（1）在縱向施工冷縫處，箱內、外粘貼鋼板塊加固，并在箱內、箱外對拉高強螺桿，對施工縫處進行補強。

（2）在左腹板新增橫向混凝土肋，增強新增混凝土與原主梁間的整體性。

（3）在右腹板新增橫向鋼制加勁肋，鋼肋之間粘貼對拉鋼板，增強主梁頂、底板間的整體性。

（4）在箱內存在環向裂縫處，增設框架式隔板，分節段安裝，節段間采用連接板栓接，增強結構整體性。

（5）對引橋其他橋跨施工縫處，采用種植高強螺栓，對拉粘貼鋼板的措施。對施工縫處進行補強。

4.2 針對左幅引橋第8、9跨裂縫的局部補強

針對施工縫處縱向裂縫及腹板斜向裂縫，在腹板局部位置做加厚處治，對施工縫開裂處進行補強，提高結構整體性。腹板作為結構里不可或缺的重要組成部分，它的狀態對于整個結構的穩定性有著舉足輕重的影響。一旦腹板出現裂縫，結構的穩定性就會遭受威脅。而通過對腹板局部加厚這種處治方法，能夠有效地增加腹板的強度與剛度。這樣一來，腹板就可以更好地抵御外力的作用，從而確保整個結構處于安全可靠的狀態，保障整個工程的質量和使用安全。

4.3 針對北引橋提載升級的加固

（1）在箱梁兩側通過張拉體外束，提高主梁抗彎承載能力；通過跨中腹板局部加厚措施，對箱梁腹板混凝土結合面進行補強；通過墩頂位置局部加厚措施減小主梁彎曲傾角，提高主梁剛度，同時提高主梁抗剪承載能力。

（2）在梁底粘貼縱向鋼板條，提高結構承載能力安全儲備，抑制裂縫發展。

5 加固效果

通過對該橋梁左幅引橋第8、9跨進行動、靜載試驗，并對檢測結果進行整理、計算和分析，其鑒定結論如下。

（1）各工況試驗荷載加載效率介于0.85～1.05，試驗荷載在結構控制截面產生的最大內力效應和變位效應，能夠反映理論計算活載作用下同一截面最不利內力效應和變位效應，滿足規范要求。

（2）各工況主梁撓度測試校驗系數介于0.62～0.96之間，最大相對殘余變形為7.50%且未超過20%的限值，表明主梁測試截面在試驗荷載工況下的剛度性能滿足設計要求。

（3）各工況主梁應變測試校驗系數介于0.59～0.95之間，最大相對殘余應變為9.30%且未超過20%的限值，表明主梁測試截面在試驗荷載工況下的剛度性能滿足設計要求。

（4）在汽車-超20級，掛車-120試驗荷載下其撓度校驗系數由1.15～1.98（加固前）降低至0.48～0.76（加固后），實測值小于相應理論值，表明主梁測試截面剛度有一定提高。

（5）主梁第一階振動頻率實測值由3.32Hz（加固前）提高至4.49Hz（加固后），高于理論值4.15Hz，表明所測結構實際剛度大于理論剛度，橋梁動力剛度滿足設計要求。

（6）動撓度實測得出的最大沖擊系數為0.079，小于理論計算值0.216，滿足規范要求。

綜上所述，該橋梁左幅引橋試驗橋跨在試驗荷載作用下結構總體受力特征與理論計算基本一致，各控制截面變形、應力實測值小于計算值，滿足設計和規范要求，結構動、靜力各項指標良好。經鑒定，該工程質量鑒定得分為92分，根據對鑒定結果的分析和對各分部工程合格情況的認定，該工程質量等級達到合格標準，順利通過交工驗收。

6 結語

本研究對西北地區某橋梁引橋的病害及加固方案進行了全面的探討。在橋梁引橋現狀方面，外觀檢查清晰地呈現出引橋存在的多種裂縫情況，特殊檢查進一步明確了主橋和引橋不同的承載能力狀況，而裂縫發展監測則為后續的分析提供了動態的數據支撐。這一現狀的準確把握是后續研究的基礎。病害成因探究中，施工工藝因素如二次澆筑時間控制不當、水泥漿質量差等是導致病害的重要原因。車輛荷載影響也不容忽視，像重載車輛的偏載作用加劇了裂縫的發展。環境因素同樣在病害形成過程中起到了一定的作用。深入理解這些成因有助于針對性地制定加固方案。加固前的計算為加固方案提供了理論依據，抗彎、抗剪承載力驗算以及裂縫寬度驗算等結果明確了引橋結構在加固前的性能狀態，從而能夠有的放矢地進行加固設計。加固方案闡述涵蓋了施工縫局部處理、特定跨裂縫加固和引橋提載加固等多個方面。從實際的動、靜載試驗結果來看，加固后的橋梁引橋在各項指標上均滿足設計和規范要求，工程質量達到合格標準。這表明本研究中的加固方案是可行且有效的。未來，對于橋梁的維護和管理仍需持續關注，不斷優化加固技術，以確保橋梁的長期安全使用。

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