斜交U型橋臺(tái)側(cè)墻開裂病害分析及加固設(shè)計(jì)

范 毅

(廣西梧州岑梧高速公路有限公司，廣西 梧州 543000)

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斜交U型橋臺(tái)側(cè)墻開裂病害分析及加固設(shè)計(jì)

范 毅

(廣西梧州岑梧高速公路有限公司，廣西 梧州 543000)

文章以廣西梧州某高速公路斜交橋?yàn)槔瑢υ摌騏型橋臺(tái)側(cè)墻開裂病害及其原因進(jìn)行了分析，提出采用植筋加格構(gòu)梁對穿預(yù)應(yīng)力拉桿錨固的加固設(shè)計(jì)方案，并通過后期加固效果觀測，確認(rèn)該加固施工取得了預(yù)期的效果。

斜交橋；U型橋臺(tái)；側(cè)墻開裂；剪切破壞；加固設(shè)計(jì)

0 引言

U型橋臺(tái)開裂病害中由于土壓力問題導(dǎo)致的橋臺(tái)前墻與側(cè)墻交匯處開裂是最常見的橋臺(tái)破壞形式。但斜交橋梁由于支座反力不均衡的問題，當(dāng)臺(tái)身混凝土抗剪能力不足時(shí)，在行車荷載作用下很容易發(fā)生剪切破壞，而且病害發(fā)展迅速，嚴(yán)重影響行車安全。本文以廣西梧州某高速公路斜交橋梁U型橋臺(tái)臺(tái)身開裂病害為例，通過現(xiàn)場勘查，鉆孔取芯，結(jié)合查閱竣工、養(yǎng)護(hù)資料，對病害原因進(jìn)行了分析，并提出了采用植筋加格構(gòu)梁對穿預(yù)應(yīng)力拉桿錨固的方式進(jìn)行加固，加固效果符合預(yù)期。

1 工程概況

廣西梧州某高速公路立交中橋于2008年1月建成通車，橋梁同時(shí)上跨G207國道及無名小河。橋梁分左右兩幅，橋梁全長為86.04 m，橋面全寬為26 m，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為3×25 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用U型橋臺(tái)及樁柱式橋墩。出現(xiàn)病害的橋臺(tái)為0#橋臺(tái)，橋臺(tái)高6.9～7.2 m，寬29.98 m，前墻中部設(shè)置了沉降縫。臺(tái)帽及擋塊采用C30鋼筋混凝土，臺(tái)身為C15現(xiàn)澆素混凝土。

2015年7月份，0#橋臺(tái)一側(cè)墻出現(xiàn)一條豎向裂縫，裂縫位于橋臺(tái)側(cè)墻與前墻交匯處，自上而下由側(cè)墻向前墻斜向分布，裂縫上寬下窄，頂端寬約9 mm，底端寬約0.2 mm，裂縫長約3.7 m。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，裂縫存在繼續(xù)擴(kuò)寬的趨勢。

為了探明橋臺(tái)病害原因并提出加固方案，采取現(xiàn)場勘查，臺(tái)身鉆孔取芯，查閱竣工及日常養(yǎng)護(hù)資料，對病害原因進(jìn)行了分析，并確定了相應(yīng)的加固方案。

2 病害調(diào)查

2.1 竣工及養(yǎng)護(hù)資料查閱

根據(jù)竣工資料，出現(xiàn)病害的橋臺(tái)為一斜交橋臺(tái)，橋臺(tái)前墻與兩側(cè)墻交角分別為60°，120°，橋梁斜交角α為30°。由于臨近國道受地形限制，橋臺(tái)未設(shè)置護(hù)坡。臺(tái)內(nèi)按設(shè)計(jì)要求回填了碎石，并分層進(jìn)行了碾壓。

查閱養(yǎng)護(hù)資料發(fā)現(xiàn)，自開通運(yùn)營以來，此處橋臺(tái)頂混凝土面板未進(jìn)行過板底壓漿處置。

2.2 現(xiàn)場勘查

經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，橋臺(tái)前墻及臺(tái)帽均完好，僅在橋臺(tái)銳角端側(cè)墻位置出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫下端已接近前墻面，裂縫邊緣未發(fā)現(xiàn)明顯錯(cuò)臺(tái)。

通過對前墻，側(cè)墻傾斜度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)前、側(cè)墻無傾斜。

橋臺(tái)頂部混凝土路面板有多條長裂縫，寬度在0.3mm左右，已采用壓力注漿的方式進(jìn)行了封閉。橋臺(tái)頂部伸縮縫工作狀態(tài)良好，未見明顯病害。

2.3 病害原因初步分析

結(jié)合病害調(diào)查資料，可以初步得出以下結(jié)論：

(1)由于從開通運(yùn)營至今，病害橋臺(tái)頂部混凝土面板未進(jìn)行過板底壓漿處置，可以排除由于壓漿導(dǎo)致橋臺(tái)開裂的可能。

(2)現(xiàn)場勘查中發(fā)現(xiàn)前墻及臺(tái)帽完好，前墻沉降縫無明顯變化，且一般由基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫是由基礎(chǔ)底部向上發(fā)展，本病害裂縫從側(cè)墻頂部出現(xiàn)，向下發(fā)展，可直接排除由于基礎(chǔ)不均勻沉降引起的橋臺(tái)開裂可能。

(3)病害橋臺(tái)頂部伸縮縫工作狀態(tài)良好，未見明顯錯(cuò)臺(tái)，橋臺(tái)頂部混凝土面板無明顯沉降，可以排除由于橋頭跳車引起的沖擊破壞可能。

(4)U型橋臺(tái)由于結(jié)構(gòu)封閉，臺(tái)內(nèi)易積水，當(dāng)填土夾雜黏性土?xí)r，積水后將降低填土內(nèi)摩擦角φ值，增大臺(tái)后填土壓力。而U型橋臺(tái)在前墻和側(cè)墻交匯處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，土壓力增大導(dǎo)致的橋臺(tái)開裂往往發(fā)生在前、側(cè)墻連接位置。由橋臺(tái)竣工圖得知，此橋臺(tái)沒有消減應(yīng)力集中的構(gòu)造設(shè)計(jì)，也未設(shè)置臺(tái)內(nèi)導(dǎo)、排水系統(tǒng)，存在一定的設(shè)計(jì)缺陷?，F(xiàn)場勘查中發(fā)現(xiàn)橋臺(tái)頂部混凝土面板存在多條較長裂縫，雖已處理，但滲水情況不明，當(dāng)時(shí)正處于廣西汛期，降雨量豐富，臺(tái)內(nèi)是否存在積水需通過鉆孔取芯進(jìn)一步探明。

(5)根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)，斜交U型橋臺(tái)由于結(jié)構(gòu)的不對稱性，橋臺(tái)鈍角角隅處土壓力產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力要明顯高于銳角位置。而此次病害裂縫出現(xiàn)在斜交橋臺(tái)銳角位置，鈍角位置結(jié)構(gòu)完好。從現(xiàn)場勘查來看，裂縫呈上寬下窄發(fā)展，裂縫邊緣無明顯錯(cuò)臺(tái)，不符合由臺(tái)背土壓力導(dǎo)致的開裂特征。但橋梁病害的出現(xiàn)往往伴隨有特殊性，要明確病害原因需要進(jìn)一步了解裂縫在混凝土內(nèi)部的發(fā)展情況后再綜合分析。

(6)根據(jù)斜交橋受力特點(diǎn)，斜交橋支座反力不均衡，梁體鈍角角隅處的支座反力要比銳角角隅處的大很多，而本橋中最大的支座反力正好作用于橋臺(tái)銳角區(qū)域，即本橋臺(tái)發(fā)生病害的位置(梁體鈍角角隅對應(yīng)橋臺(tái)銳角角隅)。由此懷疑本橋臺(tái)病害與斜交橋支座反力不均衡，在行車荷載作用下導(dǎo)致的橋臺(tái)剪切破壞有關(guān)。

(7)實(shí)踐證明混凝土開裂病害中，混凝土質(zhì)量缺陷問題是導(dǎo)致開裂的一個(gè)重要原因，需要進(jìn)一步了解臺(tái)身混凝土的澆筑質(zhì)量是否滿足要求。

2.4 鉆孔取芯

為了探明裂縫在混凝土內(nèi)部發(fā)展情況及臺(tái)身混凝土澆筑質(zhì)量，對病害部位臺(tái)身混凝土進(jìn)行了鉆孔取芯。鉆孔位置沿裂縫豎向長度三等分線布置，由橋臺(tái)前墻鉆入，取芯孔徑76mm。

其中1-1#、2-1#取芯孔距離側(cè)墻邊緣1.2m。1-2#、2-2#取芯孔距離側(cè)墻邊緣1.8m。上下兩排取芯孔孔距為1m。

表1 取芯結(jié)果表

根據(jù)取芯結(jié)果初步判斷：(1)病害裂縫并未貫穿至橋臺(tái)內(nèi)部，僅在橋臺(tái)前墻分布，破裂面到前墻的距離向前墻中部和前墻下部方向呈遞減趨勢，即整個(gè)斷裂面在橋臺(tái)銳角上部呈切削狀布置；(2)臺(tái)身混凝土存在質(zhì)量缺陷。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證裂縫破裂面在混凝土內(nèi)部發(fā)展形態(tài)及探明橋臺(tái)內(nèi)部是否存在積水問題，增加了1-3#、1-4#、2-3#驗(yàn)證取芯孔(見取芯孔布置圖)。其中1-3#、1-4#孔分別距離橋臺(tái)側(cè)墻邊緣2m和9m，均在臺(tái)帽下緣處布置。2-3#孔在前墻底部布置，采用加長鉆桿，直接鉆入橋臺(tái)內(nèi)部。

驗(yàn)證取芯孔芯樣結(jié)果如表2所示。

表2 驗(yàn)證孔取芯結(jié)果表

前后兩次取芯結(jié)果表明：裂縫未貫穿至橋臺(tái)內(nèi)部，僅在橋臺(tái)前墻發(fā)展，裂縫破裂面在橋臺(tái)銳角上部呈切削狀分布，符合在豎向荷載作用下剪切破壞特征，同時(shí)斷裂面混凝土存在骨料缺失，說明混凝土存在質(zhì)量缺陷，驗(yàn)證了之前關(guān)于病害原因的分析。

3 加固方案比選

3.1 方案比選

綜上所述，靜脈竇血栓的特點(diǎn)是病因復(fù)雜，發(fā)病形式多種多樣，臨床表現(xiàn)也沒有特異性，診斷困難，容易漏診。因此臨床上對于此病的早于診斷至關(guān)重要，DSA檢測對患者具有創(chuàng)傷性及一些副作用，而三維磁共振靜脈成像則沒有DSA的一些限制，在檢查患者方面，兩者差別不大，在一定程度上可以代替DSA，值得在臨床推廣使用。

方案一：沿墻身開裂處灌注M20水泥砂漿，同時(shí)在梁底搭設(shè)貝雷支架，然后在前墻、側(cè)墻外側(cè)澆筑40cm厚的鋼筋混凝土墻，與原墻等高，并在前墻、側(cè)墻上打入鋼花管并注漿，對墻身進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

方案二：沿墻身開裂處壓力灌注環(huán)氧樹脂加固膠進(jìn)行封閉，同時(shí)從橋臺(tái)前墻鉆孔對裂縫破裂面植筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

方案三：對裂縫破裂面混凝土進(jìn)行植筋，在橋臺(tái)銳角上部安裝型鋼格構(gòu)梁后對穿拉桿錨固，對裂縫進(jìn)行靜壓灌注漿封閉，并嚴(yán)格按照植筋→安裝格構(gòu)梁→施擰拉桿→封閉裂縫的施工順序進(jìn)行。

3.2 方案確定

方案一，由于本橋橋臺(tái)寬度達(dá)29.98m，臺(tái)身加強(qiáng)混凝土及鋼花管施工工程量較大，造價(jià)偏大，嚴(yán)重制約工期，同時(shí)鋼花管注漿對改善臺(tái)內(nèi)土壓力效果明顯，但對于提高病害部位混凝土抗剪能力，恢復(fù)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體性意義不大。

方案二，施工簡單，施工周期短，造價(jià)低，但裂縫最大寬度已達(dá)9mm，長度達(dá)3.7m，并且裂縫存在繼續(xù)擴(kuò)寬的趨勢，通過植筋只能提高病害部位混凝土的抗剪能力，不能有效恢復(fù)橋臺(tái)的整體性。同時(shí)環(huán)氧樹脂灌縫料流動(dòng)性較差，必須通過較高壓力注漿才能保證裂縫破裂面填充密實(shí)，但高壓注漿在本橋臺(tái)的加固中存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

方案三，通過植筋及設(shè)置格構(gòu)梁對穿預(yù)應(yīng)力拉桿錨固的方式不僅能提高病害部位混凝土的抗剪能力，也可以有效恢復(fù)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體性，同時(shí)對于消減橋臺(tái)角隅處的應(yīng)力集中也有一定的效果，工程量相對較小，施工周期短，可操作性較強(qiáng)。

4 方案實(shí)施

4.1 方案設(shè)計(jì)

加固方案布置如圖1所示。

(a)橋臺(tái)前墻加固布置圖

(b)橋臺(tái)側(cè)墻加固布置圖

(c)橋臺(tái)加固平面布置圖

植筋鋼筋采用φ25HRB335帶肋鋼筋，全部由前墻鉆入穿過裂縫破裂面，裂縫破裂面兩側(cè)鋼筋錨固深度≥375mm。植筋孔水平向布置3列，間距250mm，豎向布置10排，間距300mm。植筋完成后對前墻植筋孔進(jìn)行封閉。

加固型鋼格構(gòu)梁采用槽28B型鋼及厚度δ=12mm、寬度為40cm的鋼板焊接而成，通過錨栓鋼筋與臺(tái)身混凝土進(jìn)行固定。格構(gòu)梁安裝完成后，對穿預(yù)應(yīng)力拉桿并施擰。預(yù)應(yīng)力拉桿采用φ32PSB785級精軋螺紋鋼筋，共設(shè)置6根。拉桿孔直徑為50mm，由橋臺(tái)前墻鉆入，穿透側(cè)墻。拉桿施擰完成后，對拉桿孔用HPG無收縮自流密實(shí)水泥基高強(qiáng)澆注料全長范圍內(nèi)注漿。為了保證格構(gòu)梁鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，同時(shí)增大結(jié)構(gòu)剛度，最后在格構(gòu)梁表面澆筑30cm厚C30鋼筋混凝土加包層。

裂縫封閉采用HPG無收縮自流密實(shí)水泥基高強(qiáng)澆注料對裂縫進(jìn)行靜壓灌注。

4.2 技術(shù)要點(diǎn)

(1)施工過程中嚴(yán)格按照施工順序進(jìn)行施工，同時(shí)選擇合理的施工機(jī)械，盡可能減少對病害裂縫的擾動(dòng)，并在施工過程中嚴(yán)密監(jiān)測裂縫的發(fā)展。

(2)裂縫破裂面植筋時(shí)必須保證錨固深度，植筋孔成孔后采用空壓機(jī)吹入壓縮空氣，反復(fù)兩到三次，再用毛刷清理孔壁粉塵，最后用丙酮再次將孔壁清理干凈。清孔后要及時(shí)完成植筋。

(3)精軋螺紋鋼拉桿采用長臂扳手?jǐn)Q緊即可，避免預(yù)拉力過大對臺(tái)身混凝土造成二次傷害。

5 加固后效果觀測

加固施工于2015-11-28開始，2015-12-13完成最后混凝土澆筑，歷時(shí)16d。加固完成后按照一周兩次的頻率進(jìn)行了加固后效果觀測。經(jīng)過近半年的觀測，發(fā)現(xiàn)加固后原裂縫未出現(xiàn)繼續(xù)發(fā)展跡象，格構(gòu)梁結(jié)構(gòu)完好，橋臺(tái)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)語

(1)對于橋臺(tái)裂縫病害，產(chǎn)生原因紛繁復(fù)雜，根據(jù)裂縫表面形態(tài)特征往往難以準(zhǔn)確判斷。鉆孔取芯是判明裂縫發(fā)展形態(tài)、揭示病害原因的比較直接有效的方法。

(2)對于發(fā)生剪切破壞類的橋臺(tái)，采取植筋并設(shè)置型鋼格構(gòu)梁對穿拉桿錨固的方式，施工期間不影響交通通行，施工周期短，施工成本低，加固效果良好。

(3)斜交橋梁由于支座反力不均衡，加之U型橋臺(tái)角隅處應(yīng)力集中的問題，橋臺(tái)結(jié)構(gòu)容易在行車荷載作用下產(chǎn)生剪切破壞，在后續(xù)此類橋梁的設(shè)計(jì)中應(yīng)該予以重視。

[1]胡昌斌，張 濤，孫曉亮.斜交U型橋臺(tái)臺(tái)身病害機(jī)理分析及加固設(shè)計(jì)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008.7：587-593.

[2]劉建雄，吳美君.豎向開裂U型橋臺(tái)加固方案探索與應(yīng)用[J].湖南交通科技，2012.9：96-99.

[3]劉金璽.斜交連續(xù)小箱梁靜力特性分析[D].西安：長安大學(xué)，2013.

Sidewall Cracking Disease Analysis and Reinforcement Design of Skew U-shaped Bridge Abutment

FAN Yi

(Guangxi Wuzhou Cenwu Expressway Co.，Ltd.，Wuzhou，Guangxi，543000)

With an expressway skew bridge in Guangxi Wuzhou as the example，this article analyzed the U-shaped bridge abutment sidewall cracking disease and its causes，proposed the reinforcement design program by using the anchorage gag frame beam across the prestressed anchor rod，and through the reinforcement effect observation in later period，it confirmed that this reinforcement construction achieved the desired effect.

Skew bridge；U-type bridge abutment；Sidewall cracking；Shear failure；Reinforcement design

U445.7+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.013

1673-4874(2016)10-0046-05

2016-09-06

范 毅(1989—)，工程師，研究方向：高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理。