大跨度連續(xù)梁橋病害成因分析及維修改造設(shè)計(jì)

徐曉東，黃浩，鄭國(guó)華

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥230088）

大跨度連續(xù)梁橋病害成因分析及維修改造設(shè)計(jì)

徐曉東，黃浩，鄭國(guó)華

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥230088）

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在運(yùn)營(yíng)若干年后，容易出現(xiàn)箱梁腹板開裂、頂、底板縱橫向裂縫，跨中下?lián)系炔『?，這些病害嚴(yán)重影響到橋梁的結(jié)構(gòu)的安全及正常使用。以某淮河大橋?yàn)槔榻B了該橋出現(xiàn)的病害情況，分析了病害產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了分階段的維修改造設(shè)計(jì)和方案比選，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全及適用性、運(yùn)營(yíng)管理、預(yù)期使用壽命、社會(huì)影響、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、建設(shè)安裝費(fèi)等，建議采用方案二作為此次橋梁維修改造的方案。

連續(xù)梁橋；橋梁病害；加固設(shè)計(jì)；方案比選

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋由于施工工藝簡(jiǎn)單成熟、材料來(lái)源廣泛、工程造價(jià)低、使用性能好、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，在我國(guó)現(xiàn)役橋梁中占有較大的比重[1]。盡管預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具備諸多優(yōu)勢(shì)，但由于早期設(shè)計(jì)理論不完善、施工質(zhì)量缺陷、負(fù)荷超載以及管養(yǎng)工作不力等方面的原因[2]，造成大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間之后，容易出現(xiàn)箱梁腹板斜向或豎向開裂，底板縱向、橫向或斜向開裂，頂板縱向開裂，跨中變形等病害[3]，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常使用，有必要進(jìn)行維修改造。橋梁維修加固改造是一項(xiàng)十分重要而又需要將專業(yè)知識(shí)靈活運(yùn)用的工作，綜合考慮病害成因、影響范圍、維修加固技術(shù)、成本管理等因素，選擇合理的維修改造措施是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。

本文依托于某淮河公路大橋，首先介紹了該橋的基本情況，并根據(jù)數(shù)次檢測(cè)報(bào)告，對(duì)橋梁的病害發(fā)展情況進(jìn)行了分析并給予了對(duì)應(yīng)的加固措施。最后根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)拆除后的現(xiàn)場(chǎng)反饋，對(duì)該橋病害出現(xiàn)的可能原因進(jìn)行了剖析。

1 工程概述

某淮河公路大橋主橋跨徑布置為65 m+98 m+65 m變截面連續(xù)梁（見(jiàn)圖1、圖2），是105國(guó)道跨越淮河的一座重要橋梁。橋面寬度20.5 m，橋面布置為：0.5 m（防撞護(hù)欄）+19.5 m（橋面凈寬）+0.5 m（防撞護(hù)欄）；設(shè)計(jì)汽車荷載為：汽車-超20級(jí)，掛車-120；設(shè)計(jì)通航：Ⅲ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)，凈寬40 m，凈高8 m，最高通航水位28.37 m；抗震等級(jí)：地震烈度6度，按7度設(shè)防。該淮河公路大橋于1998年7月設(shè)計(jì)完成，1999年10月建成通車。主橋在責(zé)任缺陷期內(nèi)，發(fā)現(xiàn)主跨底板即出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖1 淮河大橋主橋整體概貌

該大橋從2000年9月至2014年3月先后進(jìn)行了多次專項(xiàng)定期檢測(cè)及評(píng)定。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：主橋中跨合攏段箱內(nèi)頂、底板存在混凝土崩裂現(xiàn)象；箱梁腹板存在大量斜向裂縫，部分裂縫縫寬超限，貫穿腹板；中跨箱內(nèi)有部分預(yù)應(yīng)力束齒板存在開裂現(xiàn)象；墩頂橫隔墻普遍有開裂現(xiàn)象；少數(shù)盆式支座上下地腳螺栓存在抵觸現(xiàn)象，影響支座滑動(dòng)及減震功能；墩頂處橋面鋪裝破損較嚴(yán)重；主橋技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)論表明該橋主橋橋面系為4級(jí)、上部結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件為5級(jí)，下部結(jié)構(gòu)為3級(jí)，綜合評(píng)定為四類橋梁。

圖2 淮河大橋主橋橋跨布置圖

2 橋梁病害及成因分析

2.1 橋梁病害情況

（1）邊跨病害情況

9#墩第13#塊右腋板有1處空洞，S=0.3 m×0.2 m，露筋兩根，均長(zhǎng)0.1 m（見(jiàn)圖3（a））；第11#塊下齒板有1條順橋向裂縫，L=0.6 m，W=0.10 mm（見(jiàn)圖3（b））。

圖3 第9跨箱室內(nèi)病害情況

箱內(nèi)腹板裂縫封縫處理較好，未見(jiàn)明顯變化。主要病害表現(xiàn)在10#墩9、10號(hào)塊結(jié)合處右腋板，存在空洞漏筋現(xiàn)象和11跨現(xiàn)澆塊與懸澆跨之間空洞漏筋現(xiàn)象（見(jiàn)圖4、圖5）。

圖4 腋板空洞露筋

圖5 現(xiàn)澆塊接縫處空洞露筋

箱外底板有3處裂縫（見(jiàn)圖6），縫寬0.16～0.18 mm，另外有1處露筋銹蝕現(xiàn)象（見(jiàn)圖7）。

圖6 第9跨底板裂縫平面示意圖（單位：mm）

圖7 第9跨箱室外病害情況

（2）主跨病害情況

該跨箱梁腹板裂縫在2010年加固時(shí)已經(jīng)采用環(huán)氧樹脂或壓力灌膠處理，已經(jīng)處理的裂縫未見(jiàn)明顯變化。箱梁內(nèi)齒板裂縫未處理，且寬度稍有增大，最大達(dá)到5 mm，為9號(hào)墩11＃塊左齒板豎向裂縫（見(jiàn)圖8）。

圖8 箱室內(nèi)齒板開裂

箱外腹板裂縫和底板均未進(jìn)行專門處理，僅作涂裝處理，腹板裂縫和底板縱向裂縫均從涂裝反射出來(lái)，涂裝反射的裂縫寬度約為0.1～0.3 mm之間（見(jiàn)圖9）。

圖9 腹板與底板裂縫分布

箱室底板外側(cè)裂縫情況見(jiàn)圖10。

圖10 主橋主跨底板外側(cè)裂縫分布示意圖

箱外觀察總體線形，從護(hù)欄向下扭曲結(jié)合橋面高程測(cè)量分析，主跨下?lián)厦黠@，跨中合攏段下?lián)?8.15 cm（見(jiàn)圖11）。

圖11 橋面兩側(cè)護(hù)欄跨中處向下扭曲，有明顯下?lián)?/p>

2.2 病害成因分析

主橋病害主要集中表現(xiàn)在箱梁中跨底板、主梁腹板以及齒板出現(xiàn)較多裂縫、跨中下?lián)厦黠@。造成主梁箱梁底板，腹板以及齒板出現(xiàn)嚴(yán)重開裂的原因眾多，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合調(diào)查資料分析后，認(rèn)為引橋主橋出現(xiàn)病害的主要原因有以下方面：

（1）設(shè)計(jì)理念的不同

該橋設(shè)計(jì)于20世紀(jì)90年代，正是我國(guó)交通建設(shè)開始迅速發(fā)展的時(shí)候，那個(gè)時(shí)代大跨徑橋梁設(shè)計(jì)理論還有待進(jìn)一步完善，對(duì)于大跨徑混凝土箱梁橋還處于探索及經(jīng)驗(yàn)積累階段，導(dǎo)致以下的問(wèn)題出現(xiàn)：

a.箱梁橫向腹板間距較大，剪力滯效應(yīng)及箱梁畸變效應(yīng)較為明顯；

b.由于歷史設(shè)計(jì)理念的局限，1997年左右流行懸澆箱梁抗剪主要通過(guò)主梁豎向精軋螺紋鋼抗剪，腹板均未配置下彎鋼束；

c.混凝土收縮徐變效應(yīng)理論不完善，對(duì)主梁應(yīng)力、撓度等影響的程度還無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。

（2）施工質(zhì)量上的差距

a.施工質(zhì)量較差，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，箱梁內(nèi)存在多處空洞和振搗不密實(shí)以及脹?，F(xiàn)象；

b.齒板處鋼筋以及預(yù)應(yīng)力管道密集，混凝土澆筑時(shí)，極易出現(xiàn)振搗不足、振搗不到位或振搗過(guò)振等現(xiàn)象，從而造成齒板各處混凝土強(qiáng)度不均勻；

c.實(shí)際橋面鋪裝層厚度普遍超出設(shè)計(jì)值，最大厚度達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的2倍，即最大達(dá)到20 cm，造成二期恒載過(guò)大，對(duì)主梁受力不利的影響；

d.全橋腹板大量裂縫未進(jìn)行處理，主梁跨中箱梁底板下緣縱向裂縫未進(jìn)行處理，箱內(nèi)增設(shè)一道桁架腹板在改善橫橋向的受力同時(shí)，對(duì)縱橋向起到一定的恒載作用，特別在新增腹板與原箱梁頂?shù)装迕撾x時(shí)。

（3）運(yùn)營(yíng)管理的現(xiàn)實(shí)

a.車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，橋址兩岸裝砂超載車輛極多，過(guò)橋超載車輛普遍，特別在2010年大橋設(shè)立治超站以前，超載現(xiàn)象更為嚴(yán)重，未設(shè)立治超站之前，過(guò)橋車輛最大可達(dá)到150余t的6軸貨車。

b.橋梁養(yǎng)護(hù)資金、技術(shù)力量不足。由于技術(shù)力量、資金等因素的限制，發(fā)現(xiàn)病害未能及時(shí)有效處理，導(dǎo)致病害進(jìn)一步加重從而引起結(jié)構(gòu)的連鎖反應(yīng)；缺少對(duì)結(jié)構(gòu)的日常監(jiān)測(cè)，無(wú)法準(zhǔn)確判斷諸如主梁下?lián)系惹闆r；建設(shè)、施工、養(yǎng)護(hù)等資料收集、整理不完善，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的了解和分析。

（4）各種因素的相互作用（見(jiàn)圖12）

圖12 多重因素相互作用示意圖

a.根據(jù)2004年監(jiān)測(cè)報(bào)告可知，主梁至2009年加固后至今，剛度降低較大。因此如考慮跨中箱梁底板開裂，剛度的折減，在超載作用下，主梁底緣所受拉應(yīng)力將進(jìn)一步增大，這也是主梁在2014年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)底板開始出現(xiàn)橫向裂縫的主要原因之一。

b.主梁豎向撓度的增大、齒板裂縫的增大，都逐漸造成預(yù)應(yīng)力損失不斷增大，有效預(yù)應(yīng)力不斷減小。

c.主梁收縮、徐變效應(yīng)的影響，導(dǎo)致主梁預(yù)應(yīng)力的損失，從而進(jìn)一步加劇了主梁的下?lián)虾椭髁旱拈_裂。

3 橋梁維修改造方案設(shè)計(jì)與比選

3.1 維修改造的必要性和目的

根據(jù)該淮河公路大橋養(yǎng)護(hù)定期檢測(cè)報(bào)告，主橋上部承重構(gòu)件均評(píng)定為5級(jí)；主橋總體技術(shù)狀況評(píng)分為56.32，總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定分別為四類。

根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTGH11-2004）第3.5.條規(guī)定：三類橋梁需進(jìn)行中修，酌情進(jìn)行交通管制；四類橋梁需進(jìn)行大修或改造，及時(shí)進(jìn)行交通管制，如限載、限速通過(guò)，當(dāng)缺損較嚴(yán)重時(shí)應(yīng)關(guān)閉交通；五類橋梁需要進(jìn)行改建或重建，及時(shí)關(guān)閉交通。

根據(jù)上述方面的綜合分析并結(jié)合橋梁的檢測(cè)情況和現(xiàn)狀，該橋主橋總體技術(shù)狀況較差，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全，影響G105的正常運(yùn)行，對(duì)沿線居民及當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活有很大影響，因此，有必要對(duì)該橋進(jìn)行維修加固甚至拆除重建，本次維修改造的目的主要有以下方面：

（1）保證結(jié)構(gòu)的安全性；

（2）恢復(fù)橋梁的使用功能；

（3）在安全性和適用性得到保證的前提下考慮改造方案全壽命期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 維修改造方案設(shè)計(jì)

為達(dá)到前述維修改造目的，解決目前該橋出現(xiàn)的問(wèn)題，本階段確定的處理方案主要有：主橋維修加固方案設(shè)計(jì)；主橋上部結(jié)構(gòu)更換方案。

（1）方案一：主橋維修加固方案

主要內(nèi)容有：鑿除原主橋橋面鋪裝層；主墩下部基礎(chǔ)施工；主梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工；主梁局部修補(bǔ)及局部補(bǔ)強(qiáng)(含主梁梁底粘貼鋼板局部補(bǔ)強(qiáng))、鋼筋銹蝕處理,裂縫處理；主墩局部修補(bǔ)及局部補(bǔ)強(qiáng)；更換橋面鋪裝層和伸縮縫等。

（2）方案二：主橋上部結(jié)構(gòu)更換方案

主要內(nèi)容有：拆除箱梁，改建上部結(jié)構(gòu)；主墩及過(guò)渡墩維修改造等。

3.3 方案比選

方案一（維修加固方案設(shè)計(jì)）和方案二（上部構(gòu)件更換、下部維修利用方案）分別從維修和更換構(gòu)件兩個(gè)方向出發(fā)對(duì)主橋和跨堤引橋進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，以下從幾個(gè)方面對(duì)二個(gè)方案進(jìn)行詳細(xì)比較，并根據(jù)比選結(jié)果提出推薦方案：

（1）結(jié)構(gòu)安全及適用性

方案一在常規(guī)維修處理的基礎(chǔ)上，主橋?qū)χ髁哼M(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固處理，但考慮到本橋部分基礎(chǔ)資料不全，目前很難對(duì)該橋進(jìn)行詳細(xì)的、精確的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，體外預(yù)應(yīng)力的設(shè)置可能會(huì)造成某些局部區(qū)域的受力風(fēng)險(xiǎn)，因此方案一體外預(yù)應(yīng)力加固存在較大的加固風(fēng)險(xiǎn)，后期運(yùn)營(yíng)期需要定期觀測(cè)并采取一定限載通行方案。

另外由于主橋原結(jié)構(gòu)無(wú)腹板下彎鋼束等先天缺陷無(wú)法消除，已出現(xiàn)的裂縫及隱含未發(fā)現(xiàn)的病害將作為永久缺陷存在于橋梁服役期，因此該橋采取維修加固方案，結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營(yíng)均存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，加固效果難以達(dá)到理想設(shè)計(jì)效果。

方案二將原有上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行更換，徹底消除了原有病害，在橋梁建設(shè)之初就能夠采用成熟的經(jīng)驗(yàn)和理論，按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，保證在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不出現(xiàn)大的問(wèn)題，從根本上達(dá)到本次維修改造的目的。

（2）運(yùn)營(yíng)管理、社會(huì)影響方面

a.運(yùn)營(yíng)管理方面

方案一由于缺陷無(wú)法根本消除，維修效果難以保證，本次維修后在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能出現(xiàn)病害進(jìn)一步擴(kuò)大或新增病害的風(fēng)險(xiǎn)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理可能出現(xiàn)的病害，保證橋梁結(jié)構(gòu)及來(lái)往群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，必須進(jìn)行短周期或?qū)崟r(shí)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)平時(shí)的人工巡檢和養(yǎng)護(hù)。

方案二采取更換上部構(gòu)件，相當(dāng)于新建橋梁，檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)周期均按照新建橋梁進(jìn)行，相比方案一、方案二的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)投入的成本和任務(wù)量明顯降低，從而減小對(duì)地方養(yǎng)護(hù)部門的壓力和交通壓力。

b.社會(huì)影響方面

方案一采取維修加固方案設(shè)計(jì)，僅僅需要對(duì)主梁進(jìn)行局部鑿除，無(wú)需全線雙幅封閉交通，短期內(nèi)交通和社會(huì)影響較小，但考慮到該橋加固后效果不能保證完全達(dá)到理想效果，后期運(yùn)營(yíng)期需要定期觀測(cè)和一定程度上的限載通行，對(duì)沿線交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生一定影響,社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)效益較差；方案二需拆除上部構(gòu)件，臨時(shí)封閉交通，短期內(nèi)社會(huì)影響可能較大，但只要采取一定措施可以將該影響減小到最小，且建成后無(wú)需限載通行，長(zhǎng)期影響較小，經(jīng)濟(jì)效益較好，特別對(duì)周邊交通影響降低到最小，且為周邊交通通暢作出較大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）綜合考慮結(jié)構(gòu)安全及適用性、運(yùn)營(yíng)管理、預(yù)期使用壽命、社會(huì)影響、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、建設(shè)安裝費(fèi)等，方案二較方案一更具有上述的優(yōu)勢(shì)，可以成為本次橋梁加固改造的推薦方案。

（2）大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度過(guò)大與腹板開裂已成為我國(guó)具有典型型橋梁病害，在橋梁運(yùn)營(yíng)短期內(nèi)開始出現(xiàn)該種病害的維修加固已不下于十座，但是目前為止，仍缺乏行之有效的技術(shù)手段予以消除。

（3）橋梁病害的出現(xiàn)應(yīng)及時(shí)對(duì)其做出反應(yīng)，病害會(huì)加速橋梁剛度降低，后期造成很大的損失，影響到橋梁的使用壽命。

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[2] 周劍.連續(xù)剛構(gòu)橋跨中合龍段底板崩裂的防治研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009.

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U445.7+1

B

1009-7716（2017）11-0090-05

2017-06-01

徐曉東（1969-），男，安徽合肥人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.026