桐梓壩大橋主橋病害分析與加固

田 野

(內(nèi)江市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站， 四川內(nèi)江 641100)

截至2016年末,我國(guó)橋梁數(shù)量達(dá)80.53萬(wàn)座，其中連續(xù)剛構(gòu)橋占的比重較大。與同跨徑的懸索橋、斜拉橋相比，連續(xù)剛構(gòu)橋具有施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低、維修量小、受力合理與行車舒適的特點(diǎn)，是目前橋梁建設(shè)中較為常用的橋梁結(jié)構(gòu)型式之一。但由于設(shè)計(jì)理論的不完善、施工質(zhì)量瑕疵以及運(yùn)營(yíng)過程中的養(yǎng)護(hù)與管理不到位等多方面因素，導(dǎo)致該類型橋梁存在較多病害，影響了結(jié)構(gòu)的安全性、承載能力與耐久性。因此必須重視舊橋的維修加固，并采取針對(duì)性的維修加固措施，保證橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)能力、結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定。現(xiàn)有的橋梁加固方法更多的用于上部結(jié)構(gòu)的主梁加固，多為增加主梁的截面面積或在主梁上粘貼鋼板或纖維布。雖然在一定程度上能夠保證結(jié)構(gòu)的承載能力或減緩病害的進(jìn)一步發(fā)展，但并沒有改變結(jié)構(gòu)的受力體系，當(dāng)橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，原有病害會(huì)再次顯現(xiàn)，導(dǎo)致加固費(fèi)用的損失，因此有必要對(duì)具體的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固方法效果比較研究[1-3]。針對(duì)內(nèi)江市桐梓壩大橋，進(jìn)行典型病害類型、病害原因分析、加固效果評(píng)價(jià)與后期建議的主梁加固方案等方面進(jìn)行研究，為該橋的后期維修加固提供新思路與加固建議，并為同類型的大橋加固工程提供參考。

1 工程實(shí)例概況

桐梓壩大橋于2003年建成通車，位于四川省內(nèi)江市東桐路，跨越沱江，市中區(qū)側(cè)方向引橋?yàn)?跨部分預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆異形板梁，主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)梁，東興區(qū)方向引橋?yàn)?跨鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，該橋由左、右兩幅獨(dú)立的橋梁組合而成。橋梁全長(zhǎng)454.11 m，主橋總寬33 m，橋面布置為：3.5 m(護(hù)欄及人行道)+12 m(行車道)+2 m(中央分隔帶)+12 m(行車道)+3.5 m(人行道及護(hù)欄)。桐梓壩大橋主橋立面布置見圖1，平面布置見圖2。

圖1 桐梓壩大橋主橋立面布置(單位：cm)

圖2 桐梓壩大橋主橋平面布置(單位：cm)

橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)為(70+126+70) m預(yù)應(yīng)力混凝土雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)梁橋。連續(xù)剛構(gòu)梁體為單箱單室變截面箱梁體結(jié)構(gòu)，支墩處梁高7.0 m，跨中及邊跨梁端處高2.8 m，梁體下緣除中跨跨中部10 m梁段和邊跨端部11.87 m梁段為等高直線段外，其余為拋物線。薄壁墩處箱梁構(gòu)造見圖3，跨中斷面箱梁構(gòu)造見圖4。

圖3 薄壁墩處箱梁構(gòu)造(單位：cm)

圖4 跨中斷面箱梁構(gòu)造(單位：cm)

本橋在2014年檢測(cè)時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)中跨梁體跨中位置下?lián)?，且連續(xù)剛構(gòu)梁體內(nèi)部出現(xiàn)較多結(jié)構(gòu)型裂縫，問題較為嚴(yán)重。故在檢測(cè)后，對(duì)本橋主橋上箱梁進(jìn)行了維修加固設(shè)計(jì)及施工。

2 主梁典型病害、成因與修固方法

2014年初，對(duì)該橋進(jìn)行了橋體結(jié)構(gòu)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主橋主梁(箱梁)存在主要典型病害。

2.1 箱梁的典型病害

左、右幅橋的中跨跨中梁體有明顯的下?lián)希渲猩嫌畏鶚蜃畲笙聯(lián)现禐?1.1 cm，下游幅橋最大下?lián)现禐?1.04 cm。在主橋中跨1/4截面及邊跨跨中截面附近，箱梁腹板內(nèi)表面出現(xiàn)了斜向裂縫，大致與頂板呈20°～60°夾角的(斜裂縫均傾向支點(diǎn))。每幅橋的邊跨現(xiàn)澆段及中跨跨中截面附近箱梁頂板內(nèi)表面產(chǎn)生了縱向裂縫與橫向裂縫(圖5)。兩幅橋的箱梁內(nèi)頂面齒板(預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上)出現(xiàn)了較為明顯的豎向裂縫。箱梁表面有少量小面積的網(wǎng)裂區(qū)、空洞露筋區(qū)、混凝土剝落露筋銹蝕區(qū)(圖6)。

圖5 箱梁頂板內(nèi)表面縱向裂縫

圖6 混凝土破損露筋

2.2 箱梁的典型病害成因及修固方法[4-5]

箱梁的大量開裂導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)豎向抗彎能力明顯降低，從而致使結(jié)構(gòu)剛度持續(xù)發(fā)生變化，主梁跨中截面出現(xiàn)下?lián)犀F(xiàn)象。

箱梁開裂成因分析：

(1)腹板內(nèi)表面斜向開裂原因是該類裂縫是由于主拉應(yīng)力過大造成的，梁體豎向(縱向)預(yù)應(yīng)力有效性降低會(huì)引起主梁承受的拉應(yīng)力大于混凝土容許拉應(yīng)力。

(2)頂板內(nèi)表面縱向開裂原因主要是懸澆箱梁分節(jié)段施工過程中前、后階段收縮、徐變不協(xié)調(diào)造成的，同時(shí)本橋箱梁頂板縱向預(yù)應(yīng)力平彎設(shè)置不合理以及施工不規(guī)范等也可能引起頂板縱向開裂，由于該病害不影響結(jié)構(gòu)安全使用，故不進(jìn)行加固處治。但考慮到結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)其進(jìn)行封閉灌漿處理。

(3)頂板內(nèi)表面橫向開裂的現(xiàn)象是裂縫分布無明顯規(guī)律，且多處于箱梁受壓位置，故判斷為非受力裂縫，主要是由于混凝土收縮徐變、溫度作用所致，對(duì)其封閉灌漿處理即可。

(4)頂面齒板豎向裂縫主要是張拉曲線預(yù)應(yīng)力鋼束，產(chǎn)生的橫向力造成，由于目前裂縫已經(jīng)穩(wěn)定，不會(huì)繼續(xù)開裂，故對(duì)其進(jìn)行封閉灌漿處理。

(5)根據(jù)該橋竣工圖及監(jiān)控資料，該橋未設(shè)置預(yù)拱度及施工階段的預(yù)拋高也是造成主梁非正常下?lián)系闹饕颉?/p>

(6)箱梁出現(xiàn)空洞露筋、混凝土剝落露筋銹蝕的主要原因是施工過程中，施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格，未按照施工規(guī)范進(jìn)行施工。維修加固方法為先鑿除其周圍松散的混凝土，對(duì)銹蝕的鋼筋進(jìn)行除銹、防銹處理后，再用高強(qiáng)度環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，以提高梁體的耐久性。對(duì)箱梁寬度大于0.15 mm的裂縫進(jìn)行灌漿處理，對(duì)寬度小于0.15 mm的裂縫及網(wǎng)裂區(qū)進(jìn)行封閉處理。在箱梁腹板的中跨1/4截面、邊跨跨中截面的一定范圍內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板(圖7)。

圖7 箱梁腹板處粘貼的預(yù)應(yīng)力碳纖維板

3 箱梁加固后效果評(píng)價(jià)

3.1 箱梁裂縫注漿效果評(píng)價(jià)

該橋在主梁(箱梁)維修加固完成后，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，在箱梁裂縫處采用取芯法對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，芯樣檢驗(yàn)采用劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定方法，檢測(cè)結(jié)果為：1#芯樣發(fā)生在界面上的破壞長(zhǎng)度為88.00 mm，破壞面積為88.00×55.01=4 840.9 mm2，占總劈裂面面積的88 %；2#芯樣發(fā)生在界面上的破壞長(zhǎng)度為100.01 mm，破壞面積為100.01×55.00=5 500.6 mm2，占總劈裂面面積的100 %。兩處芯樣發(fā)生在界面上的破壞面積大于破壞面總面積的15 %，不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。1#和2#芯樣灌膠和修補(bǔ)表面裂縫見圖8，2#芯樣混凝土內(nèi)未能灌滿膠的裂縫見圖9。

圖8 1#和2#芯樣灌膠和修補(bǔ)表面裂縫

圖9 2#芯樣混凝土內(nèi)未能灌滿膠的裂縫

該橋主梁由于箱體裂縫產(chǎn)生了下?lián)?，但目前裂縫已經(jīng)穩(wěn)定，不會(huì)繼續(xù)開裂，故對(duì)其進(jìn)行封閉灌漿處理。雖然采用取芯法對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但鑒于桐梓壩大橋箱梁裂縫病害不影響結(jié)構(gòu)安全使用，裂縫處理的意圖是延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)耐久性，設(shè)計(jì)單位并沒有對(duì)裂縫界面飽滿程度進(jìn)行要求，而是將裂縫“封閉膠表面平整、無脫落、開裂”作為是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 箱梁裂縫發(fā)展?fàn)顩r評(píng)價(jià)

2016年6月，對(duì)2014年加固后的桐梓壩大橋進(jìn)行定期檢查，結(jié)果是上次箱梁加固后的位置沒有產(chǎn)生新的裂縫，且裂縫能夠保持穩(wěn)定，表明該橋加固后與加固前相比，箱梁裂縫的發(fā)展速度減少，已經(jīng)采取維修加固措施的裂縫沒有進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)通過對(duì)該橋左、右幅第4跨(即中跨)線形進(jìn)行測(cè)量，與2014年實(shí)測(cè)線形進(jìn)行對(duì)比，線形擬合較好，橋梁進(jìn)行加固維修后，無進(jìn)一步下?lián)馅厔?shì)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，桐梓壩大橋Dr值為88.6分，全橋技術(shù)狀況最終評(píng)定為“2類”，即“較好狀態(tài)”，但在檢查中發(fā)現(xiàn)箱梁新產(chǎn)生了裂縫5條，最大寬度0.08 mm；網(wǎng)裂兩處，S=3 m2，說明橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力與耐久性仍然在下降。

通過桐梓壩大橋定期檢查結(jié)果表明暫時(shí)的維修加固或者耐久性修補(bǔ)措施具有一定的降低病害、保證橋梁承載能力的效果，但從長(zhǎng)期的橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)方面來說，封閉灌漿、表面裂縫修補(bǔ)及增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板并沒有改變連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性，箱梁的病害可能會(huì)隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)、耐久性的下降變得更加嚴(yán)重，因此有必要提前探討主梁的加固方式，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，維持橋梁結(jié)構(gòu)安全性。

4 主梁加固方案優(yōu)選

4.1 板—拱結(jié)構(gòu)加固方案

現(xiàn)有的橋梁主梁的加固方法[8-9]，多為在主梁上粘貼鋼板。雖能增加結(jié)構(gòu)的承載能力，減緩病害的發(fā)展，但并沒有改變結(jié)構(gòu)的受力體系，當(dāng)橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，原有病害會(huì)再次顯現(xiàn)，因此有必要對(duì)具體的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的加固方法效果比較。

如圖10所示，為簡(jiǎn)支梁與板—拱結(jié)構(gòu)共同受力圖。圖10(a)雖然與連續(xù)剛構(gòu)橋受力有區(qū)別，但在跨中，簡(jiǎn)支梁與連續(xù)剛構(gòu)均為梁體底面受拉，而連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底面受拉是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生下?lián)系闹饕颍虼艘院?jiǎn)支梁代替連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行研究，具有可行性。

(a)簡(jiǎn)支梁

(b) 板—拱組合結(jié)構(gòu)圖10 簡(jiǎn)支梁與板—拱結(jié)構(gòu)共同受力(單位:m)

4.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立橋梁原結(jié)構(gòu)與板—拱加固后結(jié)構(gòu)的有限元模型，其中板拱結(jié)構(gòu)的標(biāo)高與尺寸如圖10(b)所示。如圖11所示，為原結(jié)構(gòu)與板—拱結(jié)構(gòu)梁體受力圖。

由圖10可得，與原結(jié)構(gòu)相比，板—拱加固后的梁體內(nèi)部應(yīng)力、位移均較原結(jié)構(gòu)減少約一個(gè)數(shù)量級(jí)；而改造后的結(jié)構(gòu)梁端支座反力有所增加，最大豎向力位置位于拱結(jié)構(gòu)梁端拱腳處，最大豎向力大約為原結(jié)構(gòu)的1.53倍。這表明板—拱結(jié)構(gòu)加固橋梁方案能減小梁體跨中撓度，但新增加的拱結(jié)構(gòu)會(huì)增加墩柱底部或下部基礎(chǔ)的豎向力，加固時(shí)應(yīng)采取墩柱底部或下部基礎(chǔ)的保護(hù)措施。

5 結(jié) 論

以內(nèi)江市桐梓壩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)主橋典型病害類型、病害原因、加固效果與加固改造建議進(jìn)行分析與探討，得到的結(jié)論如下：

(1)連續(xù)剛構(gòu)橋主橋的典型病害主要為上、下游幅橋均出現(xiàn)下?lián)希殡S有斜向裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫與豎向裂縫。箱梁表面出現(xiàn)網(wǎng)裂區(qū)、空洞露筋區(qū)與混凝土剝落露筋銹蝕區(qū)。

(2)對(duì)腹板內(nèi)表面斜向開裂、頂板內(nèi)表面縱向開裂與橫向開裂、頂面齒板豎向裂縫與箱梁內(nèi)出現(xiàn)的空洞露筋、混凝土剝落露筋銹蝕等病害成因進(jìn)行分析，并進(jìn)行了維修加固處理。

(3)通過對(duì)該連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行維修加固與耐久性修補(bǔ)措施，橋梁病害能夠維持穩(wěn)定，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

(4)分析板—拱加固后的有限元模型，板—拱加固后的梁體內(nèi)部應(yīng)力、位移均較原結(jié)構(gòu)小，但最大豎向力增加。新增加的拱結(jié)構(gòu)增加了墩柱底部或下部基礎(chǔ)的豎向力，采取該加固方案時(shí)應(yīng)對(duì)墩柱底部或下部基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)與承載能力驗(yàn)算。

(a)原結(jié)構(gòu)梁體全截面應(yīng)力

(b)板—拱結(jié)構(gòu)梁體全截面應(yīng)力

(c)原結(jié)構(gòu)梁體豎向位移

(e)原結(jié)構(gòu)梁體支座反力

(f)板—拱結(jié)構(gòu)梁體支座反力

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