某互通匝道橋病害原因分析及加固措施

朱自明

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東深圳 518029)

0 引言

與直線橋梁相比，彎橋?qū)Φ匦?、地貌的適應(yīng)性更強(qiáng)，但在彎橋的固有曲率影響下，基于荷載作用將產(chǎn)生彎矩耦合。彎橋在橋梁的內(nèi)力、變形計(jì)算上相較直橋計(jì)算更為復(fù)雜。在實(shí)際工程中已建成的彎橋出現(xiàn)了如主梁側(cè)翻、支座脫空、梁體裂縫、橋墩裂縫、橋臺(tái)裂縫等病害問題，嚴(yán)重影響橋梁的正常工作。若不及時(shí)對(duì)相關(guān)病害進(jìn)行加固與維修，則可能導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。故，對(duì)彎橋病害相應(yīng)的加固與維修的研究工作十分必要。本文就某互通匝道彎橋存在的病害進(jìn)行分析，并介紹其加固措施。

1 工程概況

某互通匝道橋位于半徑為55m彎道內(nèi)，縱坡為3.281%。該橋上部結(jié)構(gòu)為 18m+4×20m+18.0m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板梁，下部結(jié)構(gòu)中橋墩為柱式墩(單柱或雙柱)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)為肋式臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁全長119.0m。該匝道橋的橫斷面為8.0m(行車道)+2×0.5m(防撞護(hù)欄)，橋梁采用球型支座，支座布設(shè)情況如圖1所示。

圖1 橋梁支座布置示意圖

1.1 病害情況介紹

該匝道橋梁體的裂縫，主要包括底板縱向、斜向裂縫，腹板豎向和斜向裂縫。檢查發(fā)現(xiàn)，縱向裂縫31條，總長85.8m，主要分布在第2-6跨空心板梁梁底；斜向裂縫 25 條，總長 18.1m，主要分布在第1跨空心板梁底；豎向裂縫1條，總長1m，主要分布在第3跨距3號(hào)墩8.5m處空心板梁左側(cè)腹板。板底裂縫如圖2(a)所示。第6跨腹板發(fā)現(xiàn)1條斜向裂縫，縫長0.5m。第6跨腹板斜裂縫如圖2(b)所示。

觀察墩身豎直度發(fā)現(xiàn)，墩身順橋向偏移量最大的是6-1 號(hào)墩身，豎直度為0.22 %。墩身橫橋向偏移量最大的是 4 號(hào)墩，豎直度為 0.27%，其墩身橫橋向和順橋向豎直度均滿足規(guī)范值0.3%；支座有橫向滑移現(xiàn)象，除 3 號(hào)墩上固定支座外，其它支座都有橫向滑移現(xiàn)象，滑移最嚴(yán)重的為 6 號(hào)墩上支座，滑移量達(dá) 7.0cm，且支座滑移量不斷增加；伸縮縫處 0 號(hào)臺(tái)上的 2 號(hào)支座(內(nèi)側(cè))和 6 號(hào)墩上 2 號(hào)支座(內(nèi)側(cè))出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，伸縮縫出現(xiàn)上下錯(cuò)位現(xiàn)象。支座主要病害照片如圖3所示。

(a)板底裂縫(b)第6跨腹板裂縫圖2 空心板裂縫照片

圖3 支座病害照片

該匝道橋抽檢的梁體和墩柱的實(shí)測混凝土強(qiáng)度都能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，僅發(fā)現(xiàn)第 3 跨腹板不能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，主要原因是該腹板在施工澆筑過程中質(zhì)量控制不好，導(dǎo)致在澆筑過后于腹板表面重新粉刷了一層水泥漿。此次檢查四跨中抽檢底板厚度不滿足要求的6個(gè)，占總數(shù)的50%。其中不滿足的都為底板厚度偏薄。

1.2 病害原因分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中曲率半徑對(duì)彎橋“彎扭耦合”效應(yīng)影響的參數(shù)分析可知，本文分析的匝道彎橋曲率半徑R=55m，小于90m，“彎扭耦合”效應(yīng)對(duì)支座反力的影響顯著，因此，采用MIDAS(2011)軟件計(jì)算支座反力。橋梁現(xiàn)狀各支座最小支反力情況如下：1#、2#、4#、5#支座處最小支反力相差不大，均為3100kN左右，而0#、3#、6#處的內(nèi)外側(cè)支座兩者間反力相差較大，3#支座處最為明顯，兩支座間的反力相差近1200kN。

橋梁現(xiàn)狀各支座最大支反力情況如下：1#、2#、4#、5#支座處最大支反力相差不大，均為4100kN左右，而0#、3#、6#處的內(nèi)外側(cè)支座兩者間反力相差較大，3#支座處最為明顯，兩支座間的反力相差近1000kN。

根據(jù)MIDAS(2011)計(jì)算結(jié)果，雙支座布置的3個(gè)墩臺(tái)中3#、6#墩曲線內(nèi)側(cè)支座均出現(xiàn)負(fù)反力，即出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算可知，目前此匝道彎梁內(nèi)側(cè)支座脫空的主要原因，是空間預(yù)應(yīng)力索、非均勻溫差、徐變等因素的彎扭耦合作用引起的翹曲[2]。

梁體裂縫復(fù)查得到裂縫修補(bǔ)后并無繼續(xù)延伸現(xiàn)象。橋梁實(shí)測混凝土強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，僅第 3 跨腹板不足?；炷帘Ｗo(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有一定的不利影響，主要是底板保護(hù)層厚度偏薄。梁底底板厚度檢查不合格率占總數(shù)50%。均為底板偏薄。墩身周圍無外界荷載影響，且墩身豎直度均滿足規(guī)范值。

由此可見，該匝道橋最大的病害是梁體整體跑位，特別是出現(xiàn)伸縮縫處 0號(hào)臺(tái)上的 2 號(hào)支座和 6 號(hào)墩上 2 號(hào)支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致梁體的受力情況整體發(fā)生改變；同時(shí)，由于支座滑移量在繼續(xù)發(fā)展，因此需對(duì)橋梁跑位現(xiàn)象采取維修加固處理。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有以下兩點(diǎn)：

(1)彎橋建成后主要受“彎、扭”耦合效應(yīng)，彎梁截面內(nèi)將產(chǎn)生較大的扭矩。梁腹部在彎矩剪應(yīng)力和扭矩剪應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)外梁超載、內(nèi)梁卸載的現(xiàn)象。由于彎梁的特性，恒載會(huì)產(chǎn)生向外側(cè)翻轉(zhuǎn)的扭矩[3]。同時(shí)，由于內(nèi)外梁跨徑的不同，將導(dǎo)致內(nèi)外梁受力不均[4]。

(2)彎橋在彎扭作用下將產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，主梁內(nèi)側(cè)豎向撓度小于外側(cè)；在梁體端部截面上或?qū)⒊霈F(xiàn)翹曲現(xiàn)象[5]。

2 加固措施

2.1 加固方案

根據(jù)以上分析，提出該匝道橋的加固方案為： 0#臺(tái)處內(nèi)側(cè)腹板設(shè)置拉桿、6#墩曲線外側(cè)支座外移1.025m、橋面原左側(cè)行車道、右側(cè)緊急停車帶改成右側(cè)行車、左側(cè)緊急停車帶。

首先，對(duì)0#臺(tái)設(shè)置拉桿、6#墩內(nèi)側(cè)支座調(diào)整、行車道右側(cè)行走的加固措施是否可行進(jìn)行分析計(jì)算，并與原橋進(jìn)行對(duì)比。0#臺(tái)未設(shè)拉桿時(shí)，按原行車方式組合最小反力為-71.2kN，會(huì)出現(xiàn)支座脫空的情況，改為右側(cè)行車后組合最小反力為244.4kN，不再出現(xiàn)支座最小反力為拉力的情況，可見改變行車方式可以有效解決原行車方式所產(chǎn)生的支座脫空的問題[6]。0#臺(tái)設(shè)置拉力為400kN的拉桿后，按原行車方式所產(chǎn)生的組合最小反力為250.3kN，支座不再出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。在設(shè)置拉桿的基礎(chǔ)上將行車方式改為右側(cè)行車，組合最小反力為565.9kN，有效改善了0#臺(tái)的性能。3#、6#墩按原行車方式組合時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，其中，3#墩組合最小反力為-274.2kN，6#墩組合最小反力為-342.0kn，支座最小反力均為拉力。將行車方式改為右側(cè)行車后，對(duì)應(yīng)支座的組合最小反力均未出現(xiàn)拉力，其中，3#墩為231.8kN，6#墩為59kN。對(duì)6#墩采用加固措施后，其組合最小反力有明顯提升，按原行車方式為120.2kN，按右側(cè)行車為447.0kN，效果明顯。

彎橋成橋后引起曲線內(nèi)側(cè)支座脫空的主要因素是，梁截面豎向梯度升溫和汽車偏載；橫向不同支座間距這兩個(gè)因素影響的作用也不同[7]；如6#墩加固前后支座間距分別為3.25m和4.275m，截面豎向梯度升溫對(duì)內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生的支反力分別為-203kN 和-121kN，按原行車道行駛，汽車偏載對(duì)內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生的支反力分別為-483kN 和-345.8kN。將行車道改至右側(cè)(汽車在本橋的曲線內(nèi)側(cè)行駛)、左側(cè)改成緊急停車帶，汽車偏載引起曲線內(nèi)側(cè)支座負(fù)反力大大減少，如0#臺(tái)由-375.2kN 減少到-59.6kN，3#墩由-627.2kN減少到-121.2kN，6#墩加固后由-345.8kN減少到-19kN。

2.2 施工工藝

施工時(shí)，先拆除橋面鋪裝、護(hù)欄、空心板砼，接著開始植筋，對(duì)新舊混凝土交界面鑿毛，然后澆筑空心板混凝土、橋面鋪裝、護(hù)欄。之后，分別建立頂升平臺(tái)、搭設(shè)空心板頂升支架、安裝臨時(shí)支撐設(shè)施；頂升 6#過渡墩主線橋，頂升高度不得大于 5mm，按設(shè)計(jì)要求拆除 6#墩頂混凝土，施工蓋梁；落梁后，再對(duì)空心板上部結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行處理。

2.2.1混凝土植筋工藝要點(diǎn)

用鋼筋探測儀檢查植筋部位的原混凝土鋼筋位置，以確定鉆孔位置。接著，按規(guī)定的鉆孔直徑垂直于植筋結(jié)構(gòu)平面鉆孔，標(biāo)尺設(shè)定為成孔深度。若遇到鋼筋時(shí)，必須清孔。清孔后，清掃并用氣筒吹出孔內(nèi)灰渣，直至孔內(nèi)清潔干燥為止，再將注膠混合管插入孔底，從孔底向外注入粘結(jié)劑，注滿孔洞的2/3，保證植筋后飽滿。

最后，將準(zhǔn)備好的鋼筋旋轉(zhuǎn)著緩慢插入孔底，按照固化時(shí)間表規(guī)定時(shí)間進(jìn)行安裝，使錨固劑能均勻地附著在鋼筋的表面及縫隙中，待其固化后再進(jìn)行綁扎鋼筋及其它各項(xiàng)工作。

2.2.2新老混凝土結(jié)合面施工要點(diǎn)

為了使老混凝土表面的粗、細(xì)骨料都外露，形成凸凹不平的表面，確保新老混凝土表面的處理質(zhì)量，進(jìn)行新、老混凝土表面處理施工時(shí)，采用高壓水射法、電動(dòng)鋼絲刷或人工鑿毛法。但對(duì)于采用人工鑿毛法處理新老混凝土表面時(shí)，必須嚴(yán)格控制處理質(zhì)量。

舊混凝土的鑿除界面，全部露出本體混凝土(即去除硬化的表面層)，粗骨料要求露出 50%，同時(shí)表面凸凹不平度不小于 6mm。

在結(jié)合面混凝土澆筑施工前，結(jié)合面至少不間斷地澆水 3h～6 h，然后蓋上濕麻袋，直至老混凝土及粘結(jié)面上無明水，保濕 12h～24h，再澆筑新混凝土。

2.2.3空心板臨時(shí)頂升施工工藝要點(diǎn)

頂升主梁時(shí)，精心施工，要求每個(gè)千斤頂?shù)捻斏俣染鶆?，同步提升主梁。頂升時(shí)，在空心板橫梁處底面與千斤頂間設(shè)置鋼梁，并在臨時(shí)支撐上用鋼板填充頂升間隙，隨頂隨墊，以防止千斤頂因意外事故突然失靈而造成事故。頂升到位后，進(jìn)行臨時(shí)支墊，支墊要求牢固可靠，支墊過程不可放松千斤頂。支墊完成取出舊支座后，在安放新支座前，先將支座位置定位，以確保支座位置準(zhǔn)確。支座上鋼板與支座墊平塊之間采用粘鋼膠粘結(jié)固定，安放支座，對(duì)支座鋼板涂防銹漆防護(hù)。支座安放完畢，先將梁底臨時(shí)支撐解除，然后按起頂?shù)哪骓樞蛳侣淞后w就位。

2.2.4裂縫封閉灌漿工藝要點(diǎn)

對(duì)于裂縫寬度<0.15mm的裂縫，采用聚合物水泥表面封閉法(聚合物水泥是在加固專用的改性環(huán)氧漿液配出后加入50g 525#水泥攪拌均勻而成)，封閉后要考慮梁體表面的美觀[8]。

對(duì)于裂縫寬度>0.15mm的裂縫，采用灌注混凝土裂縫修補(bǔ)膠液封閉裂縫法，將裂縫修補(bǔ)膠漿液壓注入結(jié)構(gòu)物內(nèi)部裂縫中去，以達(dá)到封閉裂縫、恢復(fù)并提高結(jié)構(gòu)耐久性和抗?jié)B性的目的，使混凝土構(gòu)件恢復(fù)整體性。

3 結(jié)語

以某互通匝道橋的病害為工程背景，首先對(duì)其病害進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，分析表明該橋出現(xiàn)病害主要是由于原設(shè)計(jì)的橋梁總體布置不夠合理，在此基礎(chǔ)上提出改變行車道位置并增設(shè)拉桿等關(guān)鍵加固措施，并對(duì)加固的施工工藝進(jìn)行詳細(xì)介紹。

通過理論分析可得到如下結(jié)論：彎橋溫度變形較大，對(duì)支座的適應(yīng)變形要求高，設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合理的支撐體系；通過預(yù)設(shè)偏心、增大支座橫向距離等措施，可以減少內(nèi)外側(cè)支撐反力之差；針對(duì)彎橋向外側(cè)偏移的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮采取措施，如改變行車道流向予以改善等。此橋經(jīng)修復(fù)后運(yùn)行狀況良好，可對(duì)今后類似的橋梁加固工程具有一定的參考價(jià)值。