改擴建高速公路既有橋梁病害分析及加固處治

張秋晨 吳志隆 蔣凌杰

摘要：文章以柳南高速公路改擴建工程為依托，分析了既有橋梁存在的病害及其產生的原因，提出了相應的加固處治措施，在提升既有橋梁的承載力和耐久性的同時又節(jié)省了工程造價，可為類似改擴建工程提供參考。

關鍵詞：改擴建;舊橋;病害;加固處治

0 引言

20世紀90年代后期以來，伴隨國家經濟的迅速發(fā)展，部分早期修建的高速公路己經不能滿足交通量增長的需求，此類高速公路已經逐步實施拓寬改造[1]。高速公路改擴建的一個重要內容是對既有橋梁進行擴建、改造、加固，其中涉及對既有橋梁現(xiàn)狀的認識，擴建后新、舊橋梁共同工作性能，未來使用狀況等。因此，在橋梁擴建前對既有橋梁的病害情況總結分析并對其進行加固處治是十分必要的。

本文依托福建泉州至南寧高速公路柳州（鹿寨）至南寧段改擴建工程，歸納總結既有橋梁存在的病害并對其產生的原因進行總結分析，根據各橋不同病害情況“對癥下藥”，在提升既有橋梁承載力和耐久性的同時又節(jié)省了工程造價，可為類似的改擴建工程提供有益參考。

1 工程簡介

泉州至南寧高速公路鹿寨至陶鄧段路線長158.662km。主線既有橋梁2583.47m/70座，其中大橋757.19m/4座，中橋773.53m/16座，小橋124.6m/4座，主線上跨分離式立交橋445.23m/10座，橋式通道552.92m/36座。橋梁上部結構類型包含預應力小箱梁、預應力空心梁、鋼筋混凝土空心板、整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土板等。

加固設計前對全線既有橋梁進行了全面檢測評定，并開展了專項研究。

路段內的2座橋梁上構均采用預應力混凝土工形組合梁。檢測結果表明：工型組合梁未出現(xiàn)裂縫，主要病害為混凝土破損、露筋及蜂窩麻面等耐久性病害。其主要病害的產生是因為構件施工過程中質量控制不好，如混凝土振搗不密實，脫?？刂撇粶蚀_、尺寸偏差、鋼筋保護層厚度不足等。

2 上部結構病害及病害分析

2.1 預應力混凝土工型組合梁

2.2 預應力混凝土空心梁

路段內26座橋梁上構采用預應力混凝土空心梁。檢測結果表明，該類上構主要病害有以下兩類：

第一類為空心梁混凝土破損、露筋及蜂窩麻面等耐久性病害。上構露筋銹蝕和混凝土破損主要為構件施工過程中質量控制不好所致，如混凝土振搗不密實，尺寸偏差、鋼筋保護層厚度較薄等。

第二類為鉸縫混凝土剝落、滲水及開裂。其主要病害成因為：該類橋梁鉸縫為淺鉸縫，通過在兩片空心梁翼板間預埋鋼板的焊接及澆筑混凝土形成鉸縫，在長期荷載作用下，尤其在超載較普遍的情況下，鉸縫頂焊接鋼板易出現(xiàn)疲勞損壞，而鉸縫混凝土又為素混凝土，當兩片空心梁變形不協(xié)調時鉸縫混凝土以及橋面鋪裝層均會出現(xiàn)裂縫，當雨水侵入時會加速損壞鉸縫混凝土。

2.3 鋼筋混凝土板

鋼筋混凝土板包括整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土板及預制鋼筋混凝土板，其主要病害有以下幾類：（1）板底縱向裂縫;（2）板底橫向裂縫及外腹板豎向裂縫;（3）預制鋼筋混凝土空心板橋鉸縫砂漿（混凝土）脫落、開裂及滲水。

2.3.1 整體現(xiàn)澆板板底縱向裂縫成因分析

鋼筋混凝土板縱向裂縫一般發(fā)生于整體現(xiàn)澆板，由2007年及2010年路面改造工程施工圖設計文件可知：上構采用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土板的橋梁均存在縱向裂縫，部分裂縫縱向貫通，且部分裂縫寬度超過規(guī)范限制值。經2007年及2010年維修加固后，仍有兩座橋梁鋼筋混凝土板底存在縱向裂縫，且部分裂縫寬度超限值（>0.2mm）。根據橋梁上構特點及縱向裂縫分布位置，分析其病害成因為：本路段內橋梁上構整體板大多為預制板改現(xiàn)澆板施工，原設計為裝配式預制板、單向受力，施工中改為整體現(xiàn)澆板、雙向受力[2]，如仍然按原設計配筋，橫向配筋不足，或支座脫落造成上構扭剪所致。

2.3.2 板底橫向裂縫及腹板豎向裂縫成因分析

由2007年及2010年路面改造工程施工圖設計文件可知：部分橋梁上構空心板經粘貼鋼板加固后，裂縫未發(fā)展，說明加固后抑制了裂縫的發(fā)展。檢測發(fā)現(xiàn)外腹板存在豎向裂縫，從裂縫形態(tài)看，裂縫分布較無規(guī)律，多數(shù)裂縫兩頭小、中間大，可初步判定裂縫由溫度或收縮等因素造成。部分橋梁上構采用纖維布加固后仍有裂縫存在，且存在超限裂縫，表明纖維布加固未能抑制裂縫的發(fā)展，加固效果不佳。隨著交通量的發(fā)展及重載車輛的增多。實際車輛荷載往往超過原先采用的設計荷載，對于鋼筋混凝土構件而言，結構承載力儲備相對預應力構件較小，故容易出現(xiàn)超出設計的裂縫病害。

2.3.3 鉸縫病害成因分析

路段內共有34座預制鋼筋混凝土板橋，其中有26座橋鉸縫出現(xiàn)了填縫料脫落、滲水及開裂現(xiàn)象。鉸縫病害成因主要有以下兩點：

（1）在原橋梁建設年代，對該類橋梁的建設均未將鉸縫作為主要控制因素，故導致施工過程中控制不好鉸縫質量，如填筑的混凝土強度偏低，鉸縫填筑不密實，空心板側面未充分鑿毛，實際車輛荷載超過設計車輛荷載等，導致鉸縫部位成為受力（橫向）薄弱環(huán)節(jié)。在汽車荷載作用下，鉸縫受力復雜，局部應力集中或疲勞破壞[3]，從而出現(xiàn)損壞，鉸縫上方的橋面鋪裝層也會因鉸縫的損壞而出現(xiàn)縱向裂縫。

（2）鉸縫開裂后，其橫向傳力功能減弱，在汽車荷載作用下使得空心板單板受力過大，與相鄰空心板之間產生撓度差?？招陌邈q縫內混凝土與空心板側壁逐漸分離，雨水滲入并侵蝕混凝土。隨著病害的加劇，空心板間鉸縫內混凝土發(fā)生開裂、擠磨，局部甚至發(fā)生脫落整體[4]。

鋼筋混凝土空心板橋鉸縫損壞及失效會改變原結構的受力，單板受力情況更使得單板橫向分布系數(shù)劇增，影響結構安全。

3 下部結構病害及病害分析

下部結構主要病害為：（1）墩臺裂縫;（2）橋臺滲水;（3）墩臺混凝土破損、露筋。

3.1 墩臺裂縫成因分析

根據裂縫分布及形狀大致可分為如下四類：

（1）U臺臺帽及蓋梁裂縫

該類裂縫主要位于臺帽或蓋梁的側面，其產生受多方面因素影響，如混凝土質量、鋼筋保護層厚度、混凝土收縮徐變、溫度及其他不可預計的外力及沖擊力等。

（2）U臺側墻開裂

該裂縫的產生與臺后土壓力、基礎的沉降及實際汽車荷載超過設計汽車荷載等因素有關。

（3）修補處砂漿開裂

主要發(fā)生于墩、臺身或蓋梁表面缺陷修補處，部分裂縫寬度較大。產生原因為墩、臺身或蓋梁表面缺陷修補材料受溫度影響或自身干燥收縮產生。

（4）橋臺或蓋梁擋塊斜向開裂

該類裂縫寬度大，部分裂縫貫通臺帽。主要產生原因為梁體橫向位移，致使擋塊受擠壓產生裂縫。

3.2 橋臺及蓋梁滲水成因分析

造成橋臺及蓋梁滲水污染的原因為臺背排水不良、橋面伸縮縫處及橋墩橋面連續(xù)處開裂，雨水滲透所致。

3.3 墩臺混凝土破損、露筋成因分析

對于混凝土構件出現(xiàn)破損、露筋等影響結構耐久性的病害，其成因多是由于構件施工過程中某些方面控制不好所致，比如混凝土振搗不密實，尺寸偏差，外力撞擊構件表面以及鋼筋保護層厚度較薄等。

混凝土表面破損等缺陷雖然不對結構安全構成直接影響，但此類病害對結構耐久性有不利影響。適時進行表面缺陷修補，對保證結構正常使用、延長使用壽命具有重要意義。

4 橋面系病害分析

在2007年及2010年路面升級改造后，橋梁橋面鋪裝狀況得到了一定的改善，但本次擴建前發(fā)現(xiàn)9座橋梁橋面鋪裝層仍存在開裂現(xiàn)象，開裂主要發(fā)生于橋面連續(xù)處。2座預制鋼筋混凝土空心板橋橋面出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫位置與鉸縫位置基本對應。

4.1 橋面連續(xù)處橫向裂縫成因分析

（1）在車輛荷載作用下，梁板產生撓曲變形時，梁板端產生轉角，相鄰兩跨梁板端存在相對轉角，橋面連續(xù)構造為抵抗梁板端的轉角承受負彎矩作用，由于橋面連續(xù)構造的厚度較薄，其抗彎剛度小，在反復的彎拉應力的作用下而產生裂縫。

（2）梁板下設支座，梁板端部在車輛荷載作用下產生豎向位移，相鄰兩跨間梁板承受的車輛荷載作用大小或作用時間不一致時，產生的豎向位移也不一致，橋面接縫裝置因此需承受反復的垂直剪切作用，從而導致橋面連續(xù)構造由于車輛荷載的疲勞作用而產生裂縫。

（3）從施工方面來說，橋面鋪裝層施工前，如梁板頂面清理不徹底、未全面鑿毛或鑿毛的密度與深度不夠，則橋面鋪裝層與梁板間的結合不好，不能很好地形成一個整體[5]。另外，梁板預制件的高度尺寸與梁板安裝高度的偏差易使橋面連續(xù)處出現(xiàn)裂縫。橋面連續(xù)處橫向裂縫產生原因與橋面接縫處理質量不佳也有一定關系。

4.2 橋面縱向裂縫成因分析

橋面縱向裂縫位于鉸縫處，且發(fā)生橋面縱向裂縫的兩座橋梁鉸縫狀況均較差，表明由于鉸縫出現(xiàn)缺損，使鉸縫兩側空心板變形不協(xié)調，從而導致橋面鋪裝層產生縱向裂縫，而橋面鋪裝縱向裂縫的產生又進一步加劇鉸縫損壞，如此往復導致病害惡化。

5 病害處治設計

5.1 上部承重構件維修加固方案

根據各橋型上部結構驗算結果，對于不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的預制拼裝箱梁（空心板），對裂縫、混凝土缺陷處理后，再進行粘貼鋼板加固。

5.2 上部一般構件維修加固

本路段橋梁在2010年路面改造中對鉸縫損壞嚴重的空心板、空心梁均進行了維修。根據現(xiàn)場檢測，空心梁和空心板存在鉸縫混凝土剝落、滲水及開裂病害。需對空心梁進行鏟除鉸縫處橋面瀝青層，鑿除該處一定寬度的混凝土鋪裝層，而后植筋，增強梁間橫向聯(lián)系。對更換橋面鋪裝的空心板亦同步對鉸縫進行維修加固，未更換橋面鋪裝的空心板則進行灌漿修補。

5.3 橋面系維修處治措施

對于橋面鋪裝破損面積較小或者裂縫較少的橋梁，采用局部修補的方法進行處理;對于大面積破損或者開裂的橋面鋪裝，進行全部更換。為保證新舊混凝土良好結合，鑿除鋪裝后梁板頂需鑿毛，并植筋，植入的鋼筋與橋面鋪裝鋼筋綁扎形成整體。

5.4 其他局部病害處治措施

（1）結構裂縫按如下方法處理：對寬度<0.15mm的裂縫，進行封閉處理;對寬度≥0.15mm的裂縫，用裂縫灌注膠對裂縫進行灌注（“壁可法”）。

（2）在梁板混凝土剝落露筋處，先用機械打磨將鐵銹除去，再用改性環(huán)氧砂漿修補。

（3）伸縮縫整體更換，即鑿除原伸縮縫區(qū)域的混凝土，在梁板頂植筋，然后安裝伸縮縫，最后澆筑伸縮縫錨固區(qū)鋼纖維混凝土。

6 結語

對改擴建的高速公路既有橋梁，應在保證安全的前提下盡量利用原有結構或構件，并在專項檢測病害分析的基礎上進行維修加固設計。根據各橋型結構驗算結果采取不同的加固方案，同時根據各橋不同病害情況“對癥下藥”，在提升既有橋梁的承載力和耐久性的同時又節(jié)省了工程造價。本文可為類似高速公路改擴建工程提供有益的參考和借鑒。

參考文獻：

[1]高艷玲.高速公路改擴建的模式選擇、項目評價與相關.策研究[D].西安：長安大學，2009.

[2]黃 寧.裝配式改整體式空心板橋縱向裂縫機理及加固措施研究[D].西安：長安大學，2014.

[3]崔 海，馮淑珍.空心板梁單板受力的加固方案研究與試驗[J].中外公路，2014（5）：179-181.

[4]魏洪濤.預應力空心板梁結構開裂病害的研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2007.

[5]顏春水.混凝土橋面鋪裝裂縫成因及防治措施[J].公路交通科技（應用技術版），2010（12）：92-94.