道路橋梁工程結(jié)構(gòu)的病害與加固技術(shù)

黃福德

摘要：道路橋梁工程建設(shè)與我國(guó)經(jīng)濟(jì)、城市、交通的發(fā)展存在密切聯(lián)系，道路橋梁工程結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定關(guān)系整個(gè)道路橋梁工程的質(zhì)量。文章以武宣經(jīng)合山至忻城高速公路中的1座特大橋?yàn)槔?，針?duì)道路橋梁工程結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)病害展開(kāi)分析。通過(guò)介紹該座橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，分析道路橋梁工程結(jié)構(gòu)中存在的主跨跨中下?lián)线^(guò)大、箱梁部位開(kāi)裂、主墩墩身表面開(kāi)裂、橋臺(tái)護(hù)坡砌護(hù)出現(xiàn)寬裂縫等病害問(wèn)題，提出利用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)、灌漿法等多種加固處理技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行加固，經(jīng)加固效果驗(yàn)證，所采用的技術(shù)有效。

關(guān)鍵詞：道路橋梁病害；加固技術(shù)；工程結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）03-0053-04

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及科研開(kāi)發(fā)能力日益提高，國(guó)內(nèi)的橋梁施工技術(shù)已躋身國(guó)際先進(jìn)行列，新技術(shù)、新工藝、新裝備層出不窮，填補(bǔ)了傳統(tǒng)道路橋梁施工技術(shù)的缺陷，為今后橋梁施工創(chuàng)造了良好環(huán)境。然而，在實(shí)際道路橋梁工程中，特別是在道路橋梁改建工程中，仍存在對(duì)現(xiàn)有橋梁工程結(jié)構(gòu)防護(hù)認(rèn)識(shí)不足等問(wèn)題，導(dǎo)致大多數(shù)道路橋梁工程結(jié)構(gòu)處于“病害”狀態(tài)。如何克服橋梁工程結(jié)構(gòu)先天不足的問(wèn)題，消除橋梁使用過(guò)程中產(chǎn)生的多種病害，確保橋梁長(zhǎng)期安全、高效、穩(wěn)固運(yùn)行，是現(xiàn)階段道路橋梁工程施工隊(duì)伍的首要任務(wù)。本文以武宣經(jīng)合山至忻城高速公路中的1座特大橋?yàn)槔?，開(kāi)展道路橋梁工程結(jié)構(gòu)病害及加固技術(shù)研究。

1 工程概況

1.1 工程所處地區(qū)及橋梁簡(jiǎn)介

武宣經(jīng)合山至忻城高速公路三分部路基主線為K56+980～K70+670，路基全長(zhǎng)為13.69 km，主要位于來(lái)賓市興賓區(qū)良塘鄉(xiāng)及橋鞏鎮(zhèn)境內(nèi)。該道路橋梁工程主線包括1座特大橋、2座大橋、1座中橋、1座互通匝道橋、2座立交橋，共計(jì)7座橋體。

本文選取該工程中的1座特大橋?yàn)檠芯堪咐?，該橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

1.2 特大橋橋梁結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)狀

研究人員針對(duì)特大橋梁展開(kāi)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，此座大橋橋梁結(jié)構(gòu)病害情況具體如下。

（1）該橋投入使用4年間，主跨跨中存在的殘留預(yù)拱度明顯不足。

（2）橋面采用混凝土鋪裝，4年間橋面不平整現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，橋面部分橋段出現(xiàn)裂縫。在該橋建設(shè)過(guò)程中，為預(yù)防車輛在橋面行駛中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，橋面曾鋪設(shè)一層防滑層，現(xiàn)階段該橋面防滑層已脫落。

（3）橋箱梁底板底面出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫呈現(xiàn)對(duì)稱分布，裂縫與箱梁中線的距離為16～24 cm。

（4）橋箱梁頂板底面出現(xiàn)縱向裂縫，并且裂縫為中線附近，裂縫較寬，裂縫與箱梁中線的距離為17～32 cm。

（5）橋箱梁腹部底板位置存在裂縫，裂縫呈現(xiàn)斜向走向，裂縫與底板之間存在30°～40°夾角，裂縫之間的距離為28～42 cm。

（6）隔板、墩身等均存在細(xì)小裂縫，同時(shí)橋臺(tái)護(hù)坡砌護(hù)存在很多寬裂縫，橋梁裸露表面結(jié)構(gòu)存在細(xì)小裂縫。

2 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生原因分析

研究人員針對(duì)該橋橋梁結(jié)構(gòu)，模擬實(shí)際施工環(huán)境，對(duì)工程結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生原因展開(kāi)分析，計(jì)算過(guò)程中涉及大量參數(shù)，參數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

2.1 主跨跨中下?lián)线^(guò)大

此座特大橋的設(shè)計(jì)大多采用直線索，未使用下彎索，這種設(shè)計(jì)方案無(wú)法有效抑制主梁下?lián)?，相比直線索，設(shè)置下彎索更能有效抑制主梁下?lián)锨闆r的發(fā)生。根據(jù)分析計(jì)算，該橋在今后幾年的使用中，主跨跨中下?lián)犀F(xiàn)象會(huì)持續(xù)加重。研究人員采用超聲回彈法推定該橋的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，測(cè)算結(jié)果為40～50 MPa，而大橋的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求達(dá)到50 MPa，由此可見(jiàn)，混凝土強(qiáng)度不夠是造成該橋主跨跨中下?lián)线^(guò)大這一病害的主要原因。此外，該特大橋?yàn)榻煌ㄒ?，受到超重車輛的影響，真實(shí)使用負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的承載量，這也是造成大橋主跨跨中下?lián)系脑蛑唬?］。

2.2 箱梁底板底面開(kāi)裂

該橋箱梁底板底面出現(xiàn)縱向裂縫，并且裂縫呈現(xiàn)對(duì)稱分布，裂縫與箱梁中線的距離為16～24 cm。利用荷載有效分布寬度算法計(jì)算底板荷載效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果顯示：箱梁底板在恒載、活載、徑向力三者共同作用下，裂縫寬度應(yīng)為0.15 mm，充分考慮箱梁受到的溫度差、混凝土強(qiáng)度等外界因素的影響，箱梁底板底面的裂縫寬度應(yīng)在0.20 mm左右。在實(shí)際測(cè)量中，該橋箱梁底板底面的開(kāi)裂寬度為0.20 mm。因此，底板底面存在的縱向裂縫可判斷為橋梁工程結(jié)構(gòu)中的受力裂縫，也是橋梁結(jié)構(gòu)的病害之一［2］。

2.3 箱梁內(nèi)部頂板底面開(kāi)裂

該橋箱梁頂板底面出現(xiàn)的縱向裂縫位于中線附近，裂縫較寬，裂縫與箱梁中線的距離為17～32 cm。利用荷載有效分布寬度算法計(jì)算底板荷載效應(yīng)，如果僅考慮恒載、汽車荷載兩種因素，箱梁頂板下緣所能承受的最小壓力為2.24 MPa，若將包括溫度在內(nèi)的多種外界因素考慮進(jìn)去，箱梁頂板下緣所能承受的最大壓力為-1.24 MPa，具體見(jiàn)圖1。頂板在受力過(guò)程中會(huì)受到溫度影響，若在此條件下增加負(fù)載，箱梁頂板底面必然會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。由此可知，箱梁內(nèi)部頂板存在的縱向裂縫為橋梁工程結(jié)構(gòu)中的受力裂縫，也屬于橋梁結(jié)構(gòu)病害。

2.4 箱梁腹板斜向開(kāi)裂

該橋箱梁腹部底板位置存在的裂縫呈斜向走向，裂縫與底板間存在30°～40°夾角，裂縫之間的距離為28～42 cm。腹板厚度為50 cm，按照100%豎向預(yù)應(yīng)力、50%豎向預(yù)應(yīng)力、30%豎向預(yù)應(yīng)力、0%豎向預(yù)應(yīng)力計(jì)算作用效率，結(jié)果見(jiàn)表3。

腹板厚度為50 cm所產(chǎn)生的裂縫較為集中，箱梁梁高較低，豎向預(yù)應(yīng)力無(wú)法發(fā)揮正常作用。根據(jù)該橋?qū)嶋H施工及質(zhì)量情況，該橋在設(shè)計(jì)中僅考慮了50%豎向預(yù)應(yīng)力和30%豎向預(yù)應(yīng)力條件下的有效性。該橋在實(shí)際使用過(guò)程中主拉力可能存在嚴(yán)重超限問(wèn)題，并且該橋設(shè)計(jì)未使用下彎索，無(wú)法發(fā)揮主拉應(yīng)力的真正作用。由此可推斷，該橋箱梁腹板斜向存在開(kāi)裂現(xiàn)象有可能是主拉力引起。

2.5 箱梁中橫隔板開(kāi)裂

此例特大橋共設(shè)橫隔板7道，包括3道中跨、每側(cè)各2道邊跨。橫隔板、頂板連接部位存在多條豎向裂縫，裂縫呈現(xiàn)中心對(duì)稱分布，其中靠近箱梁中線位置存在一條直線豎向裂縫延伸至頂板部位；橫隔板和腹板部位存在多條斜向裂縫，斜角約為40°，裂縫寬度最大為0.31 mm，超出了該橋設(shè)計(jì)的規(guī)范限制。研究人員推斷此類裂縫產(chǎn)生的原因可能是車道超負(fù)荷［3］。

2.6 主墩墩身表面開(kāi)裂

大橋主墩墩體部位，尤其是接近承臺(tái)的部位存在多條豎向裂縫，原因主要是在大橋施工過(guò)程中先對(duì)承臺(tái)進(jìn)行澆筑，部分混凝土在主墩墩體澆筑之前就已經(jīng)完成收縮，后續(xù)墩體澆筑過(guò)程中混凝土收縮大于已完成澆筑的承臺(tái)，此現(xiàn)象會(huì)對(duì)墩身澆筑產(chǎn)生嚴(yán)重的約束作用，致使墩體接近承臺(tái)部位產(chǎn)生多條豎向裂縫。

2.7 橋臺(tái)護(hù)坡砌護(hù)寬裂縫

大橋橋臺(tái)護(hù)坡砌護(hù)存在許多寬裂縫，橋梁裸露的表面結(jié)構(gòu)存在細(xì)小裂縫。經(jīng)推斷，此種病害產(chǎn)生的原因如下：一是橋臺(tái)前側(cè)在填土施工時(shí)并未填補(bǔ)密實(shí)，致使橋臺(tái)護(hù)坡出現(xiàn)沉降現(xiàn)象；二是大橋橋臺(tái)施工完成時(shí)正處于深秋季節(jié)，在完成砌筑后未對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)工作；三是大橋所處地區(qū)降雨較多，致使承臺(tái)裸露部分表面出現(xiàn)多條細(xì)小裂縫，嚴(yán)重影響大橋的正常使用。

3 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

在明確此例特大橋工程結(jié)構(gòu)存在的病害及引起各類病害的主要原因后，為提升該橋使用壽命，研究人員確定了大橋工程結(jié)構(gòu)的加固目的，提出相應(yīng)的加固措施。

3.1 加固目的

（1）通過(guò)橋面鋪裝等加固處理措施，進(jìn)一步增強(qiáng)各種型號(hào)車輛的行車舒適性與安全性。

（2）通過(guò)調(diào)整大橋橋面線形，延緩大橋跨中下?lián)纤俣取?/p>

（3）通過(guò)提升大橋截面抗剪能力及箱梁頂板、底板的抗彎能力，抑制各類裂縫的擴(kuò)展速度。

（4）利用多種有效加固措施，整治大橋橋梁工程結(jié)構(gòu)各構(gòu)件存在的裂縫問(wèn)題。

（5）治理其他病害，進(jìn)一步改善大橋的使用功能。

3.2 加固措施

3.2.1 裂縫處理

裂縫是此例橋梁工程的主要結(jié)構(gòu)病害，若不及時(shí)處理，會(huì)進(jìn)一步加大橋梁鋼筋等結(jié)構(gòu)的暴露面積，加快空氣對(duì)橋梁鋼筋等結(jié)構(gòu)的腐蝕速度，致使橋梁整體安全性、使用性能大幅下降。解決裂縫問(wèn)題，可利用注漿法、密封法對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)存在的裂縫進(jìn)行加固與修補(bǔ)，具體采用何種方法應(yīng)根據(jù)橋梁裂縫的實(shí)際情況而定。例如：針對(duì)寬度>0.2 mm的裂縫可采用注漿加固法；針對(duì)寬度<0.2 mm的裂縫可采用封閉加固法［4］。

3.2.2 混凝土缺陷處理

橋梁工程施工中，由于混凝土存在雜質(zhì)、攪拌不均等多種問(wèn)題，導(dǎo)致橋梁工程混凝土質(zhì)量不均勻，這些混凝土問(wèn)題均會(huì)引起橋梁工程結(jié)構(gòu)病害，對(duì)此，需要針對(duì)混凝土存在的缺陷采取相應(yīng)的處理措施［5］。技術(shù)人員首先需要定位混凝土缺陷位置，將存在缺陷的混凝土消除，然后利用人工等方式修補(bǔ)缺陷。為保障修補(bǔ)、加固質(zhì)量，可在修補(bǔ)中使用高強(qiáng)度的聚合性混合物混凝土。

3.2.3 橋面鋪裝處理

采用抗擾動(dòng)混凝土對(duì)大橋橋面進(jìn)行鋪裝，在混凝土配比中加入抗擾動(dòng)劑可縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間，增強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度。鑿除原橋面鋪裝，將鋼筋植入箱梁頂板部位，同時(shí)架設(shè)鋼筋網(wǎng)，使用抗干擾混凝土重新澆筑橋面。在鋼筋的作用下，不斷加強(qiáng)原混凝土、箱梁、新澆筑混凝土之間的連接，確保新澆筑混凝土可輔助箱梁發(fā)揮作用。

3.2.4 主跨跨中下?lián)线^(guò)大處理

為防止主跨跨中下?lián)线^(guò)大，研究人員提出通過(guò)加設(shè)體外預(yù)應(yīng)力延緩主跨跨中下?lián)纤俣?，具體方案如圖2所示。

[主桁架][已澆梁段][軌道梁][C][B] [A][側(cè)滑道梁][底模板]

圖2 主橋中跨加設(shè)體外預(yù)應(yīng)力方案示意圖

加設(shè)8束體外預(yù)應(yīng)力鋼束（型號(hào)：19φ，15.22 mm），在大橋每個(gè)腹板位置增設(shè)4束，利用轉(zhuǎn)向塊A、B經(jīng)兩批次展開(kāi)下彎操作，第一次下彎角度為8.6°、第二次下彎角度為9.2°。將轉(zhuǎn)向塊A設(shè)置在17號(hào)澆筑梁頂板底面位置，轉(zhuǎn)向塊B設(shè)置在25號(hào)澆筑梁頂板底面位置與底板頂面位置之間，利用狹窄的腹板將其連接。將轉(zhuǎn)向塊C、D設(shè)置在30號(hào)、34號(hào)澆筑梁底板頂面位置，錨下控制應(yīng)力設(shè)為1 116 MPa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，應(yīng)用此方案可降低主梁跨中的最大主拉應(yīng)力，降低幅度為0.46 MPa；同時(shí)，可提高跨中位置截面下部邊緣的應(yīng)力儲(chǔ)備，提高幅度為2.38 MPa。

3.2.5 箱梁底板、頂板開(kāi)裂處理

為有效處理大橋梁箱梁底板、頂板開(kāi)裂問(wèn)題，抑制箱梁底板、頂板裂縫的發(fā)展，研究人員利用CERP（云ERP軟件系統(tǒng)）對(duì)縱向裂縫加以修復(fù)，可采用注漿方法修補(bǔ)裂縫，并使用纖維布對(duì)裂縫進(jìn)行加固［6］。

3.2.6 箱梁腹板開(kāi)裂處理

在對(duì)大橋腹板進(jìn)行加固處理的過(guò)程中，增加了邊跨21～28號(hào)段箱梁腹板的厚度，采用鋼板進(jìn)行加固處理。

3.2.7 箱梁隔板裂縫加固處理

為防止底板在徑向力影響下發(fā)生開(kāi)裂等病害，往往會(huì)使用中橫隔板。但在對(duì)大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該橋橫隔板、底板等相互連接部位存在嚴(yán)重的開(kāi)裂現(xiàn)象。此種病害產(chǎn)生的原因?qū)嶋H上是由于車道受力過(guò)重所導(dǎo)致，可利用灌漿封閉手段對(duì)箱梁隔板裂縫進(jìn)行加固處理。

3.2.8 主橋兩側(cè)伸縮縫缺陷處理

膠條遭受破壞導(dǎo)致的伸縮縫缺陷是主橋兩側(cè)的主要病害，同時(shí)，主橋伸縮縫底還存在腐蝕現(xiàn)象，因此，需要更換主橋磨損的膠條，并對(duì)伸縮縫底腐蝕、銹跡嚴(yán)重的部位進(jìn)行除銹、涂抹防護(hù)涂層等處理。

3.2.9 橋臺(tái)護(hù)坡砌護(hù)裂縫加固處理

針對(duì)橋臺(tái)護(hù)坡砌護(hù)較寬的裂縫或砌護(hù)松動(dòng)、凹陷的部位，施工人員需要拆除原本的砌護(hù)，對(duì)凹陷部位進(jìn)行填土操作并夯實(shí)，加固護(hù)坡砌護(hù)。針對(duì)狹窄裂縫可進(jìn)行灌漿操作，灌漿后需注意保暖及維護(hù)。此外，針對(duì)承臺(tái)裸露在外的細(xì)小裂縫可采用回填夯實(shí)等方法加固處理，若裂縫<0.15 mm，可不進(jìn)行加固［7］。

4 工程加固效果

4.1 橋面鋪裝效果

重新鋪裝了抗擾動(dòng)混凝土的橋面，具有良好的抗擾動(dòng)效果，抗交通壓力能力得到有效提升。橋面鋪裝更換完畢后，可令橋面鋪裝參與橋體受力，在一定程度上減輕橋梁的恒載，提高箱梁高度，抑制跨中下?lián)纤俣?；還可調(diào)整大橋橋面線形，增強(qiáng)各類型車輛的行車舒適性、安全性。

4.2 體外預(yù)應(yīng)力

本次道路橋梁工程結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中，最有效的方法是體外預(yù)應(yīng)力加固，通過(guò)加設(shè)體外預(yù)應(yīng)力，可有效防止主跨跨中下?lián)线^(guò)大。加設(shè)體外預(yù)應(yīng)力后，計(jì)算各參數(shù)，對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力束T3、T4，張拉前主梁上撓最高值為13 mm，張拉后主梁上撓最高值為21 mm，中心線上升幅度為19 mm。由此可見(jiàn)，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可極大地提高主梁上撓值，延緩主梁下?lián)纤俣?。此技術(shù)不僅可以使大橋梁工程結(jié)構(gòu)的整體受力得到極大改善，還具有經(jīng)濟(jì)性高、工期短、施工難度小等優(yōu)勢(shì)，可減少加固工程對(duì)大橋正常運(yùn)營(yíng)的影響。

4.3 加固補(bǔ)強(qiáng)效果

對(duì)大橋裂縫進(jìn)行加固后，橋梁的抗剪力和抗彎力得到增強(qiáng)，從根本上提升了橋梁的承載能力，改善了橋梁的使用功能。經(jīng)加固后的橋梁可滿足汽車超20級(jí)、掛車超120級(jí)的承載力要求。

5 結(jié)語(yǔ)

造成道路橋梁工程結(jié)構(gòu)病害的原因多種多樣，相關(guān)研究人員需要從多方面深入分析各類病害產(chǎn)生的原因，并提出針對(duì)性的加固措施。本文通過(guò)實(shí)例證明，在道路橋梁工程結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)尤為重要，同時(shí)還可通過(guò)灌漿法等方法對(duì)裂縫進(jìn)行處理。本文提出的加固技術(shù)可應(yīng)用在實(shí)際橋梁工程結(jié)構(gòu)病害處理與加固中，可為國(guó)內(nèi)其他道路橋梁工程結(jié)構(gòu)病害防治與加固工作提供借鑒。

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