舊橋檢測(cè)與加固技術(shù)研究

覃宇鵬

（廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣東廣州 510520）

0 引言

從1980 年開始，我國(guó)加大了在基礎(chǔ)建設(shè)上的投入，各式各樣的道路橋梁的建成給我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了巨大動(dòng)力，充實(shí)的交通基礎(chǔ)建設(shè)也為人民的生活帶來便利。我國(guó)橋梁建造技術(shù)發(fā)展迅猛，以港珠澳大橋等各式大跨度橋梁建成彰顯我國(guó)在基礎(chǔ)建設(shè)上的輝煌成績(jī)。橋梁是現(xiàn)階段我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)闹匾糠郑谏钪须S處可見，皆是交通運(yùn)輸重點(diǎn)區(qū)域的樞紐，和周邊的居民生活以及地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密相聯(lián)。然而運(yùn)營(yíng)的時(shí)間增長(zhǎng)以及早期建設(shè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的不成熟，讓現(xiàn)階段的舊橋不能夠符合使用要求；，面對(duì)日益增長(zhǎng)的交通流量和自然環(huán)境的侵蝕等外部不良影響，舊橋結(jié)構(gòu)老化以及病害加劇，讓舊橋的使用性能越來越低，存在安全上的隱患。目前部分在運(yùn)營(yíng)的市政橋梁已出現(xiàn)異響、開裂等病害問題，這也是市政舊橋承載能力下降，部分已在超負(fù)荷不良狀態(tài)下使用，潛在的安全隱患引起居民的擔(dān)憂。大部分市政舊橋均處于交通運(yùn)輸重要區(qū)域，若直接拆除該類不符合承載能力使用要求的市政舊橋，不僅拆除重建的工作困難、程序復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)耗費(fèi)高，同時(shí)會(huì)對(duì)該區(qū)域造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和周邊居民生活困擾[1]。舊橋加固修復(fù)是未來重要方向，如何快速有效地修復(fù)橋梁病害，提高舊橋的承載能力，滿足交通運(yùn)輸?shù)氖褂靡?，?duì)我國(guó)以后基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展極為關(guān)鍵，有著可觀的發(fā)展前景。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

本次加固修復(fù)的橋梁位于廣州增城區(qū)中心區(qū)域，跨徑總長(zhǎng)為37.7m，橋面總寬為60.8m。橋梁跨徑組合為2×10.15m+2×8.7m，橋面橫向布置為0.40m（護(hù)欄）+6.6m（人行道）+19.0m（左行車道）+4.7m（中央分隔帶）+15.1m（右行車道）+7.7m（人行道）+0.40m（護(hù)欄）。橋面鋪裝為瀝青混凝土。

1#～2#跨左右幅加寬橋上部結(jié)構(gòu)為普通鋼筋混凝土T 梁，1#～2#跨中幅橋?yàn)槭龉皹颍?#～4#跨為鋼筋混凝土連續(xù)箱涵。1#～2#跨左右幅加寬橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土樁柱式墩臺(tái)，1#～2#跨中幅橋下部結(jié)構(gòu)采用重力式石砌墩臺(tái)，3#～4#跨鋼筋混凝土薄壁式墩臺(tái)。T 梁橋部分采用板式橡膠支座，基礎(chǔ)形式不詳。其中該橋的設(shè)計(jì)荷載為汽車-20 級(jí)、掛-100，人群荷載為3.5kN/m2。

1.2 橋梁病害調(diào)查

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該舊橋存在以下病害。

（1）橋面系病害。橋面系主要病害是橋面鋪裝的縱裂、橫裂、網(wǎng)裂以及坑槽；全橋伸縮縫普遍泥沙堵塞。其中左幅第4 跨橋面鋪裝層橫向裂縫，L=5.00m，δ=1.00mm。該舊橋橋面系結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估等級(jí)為D。

（2）上部結(jié)構(gòu)病害。上部結(jié)構(gòu)的主要病害有拱橋拱上側(cè)墻砌石多處局部掏空，第2 跨拱橋拱上側(cè)墻砌體變形；箱梁頂板出現(xiàn)多條橫向超限裂縫。第2 跨拱橋拱上側(cè)墻砌體嚴(yán)重變形，L=1.60m，δ=5.00cm。第3 跨頂板跨中橫向裂縫，L=3.50m，δ=0.20mm。該舊橋橋面系結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估等級(jí)為D。

（3）下部結(jié)構(gòu)病害。下部結(jié)構(gòu)主要病害有墩身多處蜂窩麻面，3#墩大樁號(hào)面存在豎向貫通裂縫，3#墩大樁號(hào)面豎向貫通裂縫，δ=0.30mm。該舊橋橋面系結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估等級(jí)為B。

1.3 病害分析

該舊橋技術(shù)狀況評(píng)估等級(jí)綜合評(píng)估為D 級(jí)不合格狀態(tài)（檢測(cè)評(píng)估后進(jìn)行局部中修、大修或加固工程）。

1.3.1 橋面系病害

（1）各墩頂橋面橫向裂縫可能是橋面鋪裝層承受負(fù)彎矩的作用受拉開裂，跨中處橫向裂縫可能是由于溫度應(yīng)力導(dǎo)致，除此之外，還有瀝青橋面鋪裝發(fā)生的疲勞裂縫。

（2）橋面縱向裂縫主要是該橋新舊橋連接處的不均勻沉降，造成橋面縱向裂縫。

（3）橋面鋪裝網(wǎng)裂，坑槽主要是早期裂縫經(jīng)表層水滲透、沖刷、唧漿，從而產(chǎn)生的以縫為中心的下陷形變，同時(shí)產(chǎn)生新的裂縫甚至碎裂破壞形成坑槽，發(fā)展網(wǎng)狀裂縫[2]。

1.3.2 上部結(jié)構(gòu)病害

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，頂板橫向裂縫主要集中跨中區(qū)域，多條橫向超限裂縫開裂，結(jié)合計(jì)算分析可知，原結(jié)構(gòu)的承載力安全富余儲(chǔ)備不高，而且存在車輛載重已超過橋梁的設(shè)計(jì)荷載的情況，因此在活載加載過程中，頂板跨中區(qū)域正應(yīng)力過大，致使頂板出現(xiàn)橫向裂縫[3]。拱上側(cè)墻裂縫由混凝土收縮引起，在長(zhǎng)期受水汽侵入影響以及車輛荷載的作用下致使混凝土脫落，形成掏空。頂板龜裂由混凝土收縮引起。

1.3.3 下部結(jié)構(gòu)病害

一般墩身豎向裂縫分布規(guī)律不明顯，裂縫寬度均較小，分析為非受力裂縫，主要由混凝土收縮引起。

2 加固方案

2.1 整體加固建議

根據(jù)該舊橋的病害調(diào)查結(jié)果及橋梁評(píng)定等級(jí)，并且舊橋的病害分析，要求通過加固，修復(fù)舊橋關(guān)鍵承重構(gòu)件的原承載能力，并預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備。處治裂縫抑制病害開展，提高耐久性。

2.2 橋面系病害處理

采用瀝青混凝土分層回填切割面層區(qū)域，并用壓實(shí)機(jī)械進(jìn)行碾壓，表面應(yīng)平整、密實(shí)，略高于原路面。若橋面整體化層還存在裂縫，采用改性乳化瀝青灌縫，最好采用熱壓縮空氣吹去縫隙中的堵塞物，以保持裂縫內(nèi)干燥和縫壁適當(dāng)?shù)臏囟?，并且及時(shí)將灌縫材料灌滿縫隙[4]。

2.3 上部結(jié)構(gòu)病害處理

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，頂板橫向裂縫主要集中于跨中區(qū)域，含多條橫向超限裂縫，結(jié)合計(jì)算分析可知，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，提高橋梁的承載力安全儲(chǔ)備，需進(jìn)行加固處理。推薦采用粘貼鋼板法加固。加固內(nèi)容如下。

箱涵頂板粘貼厚6mm、寬30cm 的Q355B 鋼板，鋼板間距60cm，錨固采用M12-130 錨栓。

對(duì)加固后的頂板最不利結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)原橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及檢測(cè)報(bào)告裂縫顯示，粘貼鋼板采用植入M12×130mm 防開裂化學(xué)錨栓作為反力加壓措施，粘貼鋼板按照規(guī)范要求設(shè)置壓條。

2.4 下部結(jié)構(gòu)病害處理

（1）混凝土裂縫修補(bǔ)。①裂縫寬度＞0.15mm 的結(jié)構(gòu)受力裂縫和非結(jié)構(gòu)受力裂縫，均做灌漿處理。②裂縫寬度≤0.15mm 的結(jié)構(gòu)受力裂縫和非結(jié)構(gòu)受力裂縫，均做封閉處理。

（2）混凝土缺陷修補(bǔ)完全鑿除并且除銹處理焊接相同鋼筋，砂漿修補(bǔ)平整。

（3）伸縮縫處理清理伸縮縫內(nèi)泥砂，伸縮縫有橡膠條拉裂病害的，直接更換橡膠條。

（4）耐久性防護(hù)全橋加固后，表面進(jìn)行防護(hù)涂裝，以封閉表面空隙，增加橋梁耐久性[5]。

3 有限元建模分析

Midas 軟件是工程領(lǐng)域常用的分析軟件，用中文常稱作邁達(dá)斯，其作為一種有限元分析軟件，其涉及的專業(yè)領(lǐng)域包含了分為建筑、橋梁、巖土、仿真4 個(gè)方向，其中橋梁檢測(cè)相關(guān)的邁達(dá)斯軟件主要又Midas Civil、Midas Smart BDS、Civil Designer。對(duì)于Midas Civil模型分析軟件，主要用于結(jié)構(gòu)上的分析，能夠針對(duì)常見的箱涵、箱梁橋、空心板橋作計(jì)算分析，同樣能夠?qū)宜鳂颉⑿崩瓨虻容^為復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)形式作計(jì)算分析，邁達(dá)斯主要功能包材料非線性分析、靜力彈塑性分析等廣闊的功能內(nèi)容。該軟件操作方便，上手簡(jiǎn)單，能夠讓橋梁檢測(cè)從業(yè)者高效完成橋梁模型計(jì)算工作。

3.1 采用Midas 有限元軟件進(jìn)行建模

采用Midas Civil 軟件對(duì)修復(fù)的舊橋作模擬，并且根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范2015》來布置車輛荷載，模擬計(jì)算舊橋的承載能力，能否承擔(dān)最不利承載能力組合，并對(duì)比分析修復(fù)前后舊橋的承載能力，全橋模型如圖1 所示。軟件計(jì)算確定鋼板加固能否提高舊橋的承載能力，同時(shí)根據(jù)最不利承載能力組合的內(nèi)力值，作相對(duì)應(yīng)試驗(yàn)值的動(dòng)靜載試驗(yàn)方案，通過橋梁動(dòng)靜載實(shí)際試驗(yàn)舊橋載在修復(fù)后的承載能力。根據(jù)對(duì)比模型計(jì)算出的試驗(yàn)應(yīng)變值和撓度值，分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)模型的能力。

圖1 全橋模型

3.2 加固鋼板模擬

與梁底黏貼的碳纖維布不同，本次修復(fù)采用的是加固鋼板，鋼板自身的力學(xué)剛性大，抗扭抗彎能力強(qiáng)。因此采用實(shí)體單元來模擬梁底的加固鋼板較為合適。由于梁側(cè)加固鋼板修復(fù)形式復(fù)雜，通過鋼板交叉加固并配和螺栓固定的方式來加固，為便于模擬，該部分的鋼板以分布剛度的方式分配到模型中。在邁達(dá)斯軟件的材料定義模塊中輸入鋼板性能數(shù)據(jù)并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加固面的邊界條件，來真實(shí)模擬加固鋼板與被修復(fù)舊梁的相互關(guān)系。選擇連接方式，確保軟件模型軟件在計(jì)算分析受荷載時(shí)，達(dá)到加固鋼板和修復(fù)梁緊密聯(lián)系的理想情況。并且在實(shí)際橋梁靜動(dòng)載下，安排檢測(cè)人員在橋底觀察加固板和梁體之間的貼合情況，是否出現(xiàn)異響等問題出現(xiàn)。對(duì)加固后的頂板最不利結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，參照規(guī)范《城市橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 239—2016）中的有關(guān)規(guī)定。根據(jù)原橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及檢測(cè)報(bào)告裂縫顯示，對(duì)梁底粘貼寬30cm，厚6mm 的鋼板，鋼板凈距30cm。粘貼鋼板采用植入M12×130mm 防開裂化學(xué)錨栓作為反力加壓措施，粘貼鋼板按照規(guī)范要求設(shè)置壓條。橋梁計(jì)算抗力如表1 所示。

表1 橋梁計(jì)算抗力

3.3 橋梁承載力動(dòng)靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中靜載試驗(yàn)采用偏載方式，主要測(cè)點(diǎn)位于加載車輛左側(cè)，測(cè)量?jī)x器位于中間綠化帶區(qū)域，撓度數(shù)據(jù)采集位于人行道區(qū)域。整個(gè)試驗(yàn)過程基本在圍蔽的區(qū)域內(nèi)安全進(jìn)行。約凌晨3：30 動(dòng)載試驗(yàn)在圍蔽通道內(nèi)進(jìn)行，跑車在通道口等待，在通道無車基本安全的情況下跑車。數(shù)據(jù)采集位于人行道區(qū)域進(jìn)行。本次試驗(yàn)：橋下觀測(cè)2 人，交通圍蔽及指揮3 人，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)4 人。本次試驗(yàn)進(jìn)行順利，試驗(yàn)過程未見橋梁異響，撓度下沉過大等異常情況。實(shí)際裂縫發(fā)展情況回去與試驗(yàn)前照片做對(duì)比?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)部分梁跨中有裂縫，上去看了應(yīng)該是梁腹部份修復(fù)的水泥灰老化導(dǎo)致的，并非結(jié)構(gòu)受力導(dǎo)致的裂縫。已拍關(guān)鍵受力梁跨中現(xiàn)狀照片，在試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)比照，觀察跨中是否出現(xiàn)裂縫或者梁的裂縫加劇的情況出現(xiàn)，確定裂縫未發(fā)展。

3.4 加固效應(yīng)結(jié)果

通過邁達(dá)斯模型計(jì)算出舊橋前后加固的承載能力安全儲(chǔ)備，對(duì)比分析兩種狀態(tài)下應(yīng)對(duì)最不利荷載組合的結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)，并且通過橋梁動(dòng)靜載加以驗(yàn)證加固后的性能情況。

舊橋加固前后撓度對(duì)比如圖2 所示。

圖2 鋼板加固修復(fù)前后計(jì)算撓度值

通過以上對(duì)比分析結(jié)果能夠得出結(jié)論。

（1）面對(duì)最不利荷載組合，舊橋的承載力安全儲(chǔ)備相對(duì)于修復(fù)前明顯得到提升，提升大約30%的性能。

（2）通過橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)，修復(fù)后的舊橋在最不利工況下，試驗(yàn)撓度值低于計(jì)算數(shù)據(jù)，本次修復(fù)加固有效提高舊橋的承載能力有了。

綜上，鋼板修復(fù)加固能夠有效提升舊橋的高度承載能力，可以控制舊橋的開裂情況，所以鋼板修復(fù)具有重要的加固作用。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)舊橋做病害上的調(diào)查，綜合評(píng)定該舊橋的技術(shù)狀況評(píng)估等級(jí)綜合評(píng)估為D 級(jí)不合格狀態(tài)，通過邁達(dá)斯軟件模擬計(jì)算取得結(jié)論。

（1）鋼板加固能夠有效提升舊橋的高度承載能力，是一種可靠的橋梁修復(fù)加固方式。

（2）通過對(duì)鋼板修復(fù)加固后的舊橋作動(dòng)靜載試驗(yàn)，確定舊橋的實(shí)際承載能力符合軟件模擬計(jì)算數(shù)值。病害侵蝕以及性能下降的情況有所減少。建議加強(qiáng)后期對(duì)就敲的定期檢查維護(hù)，做好相應(yīng)的管理養(yǎng)護(hù)工作，保證橋梁的使用性能的穩(wěn)定。