某國道公路橋梁病害成因分析及加固研究

摘要：橋梁服役過程中會出現(xiàn)裂縫、滲水等不同病害，嚴(yán)重影響橋梁的安全運營，因此對病害進行準(zhǔn)確檢測及合理加固十分必要。以國道205線橋梁工程為研究對象，通過無損檢測技術(shù)、靜動載試驗進行病害專項檢查?；跈z測結(jié)果，對病害進行分類并分析不同病害的成因，針對性提出相應(yīng)的加固方案，并結(jié)合有限元軟件對加固后的橋梁進行極限承載力驗算，從而評估加固后橋梁的安全性。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；裂縫成因；有限元分析；加固方案

0" "引言

橋梁長時間的暴露在自然環(huán)境下，歷經(jīng)風(fēng)雨等自然因素，往往會產(chǎn)生裂縫、滲水等病害[1-2]。近年來，橋梁病害的問題已逐漸成為土木工程的熱點之一，不少學(xué)者通過各種手段對此開展了一系列的研究。胥廣耀[3]以橋梁工程為例，分析混凝土箱梁裂縫出現(xiàn)的原因，提出了灌漿處理技術(shù)。司玉金[4]針對公路橋梁施工中的混凝土裂縫成因開展了研究，并從混凝土材料方面提出了裂縫防治措施。尹秋實[5]分析了道路橋梁設(shè)計環(huán)節(jié)存在裂縫病害問題，探討了道路橋梁項目設(shè)計與施工中避免裂縫發(fā)生的措施。李洋[6]結(jié)合實踐經(jīng)驗，總結(jié)了公路橋梁施工中的裂縫成因，并提出了相應(yīng)的防治對策。

本文以國道205線橋梁工程為研究對象，通過無損檢測技術(shù)、靜動載試驗進行病害專項檢查。基于檢測結(jié)果，對病害進行分類并分析不同病害的成因，針對性提出相應(yīng)的加固方案，并結(jié)合有限元軟件對加固后的橋梁進行極限承載力驗算。

1" "工程概況

國道205線北岸二橋位于南平市延平區(qū)，全橋長54.1m，橋面總寬10.3m，橋梁起點樁號為K2148+220.950，橋梁終點樁號為K2148+275.050，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用圬工板拱結(jié)構(gòu)，為上承式實腹式拱橋結(jié)構(gòu)。橋臺采用U型橋臺。設(shè)計荷載等級為汽-20，掛-100。

2" "橋梁病害成因及處置措施

對該橋進行橋梁技術(shù)狀況檢查、靜動載試驗。檢測結(jié)果表明，橋梁存在多出縱橫向裂縫、坑槽、漏筋等病害。根據(jù)水底探摸資料顯示，三明側(cè)橋臺存在砌縫脫落、淘空及裂縫現(xiàn)象，南平側(cè)橋臺檢查情況良好。經(jīng)評定，本橋技術(shù)狀況評定為四類橋梁，其承載能力滿足公路-Ⅱ級荷載等級通行要求。

2.1" "橋面系

2.1.1" "病害狀況

本橋橋面出現(xiàn)坑槽、孔洞、裂紋病害，橋面鋪裝出現(xiàn)3條明顯縱向裂縫，長度分別為5m、2m、1.5m，縫寬分別約為0.15mm、0.15mm、0.17mm。橋面2處坑槽，面積分別為90cm2、360cm2。

該橋防撞護欄有部分缺損、裂縫和多處漏筋情況。上游側(cè)護欄破損，破損面積分別為45cm2、15cm2。下游側(cè)護欄貫穿性裂縫共5處護欄貫穿性裂縫，長度為豎向貫穿整個護欄，寬度分別約為1.5mm、2.5mm、1mm、2mm、1mm。橋面系病害實物圖如圖1所示。

2.1.2" "病害成因及處置措施

分析認(rèn)為，橋面鋪裝縱向裂縫主要與主拱圈的不均勻變形有關(guān)，橋面鋪裝坑槽主要與重載交通的沖擊有關(guān)。針對于此制定擬處理方案如下：拆除橋面破損部分板塊進行重建；對護欄露筋、裂縫等進行處理；更換現(xiàn)有橋面泄水管，加長處理以利于橋面水排除。

2.2" "上部結(jié)構(gòu)

2.2.1" "病害狀況

本橋上部承重構(gòu)件為石板拱主拱圈。經(jīng)檢查，主拱圈存在多處裂縫，拱頂整體有輕微下?lián)?。主拱圈存?條縱向裂縫，長度分別約為5m、4m，縫寬約為3cm。拱腳起拱處存在1條斜向裂縫，長度為8m，縫寬3～8cm。該橋拱上結(jié)構(gòu)基本完好，局部地方有滲水現(xiàn)象。上部結(jié)構(gòu)病害實物圖如圖2所示。

2.2.2" "病害成因

分析認(rèn)為，拱圈出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象主要與基礎(chǔ)的不均勻沉降變形以及重載交通有關(guān)，滲水主要與橋面排水不暢有關(guān)。

2.3" "下部結(jié)構(gòu)

2.3.1" "病害狀況

本橋常水位位于主拱圈拱腳以上，現(xiàn)場無法觀察橋梁下部狀況。江蘇神龍海洋工程有限公司所提供水底探摸資料顯示：三明側(cè)橋臺中間位置水下5.3m處，存在多條不規(guī)則石頭砌縫脫落現(xiàn)象；在橋臺中間稍偏山體位置水下5.3m處，存在一處淘空，尺寸為85cm×35cm×5cm。

橋臺距離山體2m處存在一條豎縫，從水上2m處延伸至水下2m。下部結(jié)構(gòu)病害實物圖如圖3所示。

2.3.2" "病害成因

分析認(rèn)為，砌縫脫落、掏空主要與長期流水沖刷作用有關(guān)。豎向裂縫為拱腳裂縫延伸，主要成因與拱圈裂縫類似。

3" "設(shè)計方案比選

本次設(shè)計針對本橋病害情況，共提出兩個設(shè)計方案，并對方案進行比選。方案一如表1所示。方案二如表2所示。

本次設(shè)計所提兩個方案，方案一雖然造價略高，但相對施工簡便，施工質(zhì)量較好控制，且工期短，故將其作為施工方案。

4" "加固設(shè)計要點

4.1" "部分橋面鋪裝拆除重建

本設(shè)計擬對南平臺側(cè)橋臺末端位置左右兩側(cè)分別拆除17.5m、14.0m長橋面。新建橋面鋪裝厚度暫按20cm計，待舊橋面挖除后按現(xiàn)場實際情況進行適當(dāng)調(diào)整。施工時，應(yīng)注意控制新建橋面鋪裝層鋼筋植入、預(yù)埋的設(shè)置。

4.2" "主拱圈水上裂縫處理

先在裂縫兩側(cè)各寬度約60cm范圍內(nèi)進行植筋C12處理，鋼筋間距按規(guī)定要求設(shè)置，并用高強聚合物砂漿抹面處理。最后通過M12錨栓將厚度為10mm的Q345固定于裂縫位置處。

4.3" "主拱圈水下裂縫及掏空部分處理

對水下部分裂縫及空洞，通過潛水員潛入水下，將水下裂縫裂縫周圍破碎混凝土鑿除，并清理裂縫，再采用水下裂縫封閉的方法進行封閉。

4.4" "主拱圈加固處理

采取錨桿對拉的加固方法，拱圈以上部分兩側(cè)對應(yīng)鉆孔，孔內(nèi)放置鋼管。拱圈以下部分放置鋼管，管外灌注水泥漿，注漿壓力不小于2.5MPa。鋼管排距沿拱橋順橋向，按間距1.5m粘貼豎向鋼板，以固定錨索。在拱圈底部設(shè)置一道10cm厚的噴射混凝土。本橋上游側(cè)拱圈外側(cè)整體粘貼8mm厚鋼板，下游側(cè)設(shè)置槽鋼以固定錨索。

5" "承載能力極限狀態(tài)驗算

通過有限元軟件建立橋梁模型，分析橋梁內(nèi)力，并驗算加固后的承載力。三維橋梁模型如圖4所示。對模型進行劃分網(wǎng)格，共計32314個單元，56632個節(jié)點。

模型中實體打死單位本構(gòu)選擇M-C模型，襯砌用實體單元模擬。三維模型邊界條件如下：模型底部為水平和豎直方向位移約束；模型四周為水平向位移約束；模型表面為自由邊界。

荷載組合工況如表3所示。主拱圈拱頂、1/4截面、拱腳截面承載能力驗算結(jié)果如表4、表5、表6所示，其中容許偏心距為0.1616m，截面設(shè)計強度為2481.9kN。根據(jù)計算結(jié)果可知，偏心距和內(nèi)力均滿足要求。承載能力計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

綜合上述結(jié)果可知，加固后該橋既可以滿足承載能力極限狀態(tài)下拱圈的承載力要求，也可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性及舒適性。

6" "結(jié)束語

橋梁服役過程中會出現(xiàn)裂縫、滲水等不同病害，嚴(yán)重影響橋梁的安全運營，因此對病害進行準(zhǔn)確檢測及合理加固十分必要。本文依托國道205線橋梁工程，通過現(xiàn)場以及靜動載試驗對對主拱圈進行病害檢測，并分析不同病害的成因。針對病害類型及成因制定了針對性的加固方案，同時從部分橋面鋪裝拆除重建、主拱圈水上裂縫處置、水下裂縫及掏空部分處理、主拱圈加固處理4方面提出加固設(shè)計要點。

進一步通過有限元軟件建立三維模型，對不同荷載組合下的主拱圈拱頂、1/4截面、拱腳截面進行驗算。研究結(jié)果表明，加固后該橋即可以滿足承載能力極限狀態(tài)下拱圈的承載力要求，也可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性及舒適性。

參考文獻

[1] 胥廣耀.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫的加固處理技[J].北方交通，2014（9）：44-47．

[2] 司玉金.公路橋梁工程施工中的混凝土裂縫成因及防治措施[J].黑龍江交通科技，2019（2）：144-145.

[3] 尹秋實.道路橋梁設(shè)計與施工中裂縫成因及防治措施[J].工程技術(shù)研究，2019（10）：80-81.

[4] 李洋.淺析公路橋梁施工中裂縫的成因及防治對策[J].黑龍江交通科技，2013，36（9）：79.DOI：10.16402/j.cnki.issn1008-3383.2013.09.052.

[5] 劉宇航.鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土32mT梁縱向裂縫修補效果評價[J].鐵道建筑，2017，57（4）：48-51，51．

[6] 王勇.既有大準(zhǔn)鐵路16m簡支T梁橫向加固研究及應(yīng)用[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（1）：54-57．

（福建省南平市交通事業(yè)發(fā)展中心，福建南平" "354200）