我國西北地區(qū)某橋梁引橋病害及加固方案研究

摘 要：本文對西北地區(qū)某橋梁引橋的病害與加固方案進(jìn)行研究。首先闡述了橋梁現(xiàn)狀，包括外觀檢查結(jié)果（如裂縫分布、支座連接件情況等）和病害成因（施工縫開裂、箍筋斷裂等的原因）。接著進(jìn)行加固前計算分析，涵蓋抗彎、抗剪承載力及裂縫寬度驗(yàn)算。隨后詳細(xì)介紹了加固方案，有施工縫處補(bǔ)強(qiáng)、針對特定跨裂縫補(bǔ)強(qiáng)和北引橋提載升級加固措施。最后通過動、靜載試驗(yàn)表明加固效果良好，工程質(zhì)量達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：層間剪力 收縮徐變 溫度梯度作用

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸需求也在不斷地增長。在交通運(yùn)輸需求快速增長的同時，公路交通運(yùn)輸行業(yè)也得到了快速發(fā)展，公路橋梁的數(shù)量和規(guī)模均得到了大幅度增長，其設(shè)計荷載也相應(yīng)地提高。近年來，公路橋梁在長期的運(yùn)營過程中出現(xiàn)了越來越多的病害問題。由于我國高速公路建設(shè)起步較晚，且早期設(shè)計荷載偏低，使得很多在役公路橋梁都存在著不同程度的病害問題。因此，對既有橋梁進(jìn)行全面、系統(tǒng)的病害調(diào)查及原因分析具有十分重要的意義。

某橋梁引橋作為西北地區(qū)主要節(jié)點(diǎn)之一，位于黃河兩岸。該橋建成通車20多年來，一直承擔(dān)著巨大的交通壓力，近年來又因種種原因出現(xiàn)了諸多病害問題。本文結(jié)合某橋梁左幅北引橋病害實(shí)際監(jiān)測過程、病害分析、加固方案及加固效果進(jìn)行歸納總結(jié)，整理出可供參考的案例經(jīng)驗(yàn)。

1 橋梁概況

橋梁位于西北地區(qū)，荷載等級為汽車-超20級、掛車-120。橋梁全寬21.5m，寬度組成為0.5m（防撞護(hù)欄）+9.5m（行車道）+1.5m（中央分隔帶）+9.5m（行車道）+0.5m（防撞護(hù)欄）。左幅上部結(jié)構(gòu)為（52m+3×80m+52m）變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+（18.318m+3×25m）等截面鋼筋混凝土連續(xù)箱梁；右幅上部結(jié)構(gòu)為（52m+3×80m+52m）變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+（4×25m）等截面鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)主橋橋墩為鋼筋混凝土圓形空心墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。墩身外徑3.0m，內(nèi)徑1.2m，壁厚0.9m，墩頂和墩底均設(shè)1.5m的實(shí)體段。承臺厚3m，基樁為4根直徑2.0m的鉆孔灌注樁，樁長18m，樁尖嵌入微風(fēng)化砂巖內(nèi)約8.0m。引橋下部結(jié)構(gòu)橋墩為柱式墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。橋臺為肋板臺，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝為8cm厚瀝青混凝土，護(hù)欄為鋼混組合防撞護(hù)欄，該橋于2002年12月建成通車。

2 橋梁現(xiàn)狀及病害成因分析

2.1 外觀檢查結(jié)果

第9跨箱梁左腹板縱向施工縫開裂，縫長4.2m，縫寬1.54mm；端頭出現(xiàn)斜向裂縫，梁體裂縫呈現(xiàn)“π”形，最大縫長0.88m，最大縫寬1.87mm，裂縫上寬下窄。左幅引橋腹板豎向裂縫共計132條，縫長0.2～1.14m，縫寬0.07～0.30mm；底板、翼緣板橫向裂縫共計141條，縫長0.4～2.11m，縫寬0.07～0.25mm；部分豎向裂縫與橫向裂縫位置呈對應(yīng)關(guān)系。4個支座連接件未拆除。

第三方檢測單位對該橋進(jìn)行了特殊檢查。檢測結(jié)果顯示，橋梁主橋箱內(nèi)存在較多斜向裂縫，經(jīng)承載能力檢算，計入橋梁現(xiàn)狀折減后，主橋承載能力滿足原設(shè)計規(guī)范要求。引橋存在較多橫向裂縫、豎向裂縫及斜向裂縫，其中左幅第8、9跨裂縫較為嚴(yán)重，經(jīng)對該兩跨進(jìn)行承載能力檢算及荷載試驗(yàn)，結(jié)果均不滿足規(guī)范要求。

管養(yǎng)單位對該橋引橋左幅第9跨腹板斜向裂縫安裝一體化無線裂縫計，對裂縫寬度進(jìn)行實(shí)時觀測記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該條裂縫的長度和寬度均在持續(xù)發(fā)展。

2.2 橋梁主要病害成因分析

2.2.1 左幅引橋第8、9跨腹板施工縫縱向開裂、腹板斜向裂縫成因

橋梁左幅引橋第9跨左側(cè)腹板縱向施工縫開裂，縫長4.2m，縫寬1.54mm，左腹板存在1條斜向裂縫，距8#墩9.8m，縫長0.88m，縫寬1.87mm，裂縫上寬下窄。

為分析腹板施工縫處開裂原因，采用通用有限元軟件對左幅第9跨箱梁腹板縱向施工縫開裂處進(jìn)行局部分析，選取左幅第9跨建立實(shí)體模型，模擬在腹板出現(xiàn)縱向裂縫時的主梁應(yīng)力狀況。

經(jīng)過對主梁建立實(shí)體模型分析，對腹板出現(xiàn)縱向裂縫位置主梁施加豎向荷載，不考慮箱梁配筋，在豎向荷載和主梁自重的作用下，縱向裂縫端頭位置出現(xiàn)25.1MPa的壓應(yīng)力，該處混凝土被壓碎，同時，與此對應(yīng)的斜向開裂位置主梁腹板下緣出現(xiàn)5.2MPa的拉應(yīng)力，該處混凝土被拉裂，在壓、拉同時作用下該處形成斜向裂縫，表明施工縫縱向裂縫與腹板斜向裂縫與車輛的沖切作用有直接關(guān)系。

分析裂縫產(chǎn)生的主要原因如下：（1）主梁采用二次澆筑，未嚴(yán)格控制時間差，間隔時間過長，導(dǎo)致兩次澆筑混凝土的收縮差不一致；（2）橫坡由腹板高度變化形成，內(nèi)側(cè)腹板高度變小，在重載車輛偏載作用下，車輛對主梁的沖切作用，引起在縱向裂縫端部的腹板斜向裂縫進(jìn)一步發(fā)展。

2.2.2 腹板豎向箍筋斷裂成因

根據(jù)現(xiàn)場病害情況分析，斷裂鋼筋斷口齊整無明顯縮徑，且有錯口現(xiàn)象，為典型的剪斷破壞。層間剪力產(chǎn)生原因如下。

（1）原橋箱梁為分次澆筑，施工縫處的水泥漿質(zhì)量較差，且接縫處未鑿毛、接縫齊整，導(dǎo)致主梁上下分層。在荷載作用下，會出現(xiàn)層間變形不一致，產(chǎn)生層間剪力。而跨中為變形最大處，故出現(xiàn)的層間剪力也最大，橋梁在荷載的長期反復(fù)作用下，層間相互錯動，導(dǎo)致混凝土壓裂、箍筋剪斷病害。

（2）溫度梯度作用是導(dǎo)致主梁出現(xiàn)層間剪力的一大因素。

（3）主梁兩次澆筑時間不一致，相互間的收縮徐變也不一致，也會致使主梁在接縫處出現(xiàn)較大的水平剪力。一般情況下，主梁層間抗剪作用順序?yàn)槭紫纫揽繉娱g鑿毛產(chǎn)生的摩阻力，其二是水泥漿的粘結(jié)剪切強(qiáng)度來抵抗，第三是主梁的豎向箍筋來抵抗。本橋由于施工縫處水泥漿施工質(zhì)量較差，且在超重車輛的綜合作用下，導(dǎo)致箍筋過早承擔(dān)抗剪作用。截面開裂使得水汽入侵、箍筋銹蝕，抗剪作用被削弱，導(dǎo)致箍筋的斷裂。而在活載的反復(fù)作用下、溫度梯度的影響下，主梁開裂持續(xù)加劇。

3 加固前計算分析

根據(jù)主梁病害檢測結(jié)果，依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ023-85）、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021-89）及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）的規(guī)定，對既有橋梁在原設(shè)計荷載（汽車-超20 級，掛車-120）下，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。

3.1 加固前抗彎承載力驗(yàn)算

計算結(jié)論：橋梁引橋在原荷載、原規(guī)范荷載作用下，邊、中跨跨中和支點(diǎn)截面抗彎均滿足要求，且有一定安全儲備。加固前既有橋梁上部結(jié)構(gòu)抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果，在18 規(guī)范驗(yàn)算下，第7～9跨跨中抗彎承載能力不滿足要求，支點(diǎn)截面滿足要求。

3.2 加固前抗剪承載力驗(yàn)算

計算結(jié)論：該橋梁引橋原設(shè)計上部結(jié)構(gòu)抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果，在原荷載、原規(guī)范荷載作用下，端、中支點(diǎn)截面抗剪均滿足要求，且有一定安全儲備。加固前既有橋梁上部結(jié)構(gòu)抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果，在18 規(guī)范驗(yàn)算下，各支點(diǎn)截面抗剪承載能力滿足規(guī)范要求。

3.3 使用階段裂縫寬度驗(yàn)算

原設(shè)計對該橋梁引橋鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，裂縫寬度按照0.25mm控制設(shè)計。計算結(jié)論：該橋梁引橋原設(shè)計上部結(jié)構(gòu)抗裂性驗(yàn)算結(jié)果，在原荷載、原規(guī)范荷載作用下，截面計算裂縫寬度滿足限值要求。加固前既有橋梁上部結(jié)構(gòu)抗裂性驗(yàn)算結(jié)果，在18規(guī)范驗(yàn)算下，部分跨中截面計算裂縫寬度不滿足限值要求。

4 加固方案

4.1 施工縫處的局部補(bǔ)強(qiáng)措施

（1）在縱向施工冷縫處，箱內(nèi)、外粘貼鋼板塊加固，并在箱內(nèi)、箱外對拉高強(qiáng)螺桿，對施工縫處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

（2）在左腹板新增橫向混凝土肋，增強(qiáng)新增混凝土與原主梁間的整體性。

（3）在右腹板新增橫向鋼制加勁肋，鋼肋之間粘貼對拉鋼板，增強(qiáng)主梁頂、底板間的整體性。

（4）在箱內(nèi)存在環(huán)向裂縫處，增設(shè)框架式隔板，分節(jié)段安裝，節(jié)段間采用連接板栓接，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。

（5）對引橋其他橋跨施工縫處，采用種植高強(qiáng)螺栓，對拉粘貼鋼板的措施。對施工縫處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4.2 針對左幅引橋第8、9跨裂縫的局部補(bǔ)強(qiáng)

針對施工縫處縱向裂縫及腹板斜向裂縫，在腹板局部位置做加厚處治，對施工縫開裂處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)整體性。腹板作為結(jié)構(gòu)里不可或缺的重要組成部分，它的狀態(tài)對于整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著舉足輕重的影響。一旦腹板出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就會遭受威脅。而通過對腹板局部加厚這種處治方法，能夠有效地增加腹板的強(qiáng)度與剛度。這樣一來，腹板就可以更好地抵御外力的作用，從而確保整個結(jié)構(gòu)處于安全可靠的狀態(tài)，保障整個工程的質(zhì)量和使用安全。

4.3 針對北引橋提載升級的加固

（1）在箱梁兩側(cè)通過張拉體外束，提高主梁抗彎承載能力；通過跨中腹板局部加厚措施，對箱梁腹板混凝土結(jié)合面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；通過墩頂位置局部加厚措施減小主梁彎曲傾角，提高主梁剛度，同時提高主梁抗剪承載能力。

（2）在梁底粘貼縱向鋼板條，提高結(jié)構(gòu)承載能力安全儲備，抑制裂縫發(fā)展。

5 加固效果

通過對該橋梁左幅引橋第8、9跨進(jìn)行動、靜載試驗(yàn)，并對檢測結(jié)果進(jìn)行整理、計算和分析，其鑒定結(jié)論如下。

（1）各工況試驗(yàn)荷載加載效率介于0.85～1.05，試驗(yàn)荷載在結(jié)構(gòu)控制截面產(chǎn)生的最大內(nèi)力效應(yīng)和變位效應(yīng)，能夠反映理論計算活載作用下同一截面最不利內(nèi)力效應(yīng)和變位效應(yīng)，滿足規(guī)范要求。

（2）各工況主梁撓度測試校驗(yàn)系數(shù)介于0.62～0.96之間，最大相對殘余變形為7.50%且未超過20%的限值，表明主梁測試截面在試驗(yàn)荷載工況下的剛度性能滿足設(shè)計要求。

（3）各工況主梁應(yīng)變測試校驗(yàn)系數(shù)介于0.59～0.95之間，最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.30%且未超過20%的限值，表明主梁測試截面在試驗(yàn)荷載工況下的剛度性能滿足設(shè)計要求。

（4）在汽車-超20級，掛車-120試驗(yàn)荷載下其撓度校驗(yàn)系數(shù)由1.15～1.98（加固前）降低至0.48～0.76（加固后），實(shí)測值小于相應(yīng)理論值，表明主梁測試截面剛度有一定提高。

（5）主梁第一階振動頻率實(shí)測值由3.32Hz（加固前）提高至4.49Hz（加固后），高于理論值4.15Hz，表明所測結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，橋梁動力剛度滿足設(shè)計要求。

（6）動撓度實(shí)測得出的最大沖擊系數(shù)為0.079，小于理論計算值0.216，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，該橋梁左幅引橋試驗(yàn)橋跨在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)總體受力特征與理論計算基本一致，各控制截面變形、應(yīng)力實(shí)測值小于計算值，滿足設(shè)計和規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)動、靜力各項(xiàng)指標(biāo)良好。經(jīng)鑒定，該工程質(zhì)量鑒定得分為92分，根據(jù)對鑒定結(jié)果的分析和對各分部工程合格情況的認(rèn)定，該工程質(zhì)量等級達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，順利通過交工驗(yàn)收。

6 結(jié)語

本研究對西北地區(qū)某橋梁引橋的病害及加固方案進(jìn)行了全面的探討。在橋梁引橋現(xiàn)狀方面，外觀檢查清晰地呈現(xiàn)出引橋存在的多種裂縫情況，特殊檢查進(jìn)一步明確了主橋和引橋不同的承載能力狀況，而裂縫發(fā)展監(jiān)測則為后續(xù)的分析提供了動態(tài)的數(shù)據(jù)支撐。這一現(xiàn)狀的準(zhǔn)確把握是后續(xù)研究的基礎(chǔ)。病害成因探究中，施工工藝因素如二次澆筑時間控制不當(dāng)、水泥漿質(zhì)量差等是導(dǎo)致病害的重要原因。車輛荷載影響也不容忽視，像重載車輛的偏載作用加劇了裂縫的發(fā)展。環(huán)境因素同樣在病害形成過程中起到了一定的作用。深入理解這些成因有助于針對性地制定加固方案。加固前的計算為加固方案提供了理論依據(jù)，抗彎、抗剪承載力驗(yàn)算以及裂縫寬度驗(yàn)算等結(jié)果明確了引橋結(jié)構(gòu)在加固前的性能狀態(tài)，從而能夠有的放矢地進(jìn)行加固設(shè)計。加固方案闡述涵蓋了施工縫局部處理、特定跨裂縫加固和引橋提載加固等多個方面。從實(shí)際的動、靜載試驗(yàn)結(jié)果來看，加固后的橋梁引橋在各項(xiàng)指標(biāo)上均滿足設(shè)計和規(guī)范要求，工程質(zhì)量達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。這表明本研究中的加固方案是可行且有效的。未來，對于橋梁的維護(hù)和管理仍需持續(xù)關(guān)注，不斷優(yōu)化加固技術(shù)，以確保橋梁的長期安全使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張欖，姚磊，楊祖濤.某長江大橋引橋連續(xù)箱梁長索體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計[J].世界橋梁，2022，50（04）：108-112.

[2]深中通道完成海上引橋最高箱梁架設(shè)[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2022，35（03）：12.

[3]江鵬.基于橋梁荷載試驗(yàn)方法的混凝土箱梁橋加固改造分析[J].福建交通科技，2021（12）：61-66.

[4]尹晉.市政橋梁工程中引橋現(xiàn)澆箱梁施工技術(shù)應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2021（12）：61-63.

[5]趙佳康.市政橋梁引橋現(xiàn)澆箱梁施工技術(shù)應(yīng)用分析[J].居舍，2021（16）：77-78.

[6]龍佩恒，夏茁茁.高速公路橋梁裂縫形成機(jī)理與維修處治措施[C]//中冶建筑研究總院有限公司.2021年工業(yè)建筑學(xué)術(shù)交流會論文集（下冊），2021：5.

[7]謝海文.高速公路橋梁病害成因分析及維修處治措施[J].交通世界，2022（30）：31-33.