浅析沱湾大桥裂缝成因及治理措施

李 自

0 引言

随着社会的发展,道路客货运输量不断增长,对道路提供安全、快速、重载行驶的要求越来越高。桥梁是确保道路畅通的咽喉,其承载能力和通行能力是贯通全线的关键。需及时对现有桥梁进行调查研究,分析损坏原因,采取相应的维修加固措施,提高桥梁荷载等级,确保道路交通正常运行。

1 大桥病害现状

沱湾大桥位于重庆市綦江县古南街道桥河与开发区相连接的城区市政道路上沱湾处,桥梁全长为 158m,桥面宽为净10.5m车行道 +2×3.5m人行道,设计荷载为汽—20级、挂—100,人群荷载3.5 kN/m2。由三跨组成,两岸边跨为净跨16m的实腹式钢筋混凝土板拱桥;中间主跨净跨 100m,由 5片预制箱形拱拼装而成,横向由 9片箱形拱拼装而成,单片箱宽 1.5m、高 1.6m,纵向分 5段预制吊装施工。拱上腹拱为净跨 6m的等跨腹拱,腹拱下的横墙为开有通道孔的 20号素混凝土横墙,墙体厚 0.9m,墙底与拱圈衔接处设有垫梁,垫梁高 0.5m,与墙体等厚。桥台设计为重力式桥台,基础为刚性扩大基础和桩基础。

桥面铺装层原设计为沥青混凝土柔性路面,路缘石边 9.5 cm,桥中心 20 cm,施工中改为了混凝土刚性路面,采用24 cm厚30号混凝土。

大桥主拱做了静荷载试验,试验结论为满足设计要求,结构安全可靠,于 1995年 2月正式通车。

我所在养护检测中发现不同部位混凝土有裂缝,经过现场调查,全桥主要裂缝有以下几处(位置见图 1)：

1)桥面车行道裂缝。桥面车行道板顺桥向距路缘石 2m～ 2.5m范围内(两侧)存在较规则裂缝,延长数十米;横桥向在主桥拱脚附近对应位置有贯通桥面宽的横向裂缝。2)主拱两岸分别设置跨径 16m引拱,于南岸主、引拱交界墩引拱拱座下存在水平规则裂缝,三面贯通,曾采取水泥砂浆封闭,封闭后无新裂缝出现。3)主拱圈拱上横墙距垫梁上约 0.3m高处存在水平向裂缝,最大缝宽 2mm。垫梁通道孔中央处自上而下存在竖向裂缝,最大缝宽 1mm。上述两处裂缝在 1号、2号横墙上最明显。其中横墙上裂缝曾采取水泥砂浆封闭,且封闭后在砂浆封闭处的裂缝处又被拉裂。4)主拱边腹拱处,原设计边腹拱为三铰拱,以利释放拱上建筑因变位产生的次内力。而施工中未按设计图作预留缝处理,营运后于拱顶处出现裂缝及拱脚处侧墙也出现自上而下的不规则贯通裂缝。5)主跨主拱每片拱箱顺桥向拼接处湿接缝开裂严重,最严重的裂缝贯穿整个主跨。

2 裂缝成因分析

2.1 桥面车行道裂缝

1)桥面横向裂缝。由于实际施工中把原设计的沥青混凝土桥面铺装层改为 30号混凝土铺装层,在温度变化、汽车、人群等荷载作用下,因超静定结构各部位的变化产生内力,导致主拱上的边腹拱为释放应力、适应变形而逐渐形成三铰拱,进而引起边腹拱脚处侧墙及拱上填料被拉裂出现变形缝,加上桥面铺装层混凝土自身的收缩影响,最终在三铰拱附近也形成变形缝。因此,此缝是连续的桥面铺装层为适应拱式结构的变形而形成的变形缝,除了影响外观质量外,对结构承载能力无影响。2)桥面纵向裂缝。根据现场检测及查阅设计图,分析挑梁的受力机理,在人群荷载作用下,挑梁悬挑部分以刚性的侧墙边缘为支点向下变形,而在汽车荷载作用下,又使挑梁跨中部向下挠曲,若拱上填料不够密实,挑梁跨中部不能得到有效支撑,使挑梁因此成为弯剪构件。在荷载反复作用下,导致桥面开裂。本裂缝既影响外观质量,也对挑梁及人行道的正常使用存在一定的不利。

2.2 南岸16m引拱交界墩裂缝

根据该桥施工过程中的验收记录及调查原施工单位现场施工负责人,该裂缝在施工过程中就已经形成,是新旧混凝土界面工作缝。由此,若不考虑该截面混凝土的抗剪能力,只对其在16m引拱和主拱边腹拱的作用下的抗滑能力进行分析。经计算,本裂缝对结构正常使用无影响。

2.3 拱上横墙裂缝

1)横墙底水平裂缝。拱上横墙设计为 20号素混凝土,施工过程中整体浇筑与主拱圈形成固结。因施工过程中,在垫梁上约30 cm高处留有工作缝,形成了新旧混凝土结合薄弱面,随着全桥施工加载过程及营运阶段荷载的作用,横墙底部一侧出现拉应力而裂缝在此部位形成。于是,横墙与主拱圈不再固结而形成铰接。经横墙强度验算可知,该裂缝对其承载能力没有影响。2)垫梁竖向裂缝。垫梁按标准图设计配筋,其配筋仅按防裂构造配置,设置方式是从主拱箱纵缝间埋设钢筋,在荷载作用下,由于横墙设了通道孔,横墙传递桥面车辆荷载至拱圈使每片拱箱受力不一致,使拱圈的变形相互不一致,进而对垫梁施加了作用力,在连续梁的受弯区(垫梁通道孔中央)产生拉应力,而所配构造钢筋不足以抵抗拉应力,从而导致了混凝土开裂。此裂缝是目前采用标准图集的钢筋混凝土箱形拱桥在这两年随着车流荷载加大加密,发现出现的较共性问题。此裂缝对主拱圈各片拱箱横向内力分配的均匀性有一定的影响,应予处理。

2.4 主拱边腹拱裂缝

边腹拱是主拱结构与具有强大刚度的交界墩的连接点,在荷载作用下,主拱结构的变形要在该点释放,因此,设计上一般把边腹拱设计为三铰拱,拱脚上侧墙也应预留变形缝。由于施工中未对边腹拱侧墙预留变形缝,在营运过程中,为适应结构变形,边腹拱侧墙被拉裂面形成裂缝。该裂缝属正常开裂,对结构无不良影响。

2.5 主跨主拱拱箱顺桥向拼接处湿接缝开裂

在拱箱连接施工过程中,现浇湿接缝的施工工艺或施工质量存在缺陷;拱箱之间的横向连接只在两端,横向连接整体性不够;受力变形不均,形成施工缝开裂。

3 裂缝治理措施

3.1 桥面裂缝

由于桥面裂缝既影响外观,又对挑梁及人行道的正常使用存在隐患,因此应予以治理,更换桥面铺装层。在主跨桥面铺装产生横向裂缝的范围内,将桥面铺装层混凝土分块切割,全部拆除重新浇筑 30号杜拉纤维混凝土。铺装层混凝土中增设一层D 10型钢筋焊接网,铺设于路面以下 5 cm,并于每立方米混凝土中掺加0.9 kg～1 kg杜拉纤维,以改善铺装层的整体强度及抗裂性能。在两端横桥向新老混凝土的接缝处,在铺装层下半部预先嵌入2 cm厚的泡沫板,上半部嵌胀缝橡胶条,以形成桥面变形缝。嵌缝的要求要视人工摊铺或是机械摊铺具体确定。在拆除旧铺装层之后、新铺装层未达到设计强度之前,人行道上禁止大量行人行走。

3.2 主拱边腹拱裂缝

本裂缝产生于边腹拱两拱脚及跨中对应的两侧侧墙上,竖向贯通。此缝本应是设计所需要,因此,只需向缝内灌注沥青即可。

3.3 主拱圈拱上横墙裂缝及垫梁裂缝

此两处裂缝,均因结构表面边缘拉应力过大而开裂,并对结构受力有不利的影响,应进行加固处治。加固的方法可采用“壁可”法压力灌注封闭裂缝,结构表面粘贴碳纤维布进行补强。

“壁可”法是利用注入器橡胶管的压力(约3 kg/cm2),保持低压持续灌注,通过橡胶管的收缩自动完成注浆,从而改变了以往一直靠人工注入的方式。该方法可灌注的最小缝宽为 0.02mm,其最突出的优点就是能将灌注材料可靠地注入到裂缝最细小的末端中,以实现结构完美的恢复。

“壁可”法所使用的材料具有优良的性能。BL-GROUT灌注材料抗压屈服强度大于50MPa,抗拉剪强度大于10MPa;SB-101密封材料抗弯强度大于 40MPa,抗压屈服强度大于60MPa,抗压强度大于20MPa,抗剪强度大于11MPa。

采用“壁可”法封闭裂缝后,再分别于垫梁顶面和横墙两侧的裂缝处粘贴厚度为0.16mm的碳纤维布。垫梁上粘贴长度为 2m,横墙上粘贴长度为 1.2m,均使裂缝位于粘贴长度的中心。经加强后,相当于在补强面增设了按 20 cm间距布置 φ20的钢筋。

3.4 南岸16 m引拱交界墩裂缝

此裂缝采用“壁可”法进行封闭即可,不再进行其他加固。

3.5 主跨主拱拱箱顺桥向拼接处湿接缝裂缝

此类裂缝采用“壁可”法进行封闭,不再进行其他加固。

4 结语

该桥裂缝治理完成已运行一年多,目前使用情况良好,各部位未出现新的裂缝,充分说明当时采取的裂缝治理及施工方案是可行的,达到预期目的。通过对该桥的裂缝治理,确保了桥梁的正常运行,提高了桥梁的承载能力,能够延长桥梁的使用寿命。

[1] 蒙 云,卢 波.桥梁加固与改造[M].北京：人民交通出版社,2004.

[2] 周永能,陈建忠.桥面铺装层的维修与加固[J].中南公路工程,2001(19)：21-23.

[3] 杨文渊,许 D.桥梁维修与加固[M].北京：人民交通出版社,1997.

[4] 谌润水,胡钊芳.公路旧桥加固技术与实例[M].北京：人民交通出版社,2002.