岳麓大道空心板桥的病害处理与加固∗

江海洋1宋湘波2蒋翔13

（1.湖南湘江新区投资建设有限公司，湖南长沙 410013；2.长沙市规划设计院有限责任公司，湖南长沙 410007；3.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

岳麓大道空心板桥的病害处理与加固∗

江海洋1，宋湘波2，蒋翔1，3

（1.湖南湘江新区投资建设有限公司，湖南长沙 410013；2.长沙市规划设计院有限责任公司，湖南长沙 410007；3.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

针对岳麓大道跨麓景路桥的预应力砼空心板，通过调查其主要病害和严重程度，分析了荷载等级从汽-超20级变成城市-A级后的设计荷载效应变化，得出该桥原结构不能满足城市-A级荷载的极限承载能力要求、但正常使用极限状态满足要求；提出了加固改造措施和施工要点，并利用现场试验检验了加固改造效果。

桥梁；空心板；加固改造；病害处理；成桥试验

预应力砼空心板桥具有建筑高度小、外形简单、制作方便、重量轻等特点，在中国高速公路中得到广泛应用。但该结构由于采用装配式施工，结构整体性依赖于铰缝的工作性能，其不足主要表现在：1）空心板间的铰缝构造不佳、横向传力不良，造成变形不协调，如果铰缝失效，结构易出现单板受力状态，结构所受荷载效应高于设计，造成结构损伤和退化；2）空心板徐变反拱过大，导致结构线形不平顺，影响结构正常使用；3）空心板预制阶段，内模固定措施不足，浇筑底板砼时引起内模上浮，造成空心板顶板偏薄、底板偏厚，如果使用阶段桥面防水措施不好，易造成雨水渗入空心板内，引起底板钢筋锈蚀、锈涨和砼开裂、底板漏水等；4）空心板设计时一般为结构简支、桥面连续，但桥面连续效果不佳，容易失效，影响行车的平顺性和结构的耐久性。这些不足容易导致空心板的严重病害，降低结构的承载能力和使用寿命，加大维修、维护工作量。当其承载力不足时，必须对其进行加固改造。

长沙市岳麓大道是在20世纪90年代修建的一条出城一级公路，其内多座桥梁采用预应力砼空心板桥方案，如跨麓景路桥等，经过20多年的使用，结构有一定程度的退化。尤其是随着收费站西迁，该大道变成城市东西交通主干道，交通量急剧增加、超限超载车辆增多，其病害出现和退化速度越来越快，严重影响汽车的通行，承载潜力和安全储备也引起管理部门的关注和重视。该文以岳麓大道跨麓景路桥为例，对预应力砼空心板桥的加固改造进行探讨。

1　工程概况及主要病害

岳麓大道跨麓景路桥为3×16m预应力砼空心板桥，双向六车道，左右分幅，单幅桥宽13m，中间分隔带宽1m；采用薄壁式轻型桥墩、重力式U形桥台。设计荷载等级为汽-超20、挂-120级。单块空心板标准宽125cm、实际板宽124cm，板间间隙1cm；横向连接采用企口缝形式（见图1）。

图1　岳麓大道跨麓景路桥结构横截面（单位：cm）

空心板桥的主要病害如下：

（1）桥面系。该桥原设计为砼桥面铺装，其后在其上加铺3cm沥青砼铺装。随着交通量越来越大、超限超载车辆越来越多，桥面系出现诸多病害。1）桥面沥青砼铺装层破损，最大一处破损面积达1 m×12m；2）桥台两端伸缩缝处局部砼压碎，并在伸缩缝旁形成沟槽，伸缩缝上挠（高出桥面6cm，经常遭到汽车司机的投诉），跳车严重，伸缩缝沿桥横向线形不平顺，有沉降积水现象；3）由于纵坡等原因出现梁板移位，造成板梁与桥台胸墙间无间隙而直接顶死在桥台胸墙上，伸缩缝装置失去实际作用，支座剪切变形严重且不可逆。

（2）支座。该桥采用板式橡胶支座，其剪切变形严重（最大水平剪切变形达2.1cm）、支座压缩变形严重（25块样本平均厚度3.1cm，原设计厚度5 cm，平均不可逆压缩量1.9cm），表层橡胶老化、开裂、外鼓。支座与梁底接触不紧密，存在脱空和板梁受力“3条腿”现象，造成梁体支承约束和主梁受力状态发生改变，严重影响支座的使用性能，对梁体结构造成损伤；在车辆载荷作用下梁体将产生振动，影响桥梁使用性能。

（3）空心板。顶板厚度普遍与设计值相比偏薄，底板则比设计值偏厚；空心板内部有积水、积淤现象，增加了桥跨结构的恒载；空心板底中部和铰缝处存在纵向裂缝，长期从板内向外渗水或滴水；普遍泛碱和结晶，局部有钢筋露筋且锈蚀，严重影响桥梁的耐久性。

（4）桥面连续措施失效。该桥为简支结构，墩顶处采用桥面连续的处理方法。桥面连续处的沥青砼桥面铺装层有开裂现象，桥面雨水直接渗到桥墩表面，外表污染严重。

（5）桥台。U形桥台内搭板纵横向开裂，桥台填土沉降，桥台路基与桥台结构间存在明显的标高差，行车不平顺，有跳车现象；桥台身有多条竖向贯通裂缝，台帽多处剥落露筋；锥坡外移，右侧3#桥台锥坡上部外移最大12cm、下部外移6.5cm。

（6）护栏。钢质护栏生锈；多处护栏缺失；泄水孔堵塞。

2　结构设计荷载变化

岳麓大道原设计荷载为汽-超20、挂-120级，现改为城市道路，相应设计荷载变为城市-A级，荷载等级提高，结构承载能力是否满足要求、荷载提高幅度有多少成为管理部门关注的重点。

2.1荷载横向分布系数

空心板桥的荷载横向分布系数一般采用铰接板法。利用铰接板横向分布系数计算程序计算得到10块板的荷载横向分布系数值，图2为结构一侧1#～5#板（结构对称）的荷载横向分布系数。

2.2不同规范的冲击系数计算

不同规范关于结构冲击系数的计算方法不相同，1989年的《公路桥涵设计通用规范》（简称1989公桥规）采用关于计算跨径l的内插方法，2004年的《公路桥涵设计通用规范》（简称2004公桥规）采用关于基频的计算方法，1993年的《城市桥梁设计规范》（简称1993城桥规）采用关于计算跨径l的计算方法。3种规范的汽车冲击系数计算结果见表1。

图2　1#～5#板的荷载横向分布系数

表1　不同规范的冲击系数计算结果

2.3不同规范的车道荷载（或车辆荷载）加载

结构纵向加载计算时，1989公桥规采用车辆荷载、2004公桥规和1993年城桥规采用车道荷载。计算板跨中最大荷载效应采用最不利荷载的加载形式（见图3）。

图3　各级荷载作用下结构的最不利荷载布置（单位：m）

考虑汽车荷载的冲击效应后，1#～5#板跨中截面在承载能力极限状态下的设计弯矩见图4。其中：城市-A级、公路-Ⅰ级荷载作用的承载能力极限状态按基本组合进行计算，组合方式为1.2SG+ 1.4SQ；汽-超20级荷载作用的承载能力极限状态按设计组合进行计算，组合方式为1.2SG+1.4SQ；挂-120级荷载按组合Ⅲ（验算组合）进行计算，组合方式为1.2SG+1.1SQ。根据1989公桥规的规定，汽-超20级、挂-120级荷载作用下的组合还应根据汽车（或挂车）效应占总效应比例大小进行组合效应的提高。

图4　承载能力极限状态下3种规范荷载作用下1#～5#板的跨中弯矩组合值

从图4可以看出：3种规范荷载作用下，该桥根据当时设计规范规定，1#、2#板由挂-120级荷载控制设计、3#～5#板由汽-超20级荷载控制设计。城市-A级荷载作用下的效应值大于控制设计值，承载能力极限状态不满足要求。

由于正常使用极限状态下城市-A级、公路-Ⅰ级荷载的短期效应组合值大于长期效应组合值，其正常使用极限状态取短期效应组合，组合方式为SG+ 0.7SQ/1+μ（），汽-超20、挂-120荷载的正常使用极限状态下的组合取SG+SQ。1#～5#板跨中截面在正常使用极限状态下的设计弯矩见图5。

图5　正常使用极限状态下3种规范荷载作用下1#～5#板的跨中弯矩组合值

从图5可以看出：在正常使用状态下，公路-Ⅰ级、城市-A级、汽-超20级荷载的荷载效应组合值均小于挂-120级的效应组合，将设计荷载由汽-超20级、挂-120级变为城市-A级，结构的正常使用极限状态能得到满足。

3　加固措施

3.1支座更换

由于该桥支座剪切变形严重、压缩量较大，逐孔更换全部支座。主要施工步骤为观测检查→清除杂物→布置顶升系统→整体同步顶升→取出病害支座→支座垫石处理→安装新支座→落梁就位→观察测量→拆除顶升系统并清理现场。

在支座更换时，为保证梁体主要断面的应力和变形处在安全范围内，顶升过程中各液压顶的顶升量同步，防止由于液压顶升量不一致引起梁间变形不一致而导致空心板铰缝损坏。顶升过程限行程、限速度、同步顶升：第一级行程为1mm，顶升速度为0.1～1mm/min，在顶起高度达到设定的1mm且系统自动保压后，观察梁体微小变化及顶升设备的运行情况，如有异常及时调整；同时采集各检查点位移数据及顶升系统的压力、设定行程，检查无误后再继续顶升。第二级行程为3mm，顶升速度为0.1 ～1mm/min，在顶起高度达到设定的3mm且系统自动保压后，对顶升设备进行检查，采集各检查点位移数据及顶升系统的压力、设定行程，并与理论计算数据复核，如果两者吻合，则进行下一级顶升，否则立即查找和分析原因，同时加垫临时支撑。此后，以每级3mm的行程高度为一个顶升单位，每顶升一级单位检查一次，对所采集的数据进行复核，同时加垫临时支撑，直到顶升高度达到取出安装支座的施工要求（最大顶升高度不得超过10mm）时停止顶升，采集液压表各项数据，加固稳牢临时支撑。如果在顶升过程中相邻液压顶组的行程误差超过0.5 mm，顶升系统将自动关闭单向阀，对其余液压顶进行自动补压，直到在允许误差范围内。顶升行程的误差在允许范围内时，系统将自动继续顶升。

3.2铰缝压浆及桥面铺装处理

对于部分铰缝及桥面防水系统状况不佳、铰缝渗水结晶的现象，采取如下措施进行加固：1）凿除预制空心板桥原桥面18cm厚铺装；2）对部分已失效的铰缝进行注浆加固；3）桥面空心板顶植入梅花状L形剪力钢筋；4）浇筑13cm厚C50桥面铺装砼层；5）桥面现浇层表面设置防水层；6）浇筑5cm厚改性沥青砼桥面铺装层。

3.3空心板内排水

针对空心板桥面防水系统状况不佳、空心板底存在渗水结晶的现象，在预应力砼表面修补及裂缝封闭处理后，在空心板下坡最低处端部板底位置（避开预应力钢筋位置）凿出直径5cm圆形孔洞，以排出空心板内可能存在的积水，避免钢筋锈蚀，提高结构的耐久性。实践中，在空心板两端板底同时设置圆形孔洞，从中排出大量积水，持续时间多达10d，才彻底消除滴水现象。

3.4伸缩缝更换

鉴于现场伸缩缝出现挤死、变形、积沙、上翘等现象，工作状况不佳，为保证桥梁正常运营及耐久性，全部更换伸缩缝装置。具体措施为将原D80 mm型伸缩缝更换为GQF-Z40型钢伸缩缝，伸缩缝安装完毕后，在槽口内及伸缩缝两侧浇筑C50钢纤维砼，伸缩缝安装由生产厂家的专业队伍执行。钢纤维砼采用Ⅲ型（剪切型）钢纤维，长25mm，直径0.56mm，其技术指标符合CECS38：1992《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》和DBJ08-59-97《铣削钢纤维混凝土应用技术规程》的要求。

3.5上下部构造和防撞护栏钢构件防腐涂装

对所有钢构件表面进行涂装防护，涂料分3层：底层为环氧富锌底漆（干膜厚度80μm），中间层为环氧云铁中间漆（干膜厚度150μm），表层为丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆（干膜厚度2×40μm）。

砼表面如有保护层起壳、脱落现象，则凿毛表面砼，直到露出新鲜密实砼表面，并凿出沟槽，然后用环氧砂浆修补；砼表面如有质量缺失和孔洞，则采用环氧砂浆修补。为进一步提高砼构件的耐久性和美观性，对上部构造空心板、下部构造桥墩桥台砼表面采用砼修补胶和灰云铁氯化橡胶面漆进行涂装，以防砼表面老化。

4　成桥试验

在加固改造后进行荷载试验，试验工况主要有：跨中截面最大正弯矩工况；跨中截面最大挠度工况；空心板铰缝工作性能的加载工况（主要进行荷载横向分布系数测定）。3种工况的加载方式相似，合并进行试验。

4.1理论分析

利用MIDAS/Civil2010建立结构空心板梁格模型，按城市-A级荷载进行结构分析与计算。空心板梁格模型中，板与板之间采用铰接（见图6）。试验荷载作用下结构弯矩、剪力、应力和挠度计算结果见图7～10。

图6　空心板的梁格模型

图7　空心板的弯矩图（单位：kN·m）

图8　空心板的剪力图（单位：kN）

图9　空心板的应力图（单位：kN/m2）

图10　空心板的变形图（单位：m）

4.2加载方式和测点布置

利用35t重车（前轴8t、中后轴13.5t）进行加载，试验分3级进行（见图11）。在每块板的支点、跨中、距跨中330cm处等4个截面布置变形测点，每块板跨中截面底面布置应变测点。

图11　试验加载工序（单位：cm）

4.3试验结果分析

在试验荷载作用下各板的横向分布系数见图12，试验中1#板的变形见图13。

图12　实测各板的横向分布系数

图13　1#板荷载试验挠度值与理论值比较

从图12可以看出：在试验荷载作用下，各板所承担的荷载比（荷载横向分布系数）变化平顺，无突变现象发生，且与空心梁格法计算的荷载比相吻合，证明加固改造后空心板桥铰缝工作状态良好，无单板受力现象。

从图13可以看出：板的变形试验值与理论值接近，校验系数为87.3%，残余挠度比为9.5%，满足规范要求。同时经理论分析与试验结果证实，现浇的砼桥面铺装层能参与结构受力。

5　结语

该文分析了岳麓大道跨麓景路桥从一级公路桥改造成城市主干道桥后设计荷载变化所带来的结构设计内力的变化，认为原结构不能满足城市主干道的荷载设计等级要求，需进行增质提载。结合该桥病害和质量缺陷，提出了更换支座、铰缝压浆及桥面铺装处理、空心板内排水、伸缩缝更换、上下部构造和防撞护栏钢构件防腐涂装等加固改造措施。经现场试验和理论分析，采取上述加固措施后，该桥空心板没有出现单板受力现象，铰缝联结效果满足使用要求；现浇的桥面砼结构层能参与结构受力，对提高结构刚度有所帮助。加固改造施工提高了结构工作性能和承载能力，达到了设计目的和要求。

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U445.7

A

1671-2668（2016）04-0247-05

∗长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新项目（16ZDXK09）

2016-03-21