某T梁桥病害成因分析及加固维护

2017-04-24王华生

福建交通科技 2017年2期

关键词：管养腹板支座

■王华生

（龙岩市公路局上杭分局，龙岩 364200）

某T梁桥病害成因分析及加固维护

■王华生

（龙岩市公路局上杭分局，龙岩 364200）

本文以石圳桥T梁桥的加固维护为背景，依据外观检测、材质专项检测、荷载试验实测数据以及结构检算评定成果等，对桥梁存在的主要病害进行成因分析，并据此开展针对性的维修加固设计与施工。实际加固效果良好，并且加固后采取了积极的预防性管养措施，可供其他类似桥梁病害处置借鉴。

T梁病害分析加固维修

1 工程概况

某梁桥跨径组合为9×20m，上部结构采用结构简支、桥面连续的T形梁（图1）。桥宽11.5m=0.5m（护栏）+1.5m（人行道）+7.5m（行车道）+1.5m（人行道）+0.5m（护栏）。下部结构采用钢筋混凝土桩柱式结构体系。支座为板式橡胶支座，桥面铺装采用水泥混凝土铺装形式。

该桥于1996年建成通车，设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100级。桥址所处地区跨越某淡水水库，除两侧桥台位于陆地区外，其余7个桥墩均位于水中，正常蓄水状况平均水深2.0m。

上部主梁由 7片预应力混凝土 T梁组成，梁高1.3m，支点位置腹板宽度35cm，L/4～3L/4之间腹板宽度18cm，采用直线型过渡。桥面板悬臂根部厚14cm，端部厚10cm，翼缘板长度70cm。T梁之间间隙2cm，横隔板采用钢板式接头（图2），分别在跨中、四分点及梁端布置。

图1 上部结构示意图

图2 梁间钢板式接头示意图

该桥为当地联系两岸的咽喉工程，通车运营后承担了繁重的交通负担，且重车比例较高，在运营过程中出现了一系列影响运营安全和行车舒适性的问题。为此管养单位在2015年委托检测单位对该桥开展了外观检测、材质专项检测以及荷载试验等一系列工作，并在此基础上对其承载能力进行了检算，技术状况评定为4类桥梁。依据现行规范的要求，对于4类桥梁需要及时开展大修或改造。因此委托设计单位开展了针对性的维修加固设计与施工，后经加固后检测验证，加固效果良好。

2 关键病害及成因分析

2.1 关键病害

2015年检测过程中所发现的关键病害问题包括：

（1）结构受力性开裂

梁体存在较多的受力性裂缝，包括腹板密集的竖向裂缝（图3）、斜向裂缝以及底板横向裂缝等。部分横向及竖向裂缝贯通形成U形裂缝。裂缝主要分布在梁体中段L/4至3L/4跨径范围，且呈现两侧对称发展。宽度大多在0.2mm以下，最宽达到0.34mm。依据现行《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）对裂缝限值的要求，该桥外观状况已不满足规范要求。

结构裂缝是表征桥梁受力状态的“晴雨表”，腹板竖向及横向裂缝（特别是宽度超限裂缝）的出现，表征着梁体正截面抗弯承载能力的不足；腹板斜向裂缝（特别是宽度超限裂缝）的出现，表征着梁体斜截面抗剪承载能力的不足。裂缝的出现还会对结构的耐久性产生影响，导致腐蚀性水汽进入混凝土内部，加剧内部钢筋的锈蚀等。

图3 腹板竖向裂缝

（2）支撑及约束体系问题

桥梁支座在上下部结构之间起到重要的传力和协调变形作用。该桥支座采用板式橡胶支座，通过橡胶支座本身的竖向承载能力传递上部恒活载作用，通过其剪切变形能力来适应梁体变形需求。由于重载交通的冲击作用以及橡胶本身的老化问题，导致该桥支座出现了较多的鼓包、开裂（图4）以及过大的剪切变形等问题，严重的影响到上下部结构之间正常传力及梁体变形需求。

图4 支座开裂

（3）荷载横向传递偏弱

该桥横桥向由7片T梁拼装而成，之间通过横隔梁连接。横隔梁布置在跨中、四分点及梁端位置，每跨共计5处横隔梁。横梁之间间隙2cm，其间采用钢板式接头。

外观检测中发现横隔板预埋及盖接钢板存在剪切变形、锈蚀严重（图5），横隔梁之间缝隙未采用水泥砂浆填充。不同工况下各梁的荷载试验结果如表1所示，其中5#、7#梁在中载及偏载工况下，应变及挠度校验系数均超设计值，存在单片梁受力的问题。

横向联系的薄弱会导致各片梁受力的不均匀，严重时会出现单片梁受力问题，导致个别梁片所承担的作用超过其承载能力，引起桥梁的毁坏。

图5 横隔梁钢板式接头病害

表1 荷载试验实测应变校验系数

除了上述反映结构受力状况及影响结构约束体系的病害外，该桥还存在了影响安全运营的其他问题，包括：桥台护坡破损、台背填土脱空；伸缩缝堵塞；桥面标线缺失；保护层厚度偏薄，混凝土耐久性性能偏差的问题。

2.2病害成因分析

针对上述关键病害问题，结合桥梁结构形式及受力特点进行病害成因分析。

（1）结构开裂成因分析

腹板竖向裂缝及底板横向裂缝主要分布在梁体中段L/4至3L/4跨径范围，且呈现两侧对称发展。桥梁支撑体系采用简支结构体系，恒活载作用下，跨中位置附近弯矩最大（图6）。由于受到车辆超载、长期预应力损失等因素综合影响，跨中区域一定范围内，永存预压应力不足以抵抗荷载作用产生的拉应力，导致出现梁体开裂。

腹板斜裂缝（图7）主要分布在两侧支点位置至L/4范围内。桥梁支撑体系采用简支结构体系，恒活载作用下，该区域范围内剪力较大，组合而成的主拉应力较大。由于受到车辆超载、长期预应力损失及预应力弯起束布置不合理等因素综合影响，支点一定范围内，永存预压应力不足以抵抗荷载作用产生的主拉应力，导致出现梁体开裂。

图6 竖向、横向裂缝及弯矩包络示意图

图7 斜向裂缝及剪力包络示意图

（2）支撑及约束体系问题病害成因分析

橡胶支座鼓包、开裂、剪切变形过大等病害产生的主要原因是由于重载交通的冲击作用以及橡胶本身的老化造成的。通行的重载交通对支座产生巨大的冲击力，超过橡胶支座本身的承载能力；另一方面由于桥梁建成至今已接近20年，基本达到橡胶支座的使用寿命期限，橡胶本身出现材质老化变异问题。

（3）荷载横向传递偏弱成因分析

横梁联系采用钢板式接头形式，由于施工期间遗留缺陷，横梁之间间隙未用砂浆填充，导致该桥先天横向传力能力较弱。另一方面，由于重载交通的偏载作用，预埋钢板与盖接钢板负荷超过其设计极限，导致接头位置剪切变形，继而出现单片梁受力问题。

3 维修加固处置措施

综合上述关键病害问题及其成因分析，开展有针对性的维修加固处置。维修加固处置总体原则及思路是：提高结构承载能力、恢复结构耐久性、提升结构运营功能。具体而言，主要维修加固处置措施包括：

3.1 提高结构承载能力

针对结构受力性开裂、支座功能性病害及横向联系薄弱等结构体系方面问题，采取裂缝封闭、梁底粘贴碳板、横隔板对拉钢板等处置措施予以加固。

（1）裂缝封闭

依据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008）的相关规定，对于≥0.15mm的裂缝进行灌胶封闭，对于＜0.15mm的裂缝进行封缝处理。

①封缝工艺：采用环氧树脂封缝胶对宽度<0.15mm的裂缝进行封闭处理。根据不同裂缝情况，封缝前先对裂缝部位进行表面处理或在裂缝处开V型槽，然后用封缝材料将裂缝表面或V型槽封闭。封缝材料固化后必须能有效地将裂缝封闭，防止水汽侵入，锈蚀钢筋。

②灌封工艺：采用环氧树脂灌封胶对宽度≥0.15mm的裂缝进行封闭处理。施工工序包括：混凝土基面清理→粘贴注胶口→裂缝表面封闭，形成封闭带→密闭性检查（压气试验）→裂缝灌胶（配制灌注胶、灌胶、封口处理）→质量检验。

③本次维修加固所用封缝及灌封胶材料性能满足规范中A类胶技术标准。

（2）粘贴高强材料（碳纤维板）

腹板竖向裂缝及底板横向裂缝表征结构正截面抗弯承载能力不足，采取粘贴高强材料（碳纤维板）的方式进行补强并约束裂缝发展。施工工序包括：混凝土基面清理（保证基面平整、干燥）→配制底胶、粘浸胶及裁剪碳纤维板→粘贴碳纤维板→固定碳纤维板（压条固定）→固化与质量检验→维护（粉刷聚合物水泥砂浆）。

（3）支座同步顶升更换

对全桥板式橡胶支座采用同步顶升方式予以更换，施工工序包括：施工准备→支座复查→施工平台搭建→顶升基面选择及整理→千斤顶安装→试顶升与调节→正式顶升→临时支撑设置→旧支座拆除→新支座接触面整理→新支座就位与调节→临时支撑去除→落梁→检查与验收。

由于该桥为结构简支、桥面连续的结构形式，因此在顶升过程中同一桥墩上的相连两跨采取同步顶升的方式。

（4）横向联系加强

在横隔梁上、中、下三个位置，采用对拉粘钢方式加强T梁横向联系（图8）。由于横隔梁不共面、存在错台，施工过程中采用聚合物砂浆进行修补消除错台。钻孔植螺杆过程中，应探明原有钢筋位置，避免破坏横梁内部钢筋。

3.2 恢复结构耐久性

耐久性关乎结构的长期安全性能，前述裂缝封闭、粘贴碳板等措施可以有效封闭裂缝并约束其发展，对内部钢筋起到一定的保护效果。除了上述措施外，对混凝土剥落露筋等位置采取除锈、阻锈方式进行钢筋处理后，涂抹环氧砂浆层进行填充。

3.3 提升结构运营功能

对于该桥存在的影响结构运营安全和功能性的问题，在本次维修加固中一并处理。处置措施包括：桥台压力注浆；桥面标线恢复等。

采用桥台侧墙水平灌浆法，对桥台脱空位置进行压力注浆。灌浆材料采用水泥粘土砂浆，配合比为水泥∶水∶砂∶粘土=1∶1.2∶0.3∶1。并按照水泥用量的1%掺入具有早强、减水、微膨胀作用的外加剂。钻孔位置根据设计图进行布置。采用“先低后高，先边缘后中间”的灌注施工顺序。

4 维修加固效果

为了检验维修加固效果，在加固施工完成后，对该桥重新进行了静动载试验，试验布载位置及工况与2015年试验相同。将所测得的应变、挠度数据与2015年结果相对比进行分析，结果表明：

（1）应变及挠度校验系数与2015年相比稍有减小，表明底板粘贴碳纤维板对截面的正截面抗弯提高有一定的帮助。试验过程中，原有的裂缝没有发展，表明加固措施对裂缝的约束作用较好。但通过分析可以看出，由于碳纤维板本身厚度较小（14mm），其对结构整体刚度的提升效果不明显。

（2）各片梁实测应变及挠度表明加固后横向联系有一点程度的加强，横向分布规律与理论值接近，协同受力能力得到改善。但5#实测结果仍然存在突变，仍较理论状态偏弱（实测值/理论值=1.07）。由于本次维修加固中未对翼缘板纵向连接进行改造，仅依靠跨中、四分点位置横隔梁对拉钢板、梁端位置单侧粘钢进行横向联系加强处置，仍难以完全达到接近理想状况的效果。

总体而言，通过本次维修加固桥梁承载能力、耐久性能以及运营功能得到了较大的提升，达到了设计目标，基本满足现有交通通行需求。