桐梓坝大桥主桥病害分析与加固

2018-05-09田野

四川建筑 2018年2期

田野

(内江市交通建设工程质量监督站，四川内江 641100)

截至2016年末,我国桥梁数量达80.53万座，其中连续刚构桥占的比重较大。与同跨径的悬索桥、斜拉桥相比，连续刚构桥具有施工简便、造价低、维修量小、受力合理与行车舒适的特点，是目前桥梁建设中较为常用的桥梁结构型式之一。但由于设计理论的不完善、施工质量瑕疵以及运营过程中的养护与管理不到位等多方面因素，导致该类型桥梁存在较多病害，影响了结构的安全性、承载能力与耐久性。因此必须重视旧桥的维修加固，并采取针对性的维修加固措施，保证桥梁结构的运营能力、结构安全与稳定。现有的桥梁加固方法更多的用于上部结构的主梁加固，多为增加主梁的截面面积或在主梁上粘贴钢板或纤维布。虽然在一定程度上能够保证结构的承载能力或减缓病害的进一步发展，但并没有改变结构的受力体系，当桥梁运营过程中，原有病害会再次显现，导致加固费用的损失，因此有必要对具体的桥梁结构进行加固方法效果比较研究[1-3]。针对内江市桐梓坝大桥，进行典型病害类型、病害原因分析、加固效果评价与后期建议的主梁加固方案等方面进行研究，为该桥的后期维修加固提供新思路与加固建议，并为同类型的大桥加固工程提供参考。

1 工程实例概况

桐梓坝大桥于2003年建成通车，位于四川省内江市东桐路，跨越沱江，市中区侧方向引桥为2跨部分预应力混凝土现浇异形板梁，主桥为预应力混凝土双薄壁墩连续刚构梁，东兴区方向引桥为8跨钢筋混凝土连续箱梁桥，该桥由左、右两幅独立的桥梁组合而成。桥梁全长454.11 m，主桥总宽33 m，桥面布置为：3.5 m(护栏及人行道)+12 m(行车道)+2 m(中央分隔带)+12 m(行车道)+3.5 m(人行道及护栏)。桐梓坝大桥主桥立面布置见图1，平面布置见图2。

图1 桐梓坝大桥主桥立面布置(单位：cm)

图2 桐梓坝大桥主桥平面布置(单位：cm)

桥梁主桥上部结构为(70+126+70) m预应力混凝土双薄壁墩连续刚构梁桥。连续刚构梁体为单箱单室变截面箱梁体结构，支墩处梁高7.0 m，跨中及边跨梁端处高2.8 m，梁体下缘除中跨跨中部10 m梁段和边跨端部11.87 m梁段为等高直线段外，其余为抛物线。薄壁墩处箱梁构造见图3，跨中断面箱梁构造见图4。

图3 薄壁墩处箱梁构造(单位：cm)

图4 跨中断面箱梁构造(单位：cm)

本桥在2014年检测时，连续刚构中跨梁体跨中位置下挠，且连续刚构梁体内部出现较多结构型裂缝，问题较为严重。故在检测后，对本桥主桥上箱梁进行了维修加固设计及施工。

2 主梁典型病害、成因与修固方法

2014年初，对该桥进行了桥体结构检测，发现主桥主梁(箱梁)存在主要典型病害。

2.1 箱梁的典型病害

左、右幅桥的中跨跨中梁体有明显的下挠，其中上游幅桥最大下挠值为11.1 cm，下游幅桥最大下挠值为11.04 cm。在主桥中跨1/4截面及边跨跨中截面附近，箱梁腹板内表面出现了斜向裂缝，大致与顶板呈20°～60°夹角的(斜裂缝均倾向支点)。每幅桥的边跨现浇段及中跨跨中截面附近箱梁顶板内表面产生了纵向裂缝与横向裂缝(图5)。两幅桥的箱梁内顶面齿板(预应力构件上)出现了较为明显的竖向裂缝。箱梁表面有少量小面积的网裂区、空洞露筋区、混凝土剥落露筋锈蚀区(图6)。

图5 箱梁顶板内表面纵向裂缝

图6 混凝土破损露筋

2.2 箱梁的典型病害成因及修固方法[4-5]

箱梁的大量开裂导致桥梁结构竖向抗弯能力明显降低，从而致使结构刚度持续发生变化，主梁跨中截面出现下挠现象。

箱梁开裂成因分析：

(1)腹板内表面斜向开裂原因是该类裂缝是由于主拉应力过大造成的，梁体竖向(纵向)预应力有效性降低会引起主梁承受的拉应力大于混凝土容许拉应力。

(2)顶板内表面纵向开裂原因主要是悬浇箱梁分节段施工过程中前、后阶段收缩、徐变不协调造成的，同时本桥箱梁顶板纵向预应力平弯设置不合理以及施工不规范等也可能引起顶板纵向开裂，由于该病害不影响结构安全使用，故不进行加固处治。但考虑到结构耐久性对其进行封闭灌浆处理。

(3)顶板内表面横向开裂的现象是裂缝分布无明显规律，且多处于箱梁受压位置，故判断为非受力裂缝，主要是由于混凝土收缩徐变、温度作用所致，对其封闭灌浆处理即可。

(4)顶面齿板竖向裂缝主要是张拉曲线预应力钢束，产生的横向力造成，由于目前裂缝已经稳定，不会继续开裂，故对其进行封闭灌浆处理。

(5)根据该桥竣工图及监控资料，该桥未设置预拱度及施工阶段的预拋高也是造成主梁非正常下挠的主要原因。

(6)箱梁出现空洞露筋、混凝土剥落露筋锈蚀的主要原因是施工过程中，施工质量控制不严格，未按照施工规范进行施工。维修加固方法为先凿除其周围松散的混凝土，对锈蚀的钢筋进行除锈、防锈处理后，再用高强度环氧砂浆进行修补，以提高梁体的耐久性。对箱梁宽度大于0.15 mm的裂缝进行灌浆处理，对宽度小于0.15 mm的裂缝及网裂区进行封闭处理。在箱梁腹板的中跨1/4截面、边跨跨中截面的一定范围内增设体外预应力碳纤维板(图7)。

图7 箱梁腹板处粘贴的预应力碳纤维板

3 箱梁加固后效果评价

3.1 箱梁裂缝注浆效果评价

该桥在主梁(箱梁)维修加固完成后，根据参考文献[6]，在箱梁裂缝处采用取芯法对注浆效果进行检验，芯样检验采用劈裂抗拉强度试验测定方法，检测结果为：1#芯样发生在界面上的破坏长度为88.00 mm，破坏面积为88.00×55.01=4 840.9 mm2，占总劈裂面面积的88 %；2#芯样发生在界面上的破坏长度为100.01 mm，破坏面积为100.01×55.00=5 500.6 mm2，占总劈裂面面积的100 %。两处芯样发生在界面上的破坏面积大于破坏面总面积的15 %，不符合规范标准。1#和2#芯样灌胶和修补表面裂缝见图8，2#芯样混凝土内未能灌满胶的裂缝见图9。

图8 1#和2#芯样灌胶和修补表面裂缝

图9 2#芯样混凝土内未能灌满胶的裂缝

该桥主梁由于箱体裂缝产生了下挠，但目前裂缝已经稳定，不会继续开裂，故对其进行封闭灌浆处理。虽然采用取芯法对注浆效果进行检验，检验结果不符合规范标准，但鉴于桐梓坝大桥箱梁裂缝病害不影响结构安全使用，裂缝处理的意图是延长结构耐久性，设计单位并没有对裂缝界面饱满程度进行要求，而是将裂缝“封闭胶表面平整、无脱落、开裂”作为是否达到设计要求的检验标准。

3.2 箱梁裂缝发展状况评价

2016年6月，对2014年加固后的桐梓坝大桥进行定期检查，结果是上次箱梁加固后的位置没有产生新的裂缝，且裂缝能够保持稳定，表明该桥加固后与加固前相比，箱梁裂缝的发展速度减少，已经采取维修加固措施的裂缝没有进一步发展。同时通过对该桥左、右幅第4跨(即中跨)线形进行测量，与2014年实测线形进行对比，线形拟合较好，桥梁进行加固维修后，无进一步下挠趋势。根据参考文献[7]，桐梓坝大桥Dr值为88.6分，全桥技术状况最终评定为“2类”，即“较好状态”，但在检查中发现箱梁新产生了裂缝5条，最大宽度0.08 mm；网裂两处，S=3 m2，说明桥梁结构的承载能力与耐久性仍然在下降。

通过桐梓坝大桥定期检查结果表明暂时的维修加固或者耐久性修补措施具有一定的降低病害、保证桥梁承载能力的效果，但从长期的桥梁结构运营方面来说，封闭灌浆、表面裂缝修补及增设体外预应力碳纤维板并没有改变连续刚构桥的受力特性，箱梁的病害可能会随着运营时间的增长、耐久性的下降变得更加严重，因此有必要提前探讨主梁的加固方式，提高桥梁结构的耐久性，维持桥梁结构安全性。

4 主梁加固方案优选

4.1 板—拱结构加固方案

现有的桥梁主梁的加固方法[8-9]，多为在主梁上粘贴钢板。虽能增加结构的承载能力，减缓病害的发展，但并没有改变结构的受力体系，当桥梁运营过程中，原有病害会再次显现，因此有必要对具体的桥梁结构进行不同的加固方法效果比较。

如图10所示，为简支梁与板—拱结构共同受力图。图10(a)虽然与连续刚构桥受力有区别，但在跨中，简支梁与连续刚构均为梁体底面受拉，而连续刚构桥箱梁底面受拉是结构产生下挠的主要原因，因此以简支梁代替连续刚构桥进行研究，具有可行性。

(a)简支梁

(b) 板—拱组合结构图10 简支梁与板—拱结构共同受力(单位:m)

4.2 结构有限元模型

运用ABAQUS有限元软件建立桥梁原结构与板—拱加固后结构的有限元模型，其中板拱结构的标高与尺寸如图10(b)所示。如图11所示，为原结构与板—拱结构梁体受力图。

由图10可得，与原结构相比，板—拱加固后的梁体内部应力、位移均较原结构减少约一个数量级；而改造后的结构梁端支座反力有所增加，最大竖向力位置位于拱结构梁端拱脚处，最大竖向力大约为原结构的1.53倍。这表明板—拱结构加固桥梁方案能减小梁体跨中挠度，但新增加的拱结构会增加墩柱底部或下部基础的竖向力，加固时应采取墩柱底部或下部基础的保护措施。