简支空心板桥梁维修加固的分析研究

孙晋城 陆树荣 倪丽萍

(湖州交通规划设计院，浙江 湖州 313000)

1 概述

随着经济发展水平的逐步提升，中国的交通事业也在不断地完善。根据交通部发布的有关数据可知[1]，截止至2018年年末，全国公路总里程达484.65万km，公路桥梁达85.15万座、5 568.59万m。在20世纪70年代，由于空心板具有结构高度小、受力明确、预制方便、施工便捷等优点，交通部组织编制了第一套装配式的空心板标准图[2]，自此开始空心板在我国公路桥梁建设中得到大量的应用。由于早期的桥梁设计荷载等级较低，而现阶段交通量的增长以及重载车辆的不断增加，桥梁的实际承载能力无法满足实际使用需求，使得大量的中小跨径简支空心板桥梁出现病害甚至危及行车安全。因此如何对现役的空心板桥维修加固成为当前的一个重点问题。

本文以湖州市某国道上两座简支空心板桥梁为工程背景，对其维修加固措施进行分析研究。

2 工程背景

1号桥配跨为(3×13)m，上部结构为13 m简支空心板；右偏角85°，该桥于1998年建成通车。

2号桥配跨为(4×16)m，上部结构为16 m简支空心板；右偏角90°，该桥于1994年建成通车。

两座桥梁设计荷载均为汽—20、挂车—100级。

两座桥梁下部结构均为桩接盖梁式桥台接台后挡墙，柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。

经现场检测，两座桥梁的主要共性病害情况如下(见图1～图4)：

1)空心板梁底出现均较多横向裂缝，外侧腹板出现多条竖向裂缝，少量腹板与底板裂缝已贯通，裂缝宽度大多超过规范限值；其中13 m跨径外侧边板支点附近出现纵向开裂现象。

2)空心板出现多处混凝土破损，钢筋外露锈蚀。

3)下部盖梁多处混凝土破损，钢筋外露锈蚀；桥墩立柱受水流冲蚀破损。

3 病害成因

3.1 交通量调查统计

根据两座桥梁附近交通量观测站的结果，统计2005年—2014年的车辆当量数(单位:辆/d)如图5，图6所示。

从历年交通量统计可知，机动车辆数量逐年增加，且重载车辆也在逐年增加，10年间机动车交通量翻了1倍多，而特大货车翻了10倍多，且近3年趋于平稳。重载车辆导致结构损伤加剧，降低了结构使用寿命。尤其是对于简支空心板桥梁，由于活载效应在总效应中占的比重较大，重载车辆往往会对其产生严重损害。

3.2 结构计算分析

两座桥梁均建于20世纪90年代，建设年代较早，现实际交通流量相对于原设计时有较大提升。利用Midas/Civil 2016有限元软件，分别采用原设计的JTJ 021—89公路桥涵设计通用规范汽车—20、挂车—100级荷载和现行的JTG B01—2014公路工程技术标准公路—Ⅰ级荷载对13 m和16 m空心板进行计算，结果如表1所示。

由计算可知，对于13 m板和16 m板，现行的设计荷载引起的效应较之原设计荷载均有较大幅度的增加。

3.3 成因分析

1)空心板底板横向以及腹板竖向裂缝。

根据现场调查情况，板底的横向裂缝大多出现在桥跨跨中附近，部分横向裂缝延伸至腹板，形成“U型”裂缝。

表1 简支空心板梁汽车活载效应(跨中截面)

结合交通量调查以及计算分析可推断，由于原设计汽车荷载为汽—20级，而如今国道交通量大大增加，重型车辆逐年增多，在重载车辆长期作用下，板梁承载力不足，底板产生横向裂缝、腹板竖向裂缝。此外桥梁运营过程中温度变化、收缩徐变等原因也会造成梁板出现细微裂缝，且部分裂缝随着时间推移缓慢发展。

2)空心板以及盖梁混凝土破损以及钢筋锈蚀。

混凝土破损及钢筋锈蚀是混凝土结构的常见病害，对结构的耐久性影响较大。它主要由于锈蚀处保护层过薄导致混凝土中的钢筋未受到碱性环境的保护而引发的钢筋锈蚀，锈蚀后钢筋的体积是锈蚀前体积的3倍～4倍，因而会向四周膨胀，而钢筋四周的混凝土则限制它的膨胀，产生了交界面上的压力从而导致钢筋锈蚀及混凝土破损的产生[3]。此现象的产生，使得构件的承载力以及可靠性劣化的速度大大加快，有的甚至发展到钢筋锈断，危及结构安全。

3)桥墩立柱受水流冲蚀破损。

一般来说，水中桥墩立柱的使用条件和环境比水上结构(如板梁等)更为恶劣。由于早期混凝土的施工质量等原因，受到河水冲刷、环境荷载以及桥梁上部结构传递的工作荷载等，更易导致桥墩立柱出现混凝土剥落、钢筋锈蚀等现象。

4 维修加固措施

4.1 通用维修措施

1)裂缝处理。

对于空心板产生的不同类型的裂缝应采用分类处理措施。本次对裂缝的处理主要采取以下两种措施：

a.裂缝宽度小于0.15 mm，采用裂缝修补用胶进行表面封闭处理；

b.裂缝宽度不小于0.15 mm，采用裂缝修补用胶(注射剂)压力灌注法进行处理。

2)混凝土破损及钢筋锈蚀处理。

首先凿除锈蚀钢筋表层混凝土至坚实界面，然后涂刷渗透型阻锈剂，最后采用混凝土结构加固用聚合物砂浆修复复原。

对于仅混凝土破损部位可直接采用混凝土结构加固用聚合物砂浆进行修补复原，以恢复原有截面的尺寸，从而确保原构件的截面刚度。

4.2 上部结构加固

由第3节分析可知，空心板的当前实际承载能力无法满足现行使用需求，应采取措施提高其承载能力。常用的空心板加固方法有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴预应力碳纤维板加固法、体外预应力加固法[4]、桥面铺装补强加固法[5]等。考虑到粘钢加固法施工工期短、工艺简便成熟、不影响被加固结构的外观和桥下净空需求[6]。因此上述两座桥梁采用粘贴钢板加固法提高空心板的承载能力，具体措施如下：

首先对梁板裂缝进行封闭，裂缝封闭后再采用粘钢专用胶对每块板梁底粘贴4条宽15 cm厚8 mm的Q235钢板加固(钢板加固前粘贴面以外的其他外露部位必须做好防锈处理)，并在两端头横向各粘贴3条宽10 cm厚8 mm Q235钢板压条，如图7所示。

利用Midas/Civil 2016有限元软件，并根据相关文献[7][8]，再结合手算结果，加固前、后的效果如表2所示。采用粘贴钢板加固板梁后，13 m及16 m空心板的抗弯承载能力分别提高约46%与43%，且大于现行规范中承载能力极限状态下的最大弯矩，满足实际使用需求。

表2 加固前、后单块板梁抗弯承载力比对(跨中截面)

4.3 桥墩立柱维修

对桥墩立柱水蚀部位采用“夹克法”水下加固，并采用波纤套筒灌浆施工(见图8)。

具体措施如下:

1)首先确定水蚀深度，以确定套筒高度。

2)根据检测报告以及实际检测的水蚀程度，继而确定加固厚度，确定套筒的大小尺寸。

3)对桥墩立柱进行表面处理，清除结构表面松散的混凝土以及清理墩柱底部的泥浆等。

4)对于墩柱修复进行防护工作，由潜水员将套筒安装在合适的位置，使用可压缩密封条封住套筒底部。

5)将灌浆料或砂浆填充套筒内的间隙，并自动排出套筒内的水。

5 结语

随着时间的推移，国内早期建设的中小桥梁维修加固将越来越迫切。桥梁各个部位表征的病害不尽相同，需要相关从业者不断总结经验与教训，具体的维修加固措施也需要从设计、施工、运营养护等各方面进行分析。本文所提出的桥梁病害成因分析以及维修加固措施可为今后的工程实际提供参考。