道路桥梁工程结构的病害与加固技术
2023-07-31黄福德
黄福德
摘要：道路桥梁工程建设与我国经济、城市、交通的发展存在密切联系，道路桥梁工程结构是否稳定关系整个道路桥梁工程的质量。文章以武宣经合山至忻城高速公路中的1座特大桥为例，针对道路桥梁工程结构的常见病害展开分析。通过介绍该座桥梁结构现状，分析道路桥梁工程结构中存在的主跨跨中下挠过大、箱梁部位开裂、主墩墩身表面开裂、桥台护坡砌护出现宽裂缝等病害问题，提出利用体外预应力加固技术、灌浆法等多种加固处理技术对桥梁进行加固，经加固效果验证，所采用的技术有效。
关键词：道路桥梁病害；加固技术；工程结构
中图分类号：U4 文献标识码：A 文章编号：1674-0688（2023）03-0053-04
0 引言
近年来，随着我国社会经济快速发展及科研开发能力日益提高，国内的桥梁施工技术已跻身国际先进行列，新技术、新工艺、新装备层出不穷，填补了传统道路桥梁施工技术的缺陷，为今后桥梁施工创造了良好环境。然而，在实际道路桥梁工程中，特别是在道路桥梁改建工程中，仍存在对现有桥梁工程结构防护认识不足等问题，导致大多数道路桥梁工程结构处于“病害”状态。如何克服桥梁工程结构先天不足的问题，消除桥梁使用过程中产生的多种病害，确保桥梁长期安全、高效、稳固运行，是现阶段道路桥梁工程施工队伍的首要任务。本文以武宣经合山至忻城高速公路中的1座特大桥为例，开展道路桥梁工程结构病害及加固技术研究。
1 工程概况
1.1 工程所处地区及桥梁简介
武宣经合山至忻城高速公路三分部路基主线为K56+980～K70+670，路基全长为13.69 km，主要位于来宾市兴宾区良塘乡及桥巩镇境内。该道路桥梁工程主线包括1座特大桥、2座大桥、1座中桥、1座互通匝道桥、2座立交桥，共计7座桥体。
本文选取该工程中的1座特大桥为研究案例，该桥梁结构参数详见表1。
1.2 特大桥桥梁结构病害现状
研究人员针对特大桥梁展开检测，根据检测结果，此座大桥桥梁结构病害情况具体如下。
（1）该桥投入使用4年间，主跨跨中存在的残留预拱度明显不足。
（2）桥面采用混凝土铺装，4年间桥面不平整现象愈发严重，桥面部分桥段出现裂缝。在该桥建设过程中，为预防车辆在桥面行驶中出现打滑现象，桥面曾铺设一层防滑层，现阶段該桥面防滑层已脱落。
（3）桥箱梁底板底面出现纵向裂缝，裂缝呈现对称分布，裂缝与箱梁中线的距离为16～24 cm。
（4）桥箱梁顶板底面出现纵向裂缝，并且裂缝为中线附近，裂缝较宽，裂缝与箱梁中线的距离为17～32 cm。
（5）桥箱梁腹部底板位置存在裂缝，裂缝呈现斜向走向，裂缝与底板之间存在30°～40°夹角，裂缝之间的距离为28～42 cm。
（6）隔板、墩身等均存在细小裂缝，同时桥台护坡砌护存在很多宽裂缝，桥梁裸露表面结构存在细小裂缝。
2 道路桥梁工程结构病害产生原因分析
研究人员针对该桥桥梁结构，模拟实际施工环境，对工程结构病害产生原因展开分析，计算过程中涉及大量参数，参数计算结果详见表2。
2.1 主跨跨中下挠过大
此座特大桥的设计大多采用直线索，未使用下弯索，这种设计方案无法有效抑制主梁下挠，相比直线索，设置下弯索更能有效抑制主梁下挠情况的发生。根据分析计算，该桥在今后几年的使用中，主跨跨中下挠现象会持续加重。研究人员采用超声回弹法推定该桥的混凝土结构强度，测算结果为40～50 MPa，而大桥的混凝土强度设计要求达到50 MPa，由此可见，混凝土强度不够是造成该桥主跨跨中下挠过大这一病害的主要原因。此外，该特大桥为交通要道，受到超重车辆的影响，真实使用负荷远远大于设计的承载量，这也是造成大桥主跨跨中下挠的原因之一［1］。
2.2 箱梁底板底面开裂
该桥箱梁底板底面出现纵向裂缝，并且裂缝呈现对称分布，裂缝与箱梁中线的距离为16～24 cm。利用荷载有效分布宽度算法计算底板荷载效应，计算结果显示：箱梁底板在恒载、活载、径向力三者共同作用下，裂缝宽度应为0.15 mm，充分考虑箱梁受到的温度差、混凝土强度等外界因素的影响，箱梁底板底面的裂缝宽度应在0.20 mm左右。在实际测量中，该桥箱梁底板底面的开裂宽度为0.20 mm。因此，底板底面存在的纵向裂缝可判断为桥梁工程结构中的受力裂缝，也是桥梁结构的病害之一［2］。
2.3 箱梁内部顶板底面开裂
该桥箱梁顶板底面出现的纵向裂缝位于中线附近，裂缝较宽，裂缝与箱梁中线的距离为17～32 cm。利用荷载有效分布宽度算法计算底板荷载效应，如果仅考虑恒载、汽车荷载两种因素，箱梁顶板下缘所能承受的最小压力为2.24 MPa，若将包括温度在内的多种外界因素考虑进去，箱梁顶板下缘所能承受的最大压力为-1.24 MPa，具体见图1。顶板在受力过程中会受到温度影响，若在此条件下增加负载，箱梁顶板底面必然会出现开裂现象。由此可知，箱梁内部顶板存在的纵向裂缝为桥梁工程结构中的受力裂缝，也属于桥梁结构病害。
2.4 箱梁腹板斜向开裂
该桥箱梁腹部底板位置存在的裂缝呈斜向走向，裂缝与底板间存在30°～40°夹角，裂缝之间的距离为28～42 cm。腹板厚度为50 cm，按照100%竖向预应力、50%竖向预应力、30%竖向预应力、0%竖向预应力计算作用效率，结果见表3。
腹板厚度为50 cm所产生的裂缝较为集中，箱梁梁高较低，竖向预应力无法发挥正常作用。根据该桥实际施工及质量情况，该桥在设计中仅考虑了50%竖向预应力和30%竖向预应力条件下的有效性。该桥在实际使用过程中主拉力可能存在严重超限问题，并且该桥设计未使用下弯索，无法发挥主拉应力的真正作用。由此可推断，该桥箱梁腹板斜向存在开裂现象有可能是主拉力引起。
2.5 箱梁中横隔板开裂
此例特大桥共设横隔板7道，包括3道中跨、每侧各2道边跨。横隔板、顶板连接部位存在多条竖向裂缝，裂缝呈现中心对称分布，其中靠近箱梁中线位置存在一条直线竖向裂缝延伸至顶板部位；横隔板和腹板部位存在多条斜向裂缝，斜角约为40°，裂缝宽度最大为0.31 mm，超出了该桥设计的规范限制。研究人员推断此类裂缝产生的原因可能是车道超负荷［3］。
2.6 主墩墩身表面开裂
大桥主墩墩体部位，尤其是接近承台的部位存在多条竖向裂缝，原因主要是在大桥施工过程中先对承台进行浇筑，部分混凝土在主墩墩体浇筑之前就已经完成收缩，后续墩体浇筑过程中混凝土收缩大于已完成浇筑的承台，此现象会对墩身浇筑产生严重的约束作用，致使墩体接近承台部位产生多条竖向裂缝。
2.7 桥台护坡砌护宽裂缝
大桥桥台护坡砌护存在许多宽裂缝，桥梁裸露的表面结构存在细小裂缝。经推断，此种病害产生的原因如下：一是桥台前侧在填土施工时并未填补密实，致使桥台护坡出现沉降现象；二是大桥桥台施工完成时正处于深秋季节，在完成砌筑后未对桥台进行保温养护工作；三是大桥所处地区降雨较多，致使承台裸露部分表面出现多条细小裂缝，严重影响大桥的正常使用。
3 道路桥梁工程结构加固技术
在明确此例特大桥工程结构存在的病害及引起各类病害的主要原因后，为提升该桥使用寿命，研究人员确定了大桥工程结构的加固目的，提出相应的加固措施。
3.1 加固目的
（1）通过桥面铺装等加固处理措施，进一步增强各种型号车辆的行车舒适性与安全性。
（2）通过调整大桥桥面线形，延缓大桥跨中下挠速度。
（3）通过提升大桥截面抗剪能力及箱梁顶板、底板的抗弯能力，抑制各类裂缝的扩展速度。
（4）利用多种有效加固措施，整治大桥桥梁工程结构各构件存在的裂缝问题。
（5）治理其他病害，进一步改善大桥的使用功能。
3.2 加固措施
3.2.1 裂缝处理
裂缝是此例桥梁工程的主要结构病害，若不及时处理，会进一步加大桥梁钢筋等结构的暴露面积，加快空气对桥梁钢筋等结构的腐蚀速度，致使桥梁整体安全性、使用性能大幅下降。解决裂缝问题，可利用注浆法、密封法对桥梁工程结构存在的裂缝进行加固与修补，具体采用何种方法应根据桥梁裂缝的实际情况而定。例如：针对宽度>0.2 mm的裂缝可采用注浆加固法；针对宽度<0.2 mm的裂缝可采用封闭加固法［4］。
3.2.2 混凝土缺陷处理
桥梁工程施工中，由于混凝土存在杂质、搅拌不均等多种问题，导致桥梁工程混凝土质量不均匀，这些混凝土问题均会引起桥梁工程结构病害，对此，需要针对混凝土存在的缺陷采取相应的处理措施［5］。技术人员首先需要定位混凝土缺陷位置，将存在缺陷的混凝土消除，然后利用人工等方式修补缺陷。为保障修补、加固质量，可在修补中使用高强度的聚合性混合物混凝土。
3.2.3 桥面铺装处理
采用抗扰动混凝土对大桥桥面进行铺装，在混凝土配比中加入抗扰动剂可缩短混凝土凝结时间，增强混凝土早期强度。凿除原桥面铺装，将钢筋植入箱梁顶板部位，同时架设钢筋网，使用抗干扰混凝土重新浇筑桥面。在钢筋的作用下，不断加强原混凝土、箱梁、新浇筑混凝土之间的连接，确保新浇筑混凝土可辅助箱梁发挥作用。
3.2.4 主跨跨中下挠过大处理
为防止主跨跨中下挠过大，研究人员提出通过加设体外预应力延缓主跨跨中下挠速度，具体方案如图2所示。
图2 主桥中跨加设体外预应力方案示意图
加设8束体外预应力钢束（型号：19φ，15.22 mm），在大桥每个腹板位置增设4束，利用转向块A、B经两批次展开下弯操作，第一次下弯角度为8.6°、第二次下弯角度为9.2°。将转向块A设置在17号浇筑梁顶板底面位置，转向块B设置在25号浇筑梁顶板底面位置与底板顶面位置之间，利用狭窄的腹板将其连接。将转向块C、D设置在30号、34号浇筑梁底板顶面位置，锚下控制应力设为1 116 MPa。
经过計算分析，应用此方案可降低主梁跨中的最大主拉应力，降低幅度为0.46 MPa；同时，可提高跨中位置截面下部边缘的应力储备，提高幅度为2.38 MPa。
3.2.5 箱梁底板、顶板开裂处理
为有效处理大桥梁箱梁底板、顶板开裂问题，抑制箱梁底板、顶板裂缝的发展，研究人员利用CERP（云ERP软件系统）对纵向裂缝加以修复，可采用注浆方法修补裂缝，并使用纤维布对裂缝进行加固［6］。
3.2.6 箱梁腹板开裂处理
在对大桥腹板进行加固处理的过程中，增加了边跨21～28号段箱梁腹板的厚度，采用钢板进行加固处理。
3.2.7 箱梁隔板裂缝加固处理
为防止底板在径向力影响下发生开裂等病害，往往会使用中横隔板。但在对大桥进行结构检测时，发现该桥横隔板、底板等相互连接部位存在严重的开裂现象。此种病害产生的原因实际上是由于车道受力过重所导致，可利用灌浆封闭手段对箱梁隔板裂缝进行加固处理。
3.2.8 主桥两侧伸缩缝缺陷处理
胶条遭受破坏导致的伸缩缝缺陷是主桥两侧的主要病害，同时，主桥伸缩缝底还存在腐蚀现象，因此，需要更换主桥磨损的胶条，并对伸缩缝底腐蚀、锈迹严重的部位进行除锈、涂抹防护涂层等处理。
3.2.9 桥台护坡砌护裂缝加固处理
针对桥台护坡砌护较宽的裂缝或砌护松动、凹陷的部位，施工人员需要拆除原本的砌护，对凹陷部位进行填土操作并夯实，加固护坡砌护。针对狭窄裂缝可进行灌浆操作，灌浆后需注意保暖及维护。此外，针对承台裸露在外的细小裂缝可采用回填夯实等方法加固处理，若裂缝<0.15 mm，可不进行加固［7］。
4 工程加固效果
4.1 桥面铺装效果
重新铺装了抗扰动混凝土的桥面，具有良好的抗扰动效果，抗交通压力能力得到有效提升。桥面铺装更换完毕后，可令桥面铺装参与桥体受力，在一定程度上减轻桥梁的恒载，提高箱梁高度，抑制跨中下挠速度；还可调整大桥桥面线形，增强各类型车辆的行车舒适性、安全性。
4.2 体外预应力
本次道路桥梁工程结构加固技术中，最有效的方法是体外预应力加固，通过加设体外预应力，可有效防止主跨跨中下挠过大。加设体外预应力后，计算各参数，对于体外预应力束T3、T4，张拉前主梁上挠最高值为13 mm，张拉后主梁上挠最高值为21 mm，中心线上升幅度为19 mm。由此可见，体外预应力加固技术可极大地提高主梁上挠值，延缓主梁下挠速度。此技术不仅可以使大桥梁工程结构的整体受力得到极大改善，还具有经济性高、工期短、施工难度小等优势，可减少加固工程对大桥正常运营的影响。
4.3 加固补强效果
对大桥裂缝进行加固后，桥梁的抗剪力和抗弯力得到增强，从根本上提升了桥梁的承载能力，改善了桥梁的使用功能。经加固后的桥梁可满足汽车超20级、挂车超120级的承载力要求。
5 结语
造成道路桥梁工程结构病害的原因多种多样，相关研究人员需要从多方面深入分析各类病害产生的原因，并提出针对性的加固措施。本文通过实例证明，在道路桥梁工程结构加固技术中，体外预应力加固技術尤为重要，同时还可通过灌浆法等方法对裂缝进行处理。本文提出的加固技术可应用在实际桥梁工程结构病害处理与加固中，可为国内其他道路桥梁工程结构病害防治与加固工作提供借鉴。
6 参考文献
［1］张亚楠.公路桥梁病害治理及维修加固技术研究［J］.交通世界，2022（15）：62-64.
［2］赵帅.公路桥梁病害成因与加固技术研究［J］.四川建材，2021，47（12）：94-95，97.
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［4］贾斌.钢筋混凝土桥梁病害分析与维修加固技术［J］.四川水泥，2021（9）：281-282.
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