淺析沱灣大橋裂縫成因及治理措施

李 自

0 引言

隨著社會的發展,道路客貨運輸量不斷增長,對道路提供安全、快速、重載行駛的要求越來越高。橋梁是確保道路暢通的咽喉,其承載能力和通行能力是貫通全線的關鍵。需及時對現有橋梁進行調查研究,分析損壞原因,采取相應的維修加固措施,提高橋梁荷載等級,確保道路交通正常運行。

1 大橋病害現狀

沱灣大橋位于重慶市綦江縣古南街道橋河與開發區相連接的城區市政道路上沱灣處,橋梁全長為 158m,橋面寬為凈10.5m車行道 +2×3.5m人行道,設計荷載為汽—20級、掛—100,人群荷載3.5 kN/m2。由三跨組成,兩岸邊跨為凈跨16m的實腹式鋼筋混凝土板拱橋;中間主跨凈跨 100m,由 5片預制箱形拱拼裝而成,橫向由 9片箱形拱拼裝而成,單片箱寬 1.5m、高 1.6m,縱向分 5段預制吊裝施工。拱上腹拱為凈跨 6m的等跨腹拱,腹拱下的橫墻為開有通道孔的 20號素混凝土橫墻,墻體厚 0.9m,墻底與拱圈銜接處設有墊梁,墊梁高 0.5m,與墻體等厚。橋臺設計為重力式橋臺,基礎為剛性擴大基礎和樁基礎。

橋面鋪裝層原設計為瀝青混凝土柔性路面,路緣石邊 9.5 cm,橋中心 20 cm,施工中改為了混凝土剛性路面,采用24 cm厚30號混凝土。

大橋主拱做了靜荷載試驗,試驗結論為滿足設計要求,結構安全可靠,于 1995年 2月正式通車。

我所在養護檢測中發現不同部位混凝土有裂縫,經過現場調查,全橋主要裂縫有以下幾處(位置見圖 1)：

1)橋面車行道裂縫。橋面車行道板順橋向距路緣石 2m～ 2.5m范圍內(兩側)存在較規則裂縫,延長數十米;橫橋向在主橋拱腳附近對應位置有貫通橋面寬的橫向裂縫。2)主拱兩岸分別設置跨徑 16m引拱,于南岸主、引拱交界墩引拱拱座下存在水平規則裂縫,三面貫通,曾采取水泥砂漿封閉,封閉后無新裂縫出現。3)主拱圈拱上橫墻距墊梁上約 0.3m高處存在水平向裂縫,最大縫寬 2mm。墊梁通道孔中央處自上而下存在豎向裂縫,最大縫寬 1mm。上述兩處裂縫在 1號、2號橫墻上最明顯。其中橫墻上裂縫曾采取水泥砂漿封閉,且封閉后在砂漿封閉處的裂縫處又被拉裂。4)主拱邊腹拱處,原設計邊腹拱為三鉸拱,以利釋放拱上建筑因變位產生的次內力。而施工中未按設計圖作預留縫處理,營運后于拱頂處出現裂縫及拱腳處側墻也出現自上而下的不規則貫通裂縫。5)主跨主拱每片拱箱順橋向拼接處濕接縫開裂嚴重,最嚴重的裂縫貫穿整個主跨。

2 裂縫成因分析

2.1 橋面車行道裂縫

1)橋面橫向裂縫。由于實際施工中把原設計的瀝青混凝土橋面鋪裝層改為 30號混凝土鋪裝層,在溫度變化、汽車、人群等荷載作用下,因超靜定結構各部位的變化產生內力,導致主拱上的邊腹拱為釋放應力、適應變形而逐漸形成三鉸拱,進而引起邊腹拱腳處側墻及拱上填料被拉裂出現變形縫,加上橋面鋪裝層混凝土自身的收縮影響,最終在三鉸拱附近也形成變形縫。因此,此縫是連續的橋面鋪裝層為適應拱式結構的變形而形成的變形縫,除了影響外觀質量外,對結構承載能力無影響。2)橋面縱向裂縫。根據現場檢測及查閱設計圖,分析挑梁的受力機理,在人群荷載作用下,挑梁懸挑部分以剛性的側墻邊緣為支點向下變形,而在汽車荷載作用下,又使挑梁跨中部向下撓曲,若拱上填料不夠密實,挑梁跨中部不能得到有效支撐,使挑梁因此成為彎剪構件。在荷載反復作用下,導致橋面開裂。本裂縫既影響外觀質量,也對挑梁及人行道的正常使用存在一定的不利。

2.2 南岸16m引拱交界墩裂縫

根據該橋施工過程中的驗收記錄及調查原施工單位現場施工負責人,該裂縫在施工過程中就已經形成,是新舊混凝土界面工作縫。由此,若不考慮該截面混凝土的抗剪能力,只對其在16m引拱和主拱邊腹拱的作用下的抗滑能力進行分析。經計算,本裂縫對結構正常使用無影響。

2.3 拱上橫墻裂縫

1)橫墻底水平裂縫。拱上橫墻設計為 20號素混凝土,施工過程中整體澆筑與主拱圈形成固結。因施工過程中,在墊梁上約30 cm高處留有工作縫,形成了新舊混凝土結合薄弱面,隨著全橋施工加載過程及營運階段荷載的作用,橫墻底部一側出現拉應力而裂縫在此部位形成。于是,橫墻與主拱圈不再固結而形成鉸接。經橫墻強度驗算可知,該裂縫對其承載能力沒有影響。2)墊梁豎向裂縫。墊梁按標準圖設計配筋,其配筋僅按防裂構造配置,設置方式是從主拱箱縱縫間埋設鋼筋,在荷載作用下,由于橫墻設了通道孔,橫墻傳遞橋面車輛荷載至拱圈使每片拱箱受力不一致,使拱圈的變形相互不一致,進而對墊梁施加了作用力,在連續梁的受彎區(墊梁通道孔中央)產生拉應力,而所配構造鋼筋不足以抵抗拉應力,從而導致了混凝土開裂。此裂縫是目前采用標準圖集的鋼筋混凝土箱形拱橋在這兩年隨著車流荷載加大加密,發現出現的較共性問題。此裂縫對主拱圈各片拱箱橫向內力分配的均勻性有一定的影響,應予處理。

2.4 主拱邊腹拱裂縫

邊腹拱是主拱結構與具有強大剛度的交界墩的連接點,在荷載作用下,主拱結構的變形要在該點釋放,因此,設計上一般把邊腹拱設計為三鉸拱,拱腳上側墻也應預留變形縫。由于施工中未對邊腹拱側墻預留變形縫,在營運過程中,為適應結構變形,邊腹拱側墻被拉裂面形成裂縫。該裂縫屬正常開裂,對結構無不良影響。

2.5 主跨主拱拱箱順橋向拼接處濕接縫開裂

在拱箱連接施工過程中,現澆濕接縫的施工工藝或施工質量存在缺陷;拱箱之間的橫向連接只在兩端,橫向連接整體性不夠;受力變形不均,形成施工縫開裂。

3 裂縫治理措施

3.1 橋面裂縫

由于橋面裂縫既影響外觀,又對挑梁及人行道的正常使用存在隱患,因此應予以治理,更換橋面鋪裝層。在主跨橋面鋪裝產生橫向裂縫的范圍內,將橋面鋪裝層混凝土分塊切割,全部拆除重新澆筑 30號杜拉纖維混凝土。鋪裝層混凝土中增設一層D 10型鋼筋焊接網,鋪設于路面以下 5 cm,并于每立方米混凝土中摻加0.9 kg～1 kg杜拉纖維,以改善鋪裝層的整體強度及抗裂性能。在兩端橫橋向新老混凝土的接縫處,在鋪裝層下半部預先嵌入2 cm厚的泡沫板,上半部嵌脹縫橡膠條,以形成橋面變形縫。嵌縫的要求要視人工攤鋪或是機械攤鋪具體確定。在拆除舊鋪裝層之后、新鋪裝層未達到設計強度之前,人行道上禁止大量行人行走。

3.2 主拱邊腹拱裂縫

本裂縫產生于邊腹拱兩拱腳及跨中對應的兩側側墻上,豎向貫通。此縫本應是設計所需要,因此,只需向縫內灌注瀝青即可。

3.3 主拱圈拱上橫墻裂縫及墊梁裂縫

此兩處裂縫,均因結構表面邊緣拉應力過大而開裂,并對結構受力有不利的影響,應進行加固處治。加固的方法可采用“壁可”法壓力灌注封閉裂縫,結構表面粘貼碳纖維布進行補強。

“壁可”法是利用注入器橡膠管的壓力(約3 kg/cm2),保持低壓持續灌注,通過橡膠管的收縮自動完成注漿,從而改變了以往一直靠人工注入的方式。該方法可灌注的最小縫寬為 0.02mm,其最突出的優點就是能將灌注材料可靠地注入到裂縫最細小的末端中,以實現結構完美的恢復。

“壁可”法所使用的材料具有優良的性能。BL-GROUT灌注材料抗壓屈服強度大于50MPa,抗拉剪強度大于10MPa;SB-101密封材料抗彎強度大于 40MPa,抗壓屈服強度大于60MPa,抗壓強度大于20MPa,抗剪強度大于11MPa。

采用“壁可”法封閉裂縫后,再分別于墊梁頂面和橫墻兩側的裂縫處粘貼厚度為0.16mm的碳纖維布。墊梁上粘貼長度為 2m,橫墻上粘貼長度為 1.2m,均使裂縫位于粘貼長度的中心。經加強后,相當于在補強面增設了按 20 cm間距布置 φ20的鋼筋。

3.4 南岸16 m引拱交界墩裂縫

此裂縫采用“壁可”法進行封閉即可,不再進行其他加固。

3.5 主跨主拱拱箱順橋向拼接處濕接縫裂縫

此類裂縫采用“壁可”法進行封閉,不再進行其他加固。

4 結語

該橋裂縫治理完成已運行一年多,目前使用情況良好,各部位未出現新的裂縫,充分說明當時采取的裂縫治理及施工方案是可行的,達到預期目的。通過對該橋的裂縫治理,確保了橋梁的正常運行,提高了橋梁的承載能力,能夠延長橋梁的使用壽命。

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