岳麓大道空心板橋的病害處理與加固?

江海洋1宋湘波2蔣翔13

（1.湖南湘江新區投資建設有限公司，湖南長沙 410013；2.長沙市規劃設計院有限責任公司，湖南長沙 410007；3.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

岳麓大道空心板橋的病害處理與加固?

江海洋1，宋湘波2，蔣翔1，3

（1.湖南湘江新區投資建設有限公司，湖南長沙 410013；2.長沙市規劃設計院有限責任公司，湖南長沙 410007；3.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

針對岳麓大道跨麓景路橋的預應力砼空心板，通過調查其主要病害和嚴重程度，分析了荷載等級從汽-超20級變成城市-A級后的設計荷載效應變化，得出該橋原結構不能滿足城市-A級荷載的極限承載能力要求、但正常使用極限狀態滿足要求；提出了加固改造措施和施工要點，并利用現場試驗檢驗了加固改造效果。

橋梁；空心板；加固改造；病害處理；成橋試驗

預應力砼空心板橋具有建筑高度小、外形簡單、制作方便、重量輕等特點，在中國高速公路中得到廣泛應用。但該結構由于采用裝配式施工，結構整體性依賴于鉸縫的工作性能，其不足主要表現在：1）空心板間的鉸縫構造不佳、橫向傳力不良，造成變形不協調，如果鉸縫失效，結構易出現單板受力狀態，結構所受荷載效應高于設計，造成結構損傷和退化；2）空心板徐變反拱過大，導致結構線形不平順，影響結構正常使用；3）空心板預制階段，內模固定措施不足，澆筑底板砼時引起內模上浮，造成空心板頂板偏薄、底板偏厚，如果使用階段橋面防水措施不好，易造成雨水滲入空心板內，引起底板鋼筋銹蝕、銹漲和砼開裂、底板漏水等；4）空心板設計時一般為結構簡支、橋面連續，但橋面連續效果不佳，容易失效，影響行車的平順性和結構的耐久性。這些不足容易導致空心板的嚴重病害，降低結構的承載能力和使用壽命，加大維修、維護工作量。當其承載力不足時，必須對其進行加固改造。

長沙市岳麓大道是在20世紀90年代修建的一條出城一級公路，其內多座橋梁采用預應力砼空心板橋方案，如跨麓景路橋等，經過20多年的使用，結構有一定程度的退化。尤其是隨著收費站西遷，該大道變成城市東西交通主干道，交通量急劇增加、超限超載車輛增多，其病害出現和退化速度越來越快，嚴重影響汽車的通行，承載潛力和安全儲備也引起管理部門的關注和重視。該文以岳麓大道跨麓景路橋為例，對預應力砼空心板橋的加固改造進行探討。

1　工程概況及主要病害

岳麓大道跨麓景路橋為3×16m預應力砼空心板橋，雙向六車道，左右分幅，單幅橋寬13m，中間分隔帶寬1m；采用薄壁式輕型橋墩、重力式U形橋臺。設計荷載等級為汽-超20、掛-120級。單塊空心板標準寬125cm、實際板寬124cm，板間間隙1cm；橫向連接采用企口縫形式（見圖1）。

圖1　岳麓大道跨麓景路橋結構橫截面（單位：cm）

空心板橋的主要病害如下：

（1）橋面系。該橋原設計為砼橋面鋪裝，其后在其上加鋪3cm瀝青砼鋪裝。隨著交通量越來越大、超限超載車輛越來越多，橋面系出現諸多病害。1）橋面瀝青砼鋪裝層破損，最大一處破損面積達1 m×12m；2）橋臺兩端伸縮縫處局部砼壓碎，并在伸縮縫旁形成溝槽，伸縮縫上撓（高出橋面6cm，經常遭到汽車司機的投訴），跳車嚴重，伸縮縫沿橋橫向線形不平順，有沉降積水現象；3）由于縱坡等原因出現梁板移位，造成板梁與橋臺胸墻間無間隙而直接頂死在橋臺胸墻上，伸縮縫裝置失去實際作用，支座剪切變形嚴重且不可逆。

（2）支座。該橋采用板式橡膠支座，其剪切變形嚴重（最大水平剪切變形達2.1cm）、支座壓縮變形嚴重（25塊樣本平均厚度3.1cm，原設計厚度5 cm，平均不可逆壓縮量1.9cm），表層橡膠老化、開裂、外鼓。支座與梁底接觸不緊密，存在脫空和板梁受力“3條腿”現象，造成梁體支承約束和主梁受力狀態發生改變，嚴重影響支座的使用性能，對梁體結構造成損傷；在車輛載荷作用下梁體將產生振動，影響橋梁使用性能。

（3）空心板。頂板厚度普遍與設計值相比偏薄，底板則比設計值偏厚；空心板內部有積水、積淤現象，增加了橋跨結構的恒載；空心板底中部和鉸縫處存在縱向裂縫，長期從板內向外滲水或滴水；普遍泛堿和結晶，局部有鋼筋露筋且銹蝕，嚴重影響橋梁的耐久性。

（4）橋面連續措施失效。該橋為簡支結構，墩頂處采用橋面連續的處理方法。橋面連續處的瀝青砼橋面鋪裝層有開裂現象，橋面雨水直接滲到橋墩表面，外表污染嚴重。

（5）橋臺。U形橋臺內搭板縱橫向開裂，橋臺填土沉降，橋臺路基與橋臺結構間存在明顯的標高差，行車不平順，有跳車現象；橋臺身有多條豎向貫通裂縫，臺帽多處剝落露筋；錐坡外移，右側3#橋臺錐坡上部外移最大12cm、下部外移6.5cm。

（6）護欄。鋼質護欄生銹；多處護欄缺失；泄水孔堵塞。

2　結構設計荷載變化

岳麓大道原設計荷載為汽-超20、掛-120級，現改為城市道路，相應設計荷載變為城市-A級，荷載等級提高，結構承載能力是否滿足要求、荷載提高幅度有多少成為管理部門關注的重點。

2.1荷載橫向分布系數

空心板橋的荷載橫向分布系數一般采用鉸接板法。利用鉸接板橫向分布系數計算程序計算得到10塊板的荷載橫向分布系數值，圖2為結構一側1#～5#板（結構對稱）的荷載橫向分布系數。

2.2不同規范的沖擊系數計算

不同規范關于結構沖擊系數的計算方法不相同，1989年的《公路橋涵設計通用規范》（簡稱1989公橋規）采用關于計算跨徑l的內插方法，2004年的《公路橋涵設計通用規范》（簡稱2004公橋規）采用關于基頻的計算方法，1993年的《城市橋梁設計規范》（簡稱1993城橋規）采用關于計算跨徑l的計算方法。3種規范的汽車沖擊系數計算結果見表1。

圖2　1#～5#板的荷載橫向分布系數

表1　不同規范的沖擊系數計算結果

2.3不同規范的車道荷載（或車輛荷載）加載

結構縱向加載計算時，1989公橋規采用車輛荷載、2004公橋規和1993年城橋規采用車道荷載。計算板跨中最大荷載效應采用最不利荷載的加載形式（見圖3）。

圖3　各級荷載作用下結構的最不利荷載布置（單位：m）

考慮汽車荷載的沖擊效應后，1#～5#板跨中截面在承載能力極限狀態下的設計彎矩見圖4。其中：城市-A級、公路-Ⅰ級荷載作用的承載能力極限狀態按基本組合進行計算，組合方式為1.2SG+ 1.4SQ；汽-超20級荷載作用的承載能力極限狀態按設計組合進行計算，組合方式為1.2SG+1.4SQ；掛-120級荷載按組合Ⅲ（驗算組合）進行計算，組合方式為1.2SG+1.1SQ。根據1989公橋規的規定，汽-超20級、掛-120級荷載作用下的組合還應根據汽車（或掛車）效應占總效應比例大小進行組合效應的提高。

圖4　承載能力極限狀態下3種規范荷載作用下1#～5#板的跨中彎矩組合值

從圖4可以看出：3種規范荷載作用下，該橋根據當時設計規范規定，1#、2#板由掛-120級荷載控制設計、3#～5#板由汽-超20級荷載控制設計。城市-A級荷載作用下的效應值大于控制設計值，承載能力極限狀態不滿足要求。

由于正常使用極限狀態下城市-A級、公路-Ⅰ級荷載的短期效應組合值大于長期效應組合值，其正常使用極限狀態取短期效應組合，組合方式為SG+ 0.7SQ/1+μ（），汽-超20、掛-120荷載的正常使用極限狀態下的組合取SG+SQ。1#～5#板跨中截面在正常使用極限狀態下的設計彎矩見圖5。

圖5　正常使用極限狀態下3種規范荷載作用下1#～5#板的跨中彎矩組合值

從圖5可以看出：在正常使用狀態下，公路-Ⅰ級、城市-A級、汽-超20級荷載的荷載效應組合值均小于掛-120級的效應組合，將設計荷載由汽-超20級、掛-120級變為城市-A級，結構的正常使用極限狀態能得到滿足。

3　加固措施

3.1支座更換

由于該橋支座剪切變形嚴重、壓縮量較大，逐孔更換全部支座。主要施工步驟為觀測檢查→清除雜物→布置頂升系統→整體同步頂升→取出病害支座→支座墊石處理→安裝新支座→落梁就位→觀察測量→拆除頂升系統并清理現場。

在支座更換時，為保證梁體主要斷面的應力和變形處在安全范圍內，頂升過程中各液壓頂的頂升量同步，防止由于液壓頂升量不一致引起梁間變形不一致而導致空心板鉸縫損壞。頂升過程限行程、限速度、同步頂升：第一級行程為1mm，頂升速度為0.1～1mm/min，在頂起高度達到設定的1mm且系統自動保壓后，觀察梁體微小變化及頂升設備的運行情況，如有異常及時調整；同時采集各檢查點位移數據及頂升系統的壓力、設定行程，檢查無誤后再繼續頂升。第二級行程為3mm，頂升速度為0.1 ～1mm/min，在頂起高度達到設定的3mm且系統自動保壓后，對頂升設備進行檢查，采集各檢查點位移數據及頂升系統的壓力、設定行程，并與理論計算數據復核，如果兩者吻合，則進行下一級頂升，否則立即查找和分析原因，同時加墊臨時支撐。此后，以每級3mm的行程高度為一個頂升單位，每頂升一級單位檢查一次，對所采集的數據進行復核，同時加墊臨時支撐，直到頂升高度達到取出安裝支座的施工要求（最大頂升高度不得超過10mm）時停止頂升，采集液壓表各項數據，加固穩牢臨時支撐。如果在頂升過程中相鄰液壓頂組的行程誤差超過0.5 mm，頂升系統將自動關閉單向閥，對其余液壓頂進行自動補壓，直到在允許誤差范圍內。頂升行程的誤差在允許范圍內時，系統將自動繼續頂升。

3.2鉸縫壓漿及橋面鋪裝處理

對于部分鉸縫及橋面防水系統狀況不佳、鉸縫滲水結晶的現象，采取如下措施進行加固：1）鑿除預制空心板橋原橋面18cm厚鋪裝；2）對部分已失效的鉸縫進行注漿加固；3）橋面空心板頂植入梅花狀L形剪力鋼筋；4）澆筑13cm厚C50橋面鋪裝砼層；5）橋面現澆層表面設置防水層；6）澆筑5cm厚改性瀝青砼橋面鋪裝層。

3.3空心板內排水

針對空心板橋面防水系統狀況不佳、空心板底存在滲水結晶的現象，在預應力砼表面修補及裂縫封閉處理后，在空心板下坡最低處端部板底位置（避開預應力鋼筋位置）鑿出直徑5cm圓形孔洞，以排出空心板內可能存在的積水，避免鋼筋銹蝕，提高結構的耐久性。實踐中，在空心板兩端板底同時設置圓形孔洞，從中排出大量積水，持續時間多達10d，才徹底消除滴水現象。

3.4伸縮縫更換

鑒于現場伸縮縫出現擠死、變形、積沙、上翹等現象，工作狀況不佳，為保證橋梁正常運營及耐久性，全部更換伸縮縫裝置。具體措施為將原D80 mm型伸縮縫更換為GQF-Z40型鋼伸縮縫，伸縮縫安裝完畢后，在槽口內及伸縮縫兩側澆筑C50鋼纖維砼，伸縮縫安裝由生產廠家的專業隊伍執行。鋼纖維砼采用Ⅲ型（剪切型）鋼纖維，長25mm，直徑0.56mm，其技術指標符合CECS38：1992《鋼纖維混凝土結構設計與施工規程》和DBJ08-59-97《銑削鋼纖維混凝土應用技術規程》的要求。

3.5上下部構造和防撞護欄鋼構件防腐涂裝

對所有鋼構件表面進行涂裝防護，涂料分3層：底層為環氧富鋅底漆（干膜厚度80μm），中間層為環氧云鐵中間漆（干膜厚度150μm），表層為丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆（干膜厚度2×40μm）。

砼表面如有保護層起殼、脫落現象，則鑿毛表面砼，直到露出新鮮密實砼表面，并鑿出溝槽，然后用環氧砂漿修補；砼表面如有質量缺失和孔洞，則采用環氧砂漿修補。為進一步提高砼構件的耐久性和美觀性，對上部構造空心板、下部構造橋墩橋臺砼表面采用砼修補膠和灰云鐵氯化橡膠面漆進行涂裝，以防砼表面老化。

4　成橋試驗

在加固改造后進行荷載試驗，試驗工況主要有：跨中截面最大正彎矩工況；跨中截面最大撓度工況；空心板鉸縫工作性能的加載工況（主要進行荷載橫向分布系數測定）。3種工況的加載方式相似，合并進行試驗。

4.1理論分析

利用MIDAS/Civil2010建立結構空心板梁格模型，按城市-A級荷載進行結構分析與計算。空心板梁格模型中，板與板之間采用鉸接（見圖6）。試驗荷載作用下結構彎矩、剪力、應力和撓度計算結果見圖7～10。

圖6　空心板的梁格模型

圖7　空心板的彎矩圖（單位：kN·m）

圖8　空心板的剪力圖（單位：kN）

圖9　空心板的應力圖（單位：kN/m2）

圖10　空心板的變形圖（單位：m）

4.2加載方式和測點布置

利用35t重車（前軸8t、中后軸13.5t）進行加載，試驗分3級進行（見圖11）。在每塊板的支點、跨中、距跨中330cm處等4個截面布置變形測點，每塊板跨中截面底面布置應變測點。

圖11　試驗加載工序（單位：cm）

4.3試驗結果分析

在試驗荷載作用下各板的橫向分布系數見圖12，試驗中1#板的變形見圖13。

圖12　實測各板的橫向分布系數

圖13　1#板荷載試驗撓度值與理論值比較

從圖12可以看出：在試驗荷載作用下，各板所承擔的荷載比（荷載橫向分布系數）變化平順，無突變現象發生，且與空心梁格法計算的荷載比相吻合，證明加固改造后空心板橋鉸縫工作狀態良好，無單板受力現象。

從圖13可以看出：板的變形試驗值與理論值接近，校驗系數為87.3%，殘余撓度比為9.5%，滿足規范要求。同時經理論分析與試驗結果證實，現澆的砼橋面鋪裝層能參與結構受力。

5　結語

該文分析了岳麓大道跨麓景路橋從一級公路橋改造成城市主干道橋后設計荷載變化所帶來的結構設計內力的變化，認為原結構不能滿足城市主干道的荷載設計等級要求，需進行增質提載。結合該橋病害和質量缺陷，提出了更換支座、鉸縫壓漿及橋面鋪裝處理、空心板內排水、伸縮縫更換、上下部構造和防撞護欄鋼構件防腐涂裝等加固改造措施。經現場試驗和理論分析，采取上述加固措施后，該橋空心板沒有出現單板受力現象，鉸縫聯結效果滿足使用要求；現澆的橋面砼結構層能參與結構受力，對提高結構剛度有所幫助。加固改造施工提高了結構工作性能和承載能力，達到了設計目的和要求。

［1］ 蘇龍，楊絮，胡章立.空心板橋病害剖析及橋面連續結構整治對策［J］.公路交通技術，2011（2）.

［2］ 徐偉.橋梁施工［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［3］ 季德鈞，易漢斌，江祥林.鉸縫對寬幅空心板梁橋空間受力行為的影響［J］.湖南交通科技，2015，41（3）.

［4］ 劉近龍.空心板橋整體加固技術研究［D］.西安：長安大學，2012.

［5］ 康省楨.預應力混凝土空心板梁橋破壞機理試驗研究［D］.鄭州：鄭州大學，2010.

［6］ 湖南鐵院土木工程檢測有限公司.岳麓大道跨麓景路橋靜動載試驗及普查檢測報告［R］.長沙：湖南鐵院土木工程檢測有限公司，2015.

［7］ 項海帆.高等橋梁結構理論［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［8］ 顏東煌，田仲初，李學文.橋梁結構電算程序設計［M］.長沙：湖南大學出版社，1999.

［9］ 長沙理工大學公路工程試驗檢測中心.岳麓大道西延線舊橋改造工程荷載試驗方案［Z］.長沙：長沙理工大學，2015.

［10］ JTG/TJ21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.

U445.7

A

1671-2668（2016）04-0247-05

?長沙理工大學土木工程優勢特色重點學科創新項目（16ZDXK09）

2016-03-21