大跨度連續梁橋病害成因分析及維修改造設計

徐曉東，黃浩，鄭國華

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥230088）

大跨度連續梁橋病害成因分析及維修改造設計

徐曉東，黃浩，鄭國華

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥230088）

大跨度預應力混凝土連續梁橋在運營若干年后，容易出現箱梁腹板開裂、頂、底板縱橫向裂縫，跨中下撓等病害，這些病害嚴重影響到橋梁的結構的安全及正常使用。以某淮河大橋為例，介紹了該橋出現的病害情況，分析了病害產生的原因，進行了分階段的維修改造設計和方案比選，綜合考慮結構安全及適用性、運營管理、預期使用壽命、社會影響、風險評估、建設安裝費等，建議采用方案二作為此次橋梁維修改造的方案。

連續梁橋；橋梁病害；加固設計；方案比選

0 引言

預應力混凝土連續梁橋由于施工工藝簡單成熟、材料來源廣泛、工程造價低、使用性能好、運營養護簡單等優點，得到迅速發展和應用，在我國現役橋梁中占有較大的比重[1]。盡管預應力混凝土連續梁橋具備諸多優勢，但由于早期設計理論不完善、施工質量缺陷、負荷超載以及管養工作不力等方面的原因[2]，造成大跨度預應力混凝土連續梁橋在運營一段時間之后，容易出現箱梁腹板斜向或豎向開裂，底板縱向、橫向或斜向開裂，頂板縱向開裂，跨中變形等病害[3]，影響橋梁結構安全和正常使用，有必要進行維修改造。橋梁維修加固改造是一項十分重要而又需要將專業知識靈活運用的工作，綜合考慮病害成因、影響范圍、維修加固技術、成本管理等因素，選擇合理的維修改造措施是一項至關重要的工作。

本文依托于某淮河公路大橋，首先介紹了該橋的基本情況，并根據數次檢測報告，對橋梁的病害發展情況進行了分析并給予了對應的加固措施。最后根據橋梁上部結構拆除后的現場反饋，對該橋病害出現的可能原因進行了剖析。

1 工程概述

某淮河公路大橋主橋跨徑布置為65 m+98 m+65 m變截面連續梁（見圖1、圖2），是105國道跨越淮河的一座重要橋梁。橋面寬度20.5 m，橋面布置為：0.5 m（防撞護欄）+19.5 m（橋面凈寬）+0.5 m（防撞護欄）；設計汽車荷載為：汽車-超20級，掛車-120；設計通航：Ⅲ級通航標準，凈寬40 m，凈高8 m，最高通航水位28.37 m；抗震等級：地震烈度6度，按7度設防。該淮河公路大橋于1998年7月設計完成，1999年10月建成通車。主橋在責任缺陷期內，發現主跨底板即出現開裂現象。

圖1 淮河大橋主橋整體概貌

該大橋從2000年9月至2014年3月先后進行了多次專項定期檢測及評定。檢測發現：主橋中跨合攏段箱內頂、底板存在混凝土崩裂現象；箱梁腹板存在大量斜向裂縫，部分裂縫縫寬超限，貫穿腹板；中跨箱內有部分預應力束齒板存在開裂現象；墩頂橫隔墻普遍有開裂現象；少數盆式支座上下地腳螺栓存在抵觸現象，影響支座滑動及減震功能；墩頂處橋面鋪裝破損較嚴重；主橋技術狀況評定結論表明該橋主橋橋面系為4級、上部結構承重構件為5級，下部結構為3級，綜合評定為四類橋梁。

圖2 淮河大橋主橋橋跨布置圖

2 橋梁病害及成因分析

2.1 橋梁病害情況

（1）邊跨病害情況

9#墩第13#塊右腋板有1處空洞，S=0.3 m×0.2 m，露筋兩根，均長0.1 m（見圖3（a））；第11#塊下齒板有1條順橋向裂縫，L=0.6 m，W=0.10 mm（見圖3（b））。

圖3 第9跨箱室內病害情況

箱內腹板裂縫封縫處理較好，未見明顯變化。主要病害表現在10#墩9、10號塊結合處右腋板，存在空洞漏筋現象和11跨現澆塊與懸澆跨之間空洞漏筋現象（見圖4、圖5）。

圖4 腋板空洞露筋

圖5 現澆塊接縫處空洞露筋

箱外底板有3處裂縫（見圖6），縫寬0.16～0.18 mm，另外有1處露筋銹蝕現象（見圖7）。

圖6 第9跨底板裂縫平面示意圖（單位：mm）

圖7 第9跨箱室外病害情況

（2）主跨病害情況

該跨箱梁腹板裂縫在2010年加固時已經采用環氧樹脂或壓力灌膠處理，已經處理的裂縫未見明顯變化。箱梁內齒板裂縫未處理，且寬度稍有增大，最大達到5 mm，為9號墩11＃塊左齒板豎向裂縫（見圖8）。

圖8 箱室內齒板開裂

箱外腹板裂縫和底板均未進行專門處理，僅作涂裝處理，腹板裂縫和底板縱向裂縫均從涂裝反射出來，涂裝反射的裂縫寬度約為0.1～0.3 mm之間（見圖9）。

圖9 腹板與底板裂縫分布

箱室底板外側裂縫情況見圖10。

圖10 主橋主跨底板外側裂縫分布示意圖

箱外觀察總體線形，從護欄向下扭曲結合橋面高程測量分析，主跨下撓明顯，跨中合攏段下撓18.15 cm（見圖11）。

圖11 橋面兩側護欄跨中處向下扭曲，有明顯下撓

2.2 病害成因分析

主橋病害主要集中表現在箱梁中跨底板、主梁腹板以及齒板出現較多裂縫、跨中下撓明顯。造成主梁箱梁底板，腹板以及齒板出現嚴重開裂的原因眾多，根據計算結果并結合調查資料分析后，認為引橋主橋出現病害的主要原因有以下方面：

（1）設計理念的不同

該橋設計于20世紀90年代，正是我國交通建設開始迅速發展的時候，那個時代大跨徑橋梁設計理論還有待進一步完善，對于大跨徑混凝土箱梁橋還處于探索及經驗積累階段，導致以下的問題出現：

a.箱梁橫向腹板間距較大，剪力滯效應及箱梁畸變效應較為明顯；

b.由于歷史設計理念的局限，1997年左右流行懸澆箱梁抗剪主要通過主梁豎向精軋螺紋鋼抗剪，腹板均未配置下彎鋼束；

c.混凝土收縮徐變效應理論不完善，對主梁應力、撓度等影響的程度還無法準確計算。

（2）施工質量上的差距

a.施工質量較差，根據檢測報告，箱梁內存在多處空洞和振搗不密實以及脹模現象；

b.齒板處鋼筋以及預應力管道密集，混凝土澆筑時，極易出現振搗不足、振搗不到位或振搗過振等現象，從而造成齒板各處混凝土強度不均勻；

c.實際橋面鋪裝層厚度普遍超出設計值，最大厚度達到設計厚度的2倍，即最大達到20 cm，造成二期恒載過大，對主梁受力不利的影響；

d.全橋腹板大量裂縫未進行處理，主梁跨中箱梁底板下緣縱向裂縫未進行處理，箱內增設一道桁架腹板在改善橫橋向的受力同時，對縱橋向起到一定的恒載作用，特別在新增腹板與原箱梁頂底板脫離時。

（3）運營管理的現實

a.車輛超載現象嚴重，根據現場調查結果，橋址兩岸裝砂超載車輛極多，過橋超載車輛普遍，特別在2010年大橋設立治超站以前，超載現象更為嚴重，未設立治超站之前，過橋車輛最大可達到150余t的6軸貨車。

b.橋梁養護資金、技術力量不足。由于技術力量、資金等因素的限制，發現病害未能及時有效處理，導致病害進一步加重從而引起結構的連鎖反應；缺少對結構的日常監測，無法準確判斷諸如主梁下撓等情況；建設、施工、養護等資料收集、整理不完善，導致無法對結構進行更深入的了解和分析。

（4）各種因素的相互作用（見圖12）

圖12 多重因素相互作用示意圖

a.根據2004年監測報告可知，主梁至2009年加固后至今，剛度降低較大。因此如考慮跨中箱梁底板開裂，剛度的折減，在超載作用下，主梁底緣所受拉應力將進一步增大，這也是主梁在2014年檢測發現底板開始出現橫向裂縫的主要原因之一。

b.主梁豎向撓度的增大、齒板裂縫的增大，都逐漸造成預應力損失不斷增大，有效預應力不斷減小。

c.主梁收縮、徐變效應的影響，導致主梁預應力的損失，從而進一步加劇了主梁的下撓和主梁的開裂。

3 橋梁維修改造方案設計與比選

3.1 維修改造的必要性和目的

根據該淮河公路大橋養護定期檢測報告，主橋上部承重構件均評定為5級；主橋總體技術狀況評分為56.32，總體技術狀況等級評定分別為四類。

根據《公路橋涵養護規范》（JTGH11-2004）第3.5.條規定：三類橋梁需進行中修，酌情進行交通管制；四類橋梁需進行大修或改造，及時進行交通管制，如限載、限速通過，當缺損較嚴重時應關閉交通；五類橋梁需要進行改建或重建，及時關閉交通。

根據上述方面的綜合分析并結合橋梁的檢測情況和現狀，該橋主橋總體技術狀況較差，嚴重影響結構安全，影響G105的正常運行，對沿線居民及當地生產生活有很大影響，因此，有必要對該橋進行維修加固甚至拆除重建，本次維修改造的目的主要有以下方面：

（1）保證結構的安全性；

（2）恢復橋梁的使用功能；

（3）在安全性和適用性得到保證的前提下考慮改造方案全壽命期內的經濟性。

3.2 維修改造方案設計

為達到前述維修改造目的，解決目前該橋出現的問題，本階段確定的處理方案主要有：主橋維修加固方案設計；主橋上部結構更換方案。

（1）方案一：主橋維修加固方案

主要內容有：鑿除原主橋橋面鋪裝層；主墩下部基礎施工；主梁體外預應力加固施工；主梁局部修補及局部補強(含主梁梁底粘貼鋼板局部補強)、鋼筋銹蝕處理,裂縫處理；主墩局部修補及局部補強；更換橋面鋪裝層和伸縮縫等。

（2）方案二：主橋上部結構更換方案

主要內容有：拆除箱梁，改建上部結構；主墩及過渡墩維修改造等。

3.3 方案比選

方案一（維修加固方案設計）和方案二（上部構件更換、下部維修利用方案）分別從維修和更換構件兩個方向出發對主橋和跨堤引橋進行了方案設計，以下從幾個方面對二個方案進行詳細比較，并根據比選結果提出推薦方案：

（1）結構安全及適用性

方案一在常規維修處理的基礎上，主橋對主梁進行體外預應力加固處理，但考慮到本橋部分基礎資料不全，目前很難對該橋進行詳細的、精確的結構計算分析，體外預應力的設置可能會造成某些局部區域的受力風險，因此方案一體外預應力加固存在較大的加固風險，后期運營期需要定期觀測并采取一定限載通行方案。

另外由于主橋原結構無腹板下彎鋼束等先天缺陷無法消除，已出現的裂縫及隱含未發現的病害將作為永久缺陷存在于橋梁服役期，因此該橋采取維修加固方案，結構施工和運營均存在很大的風險，加固效果難以達到理想設計效果。

方案二將原有上部結構進行更換，徹底消除了原有病害，在橋梁建設之初就能夠采用成熟的經驗和理論，按照現行規范進行重新設計，保證在結構設計壽命內不出現大的問題，從根本上達到本次維修改造的目的。

（2）運營管理、社會影響方面

a.運營管理方面

方案一由于缺陷無法根本消除，維修效果難以保證，本次維修后在運營過程中可能出現病害進一步擴大或新增病害的風險，為及時發現、及時處理可能出現的病害，保證橋梁結構及來往群眾的生命財產安全，必須進行短周期或實時的檢測、監測，加強平時的人工巡檢和養護。

方案二采取更換上部構件，相當于新建橋梁，檢測、養護周期均按照新建橋梁進行，相比方案一、方案二的檢測、養護投入的成本和任務量明顯降低，從而減小對地方養護部門的壓力和交通壓力。

b.社會影響方面

方案一采取維修加固方案設計，僅僅需要對主梁進行局部鑿除，無需全線雙幅封閉交通，短期內交通和社會影響較小，但考慮到該橋加固后效果不能保證完全達到理想效果，后期運營期需要定期觀測和一定程度上的限載通行，對沿線交通運輸、經濟發展產生一定影響,社會影響和經濟效益較差；方案二需拆除上部構件，臨時封閉交通，短期內社會影響可能較大，但只要采取一定措施可以將該影響減小到最小，且建成后無需限載通行，長期影響較小，經濟效益較好，特別對周邊交通影響降低到最小，且為周邊交通通暢作出較大貢獻。

4 結論

（1）綜合考慮結構安全及適用性、運營管理、預期使用壽命、社會影響、風險評估、建設安裝費等，方案二較方案一更具有上述的優勢，可以成為本次橋梁加固改造的推薦方案。

（2）大跨度預應力混凝土梁橋撓度過大與腹板開裂已成為我國具有典型型橋梁病害，在橋梁運營短期內開始出現該種病害的維修加固已不下于十座，但是目前為止，仍缺乏行之有效的技術手段予以消除。

（3）橋梁病害的出現應及時對其做出反應，病害會加速橋梁剛度降低，后期造成很大的損失，影響到橋梁的使用壽命。

[1] 趙崇基.基于模型修正的混凝土連續梁橋運營安全性能評估的試驗研究[D].山西太原:太原理工大學,2015.

[2] 周劍.連續剛構橋跨中合龍段底板崩裂的防治研究[D].重慶:重慶交通大學,2009.

[3] 李邦映,屈計劃.大跨度連續梁橋病害成因分析[J].工程與建設,2016,30(3):300-302.

[4] 交通運輸部公路科學研究院.公路橋梁技術狀況評定標準[M].北京:人民交通出版社,2011.

U445.7+1

B

1009-7716（2017）11-0090-05

2017-06-01

徐曉東（1969-），男，安徽合肥人，高級工程師，從事橋梁設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.026