梁式橋梁下部結(jié)構(gòu)病害分析

蘇永剛

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市200444）

0 引言

橋梁下部結(jié)構(gòu)支撐上部結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件并將上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載及本身所受作用傳遞至基礎(chǔ)，一般分為橋臺、橋墩及基礎(chǔ)等部件。橋梁下部結(jié)構(gòu)往往受力復(fù)雜，既與上部結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，又與橋位處地質(zhì)情況密切相關(guān)。下部結(jié)構(gòu)常見病害有蓋梁開裂、立柱開裂、基礎(chǔ)不均勻沉降、基礎(chǔ)沖刷及表觀耐久性病害（混凝土開裂、破損，鋼筋銹脹）[1]。本文主要結(jié)合兩座現(xiàn)狀橋梁不同成因的下部結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的處治措施。

1 某匝道橋立柱裂縫病害分析

1.1 橋梁概況

某匝道橋第1、2聯(lián)過渡墩（5#墩）出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性受力病害。第1、2聯(lián)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組合為（5×25）m+（24+31+27+25）m。第 1、2聯(lián)橋梁平面位于圓弧段，圓弧半徑約為250 m。橋梁高1.6 m，寬8.0 m，橋?qū)挷贾脼椋?.5 m（防撞護(hù)欄）+7.0 m（車行道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）。第1、2聯(lián)橋墩采用鋼筋混凝土單柱式橋墩，墩柱直徑均為1 500 mm，過渡墩蓋梁高為1.0～1.2 m。

橋臺及5#過渡墩處設(shè)置雙支座，其他墩處設(shè)置單支座。支座均采用盆式橡膠支座，支座約束方向設(shè)有卡槽。5#橋墩蓋梁上方設(shè)有4個支座：第1聯(lián)方向（第5跨）內(nèi)圈側(cè)（橋梁平面圓弧內(nèi)側(cè)，下同）設(shè)有1個多向活動支座，外圈側(cè)設(shè)有1個縱向活動支座；第2聯(lián)方向（第6跨）內(nèi)圈側(cè)設(shè)有1個多向活動支座，外圈側(cè)設(shè)有1個橫向活動支座（該支座設(shè)置不合理，應(yīng)設(shè)為縱向活動支座）。

橋梁設(shè)計(jì)荷載：汽車-超20級、掛車-120。該橋修建于1998年，2017年前經(jīng)過多次全面檢查，本次重點(diǎn)關(guān)注的下部結(jié)構(gòu)病害為2017年新增病害。

1.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵病害（2017年新增）

該匝道橋5#橋墩立柱內(nèi)圈側(cè)表面存在20條半環(huán)向裂縫，最大裂縫長度為2.0 m，最大裂縫寬度為0.28 mm（位于立柱頂端），典型照片見圖1，為2017年新增病害。檢查橋面發(fā)現(xiàn)第5跨箱梁和第6跨箱梁在5#橋墩伸縮縫處存在約3 cm的錯位（第5跨箱梁位于外側(cè)面）（見圖2）。縱向活動支座目前橡膠條已明顯擠壓變形，立柱垂直度測量結(jié)果顯示5#墩2 m高度內(nèi)水平偏差內(nèi)外側(cè)分別為10 mm、20 mm（規(guī)范容許值6 mm），其他墩水平偏差正常，表明5#墩已受彎變形。

圖1 5#橋墩立柱內(nèi)圈側(cè)表面半環(huán)向裂縫

1.3 病害分析

第1、2聯(lián)彎箱梁均只在端部設(shè)兩個支座（抗扭支座），其他墩均設(shè)單個支座。第1、2聯(lián)扭跨跨徑（抗扭支座曲線距離）分別為125 m、107 m。扭跨跨徑較大再加上該橋彎曲半徑較大（彎扭耦合相對較小），導(dǎo)致恒、活載作用下梁端傳遞給抗扭支座的扭矩較大。該扭矩通過橫向兩個支座的不均勻反力傳遞給蓋梁及橋墩，使得5#墩橫橋向彎矩較大。

圖2 第5跨箱梁和第6跨箱梁錯位3 cm

第5跨箱梁（第1聯(lián)）和第6跨箱梁（第2聯(lián)）在5#橋墩處存在約3 cm的水平錯位。結(jié)合前述第5、6跨在5#墩處支座布置形式，可判斷第5跨箱梁梁端與蓋梁均相對第6跨梁端發(fā)生外側(cè)方向約3 cm的位移。結(jié)合5#墩向外側(cè)的水平偏移量，可初步判斷第6跨梁端絕對位移較小，第5跨箱梁梁端與蓋梁存在向外方向絕對位移。

第5跨箱梁梁端與蓋梁位移及5#墩內(nèi)側(cè)開裂存在兩種解釋和可能性：第一種是平面曲線箱梁升溫向外爬移，支座凸塊與卡槽在外側(cè)接觸后產(chǎn)生橫橋向約束使橋墩受彎開裂（見圖3）；第二種是橋墩受梁傳遞下來的橫橋向彎矩開裂，橋墩及蓋梁產(chǎn)生向外側(cè)位移，支座凸塊與卡槽應(yīng)在內(nèi)側(cè)接觸后橫橋向約束使第5跨箱梁梁端外移。5#墩身最大裂縫寬度出現(xiàn)在上部近蓋梁處，裂縫豎向間距從上到下存在由密變疏趨勢，若病害機(jī)理為第一種則裂縫最嚴(yán)重部位應(yīng)出現(xiàn)在墩身底部。結(jié)合現(xiàn)場水平限位支座卡槽約束狀態(tài)，可判斷上述病害為第二種原因所致，而不是更常見的彎橋平面爬移所引起的。

圖3 水平限位支座卡槽約束狀態(tài)示意圖

5#橋墩目前裂縫寬度尚未超過《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004）規(guī)定的墩身處于干旱環(huán)境中裂縫寬度限值0.40 mm，裂縫長度亦未超過墩身截面的一半。但由于該病害為一年內(nèi)新增且裂縫較多，目前立柱已受彎變形，不排除該病害有進(jìn)一步惡化的可能，甚至?xí)档土⒅某休d能力，影響橋梁安全，建議及時(shí)封閉裂縫，加固后加強(qiáng)監(jiān)測。

2 某橋樁柱式橋墩半環(huán)向開裂病害分析

2.1 橋梁概況

某橋南端引橋下部結(jié)構(gòu)（12#墩）出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性受力病害。該引橋?yàn)?跨簡支變連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋，跨徑組合為5×25.0 m。該橋橫橋向由左右兩幅橋組成，呈對稱分布。引橋每幅橋由4榀小箱梁組成，梁高1.4 m，橋面總寬為23.0 m。

下部結(jié)構(gòu)采用輕型橋臺和樁柱式橋墩，每幅橋橋墩由2根直徑均為1.3 m的圓形截面立柱組成，立柱基礎(chǔ)均設(shè)1根直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁。出現(xiàn)病害的12#墩為南端引橋橋臺（14#臺）從南向北數(shù)的第2個橋墩。

該橋建成于2008年，設(shè)計(jì)荷載等級為公路-Ⅰ級，現(xiàn)兩端橋頭均設(shè)有總重55 t，軸重14 t的限載標(biāo)志牌。本次研究病害為2017年發(fā)現(xiàn)，因無其他資料無法推斷病害出現(xiàn)時(shí)間。

2.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵病害

檢查發(fā)現(xiàn)左幅橋12-2#（東幅橋西側(cè)）樁基北側(cè)分布有多條半環(huán)向裂縫，最大裂縫寬度為1.0 mm，鉆芯深度20 cm仍有裂縫存在（見圖4），同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)橋墩立柱系梁頂面分布有多條橫向裂縫，裂縫延伸至系梁南北兩側(cè)面（見圖5、圖6）。另外還發(fā)現(xiàn)左幅橋12-1#樁基及右幅橋12-2#樁基北側(cè)面均分布有半環(huán)向裂縫，最大裂縫寬度為0.14 mm；左幅橋12-1#、12-2#樁基及右幅橋12-1#樁基均局部混凝土破損，鋼筋外露銹蝕，面積合計(jì)為10.6 m2。

圖4 左幅橋12-2#橋墩樁基北側(cè)面半環(huán)向裂縫

2.3 病害分析

左幅橋12-2#橋墩樁基裂縫走向與螺旋箍筋走向不一致，且深度超過箍筋保護(hù)層厚度，可排除為箍筋銹脹引起。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)左幅橋12-2#樁基南側(cè)面與洋塘西路砌石擋墻混凝土基礎(chǔ)重疊，平面重疊深度為200 mm。將竣工圖與實(shí)際情況進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，后期施工的左幅橋12-2#橋墩樁基樁位與先期施工完的路基擋墻混凝土基礎(chǔ)平面上出現(xiàn)重疊，擋墻混凝土基礎(chǔ)與12-2#橋墩樁基有明顯人工鑿除痕跡（見圖7）。由此可推斷12-2#橋墩樁基混凝土澆筑過程中勢必與擋墻混凝土基礎(chǔ)連接為一體，側(cè)向土壓力通過擋土墻基礎(chǔ)傳遞至左幅橋12-2#橋墩樁基，致使樁基承受過大水平力而導(dǎo)致北側(cè)面受拉出現(xiàn)半環(huán)向裂縫，同時(shí)橋墩系梁受彎扭出現(xiàn)橫、斜向裂縫。未與路基擋土墻直接接觸的12#橋墩其他樁基未出現(xiàn)類似左幅橋12-2#樁基的裂縫，也間接說明12-2#橋墩樁基半環(huán)向開裂與路基擋土墻混凝土基礎(chǔ)連接為一體有直接關(guān)系。

圖5 左幅橋12#橋墩系梁裂縫

圖6 左幅橋12-2#樁基及橋墩系梁裂縫位置分布示意圖

對此病害應(yīng)及時(shí)進(jìn)行專項(xiàng)維修加固，首先設(shè)法將左幅橋12-2#橋墩樁基與路基擋墻混凝土基礎(chǔ)徹底分離，使兩者之間保持足夠距離（至少50 mm），以卸除導(dǎo)致樁基開裂的外力，然后對12-2#橋墩立柱和該橋墩兩立柱之間的系梁進(jìn)行加固。如不及時(shí)進(jìn)行處理，預(yù)見12-2#橋墩立柱裂縫將緩慢繼續(xù)發(fā)展，并將會有新增裂縫產(chǎn)生，將來發(fā)展嚴(yán)重會危及該橋墩安全。加固前，應(yīng)對樁基裂縫及樁基擋墻的變形進(jìn)行密切監(jiān)控，以掌控病害的發(fā)展情況，如遇異常，應(yīng)立即封閉左幅橋。

圖7 左幅橋12-2#樁基與擋墻混凝土基礎(chǔ)疊合示意圖

左幅橋12-1#樁基及右幅橋12-2#樁基北側(cè)面半環(huán)向裂縫，經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)裂縫均對應(yīng)樁基箍筋處且深度較淺。將該病害與左幅橋12-1#、12-2#樁基及右幅橋112-1#樁基局部混凝土破損、鋼筋外露銹蝕病害結(jié)合分析，可判斷該病害為箍筋混凝土保護(hù)層厚度局部偏薄，在外界環(huán)境的長期侵蝕作用下，混凝土較早碳化，導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹產(chǎn)生裂縫，建議鑿除裂縫處表面疏松混凝土，對鋼筋進(jìn)行除銹，待表面清洗干凈后，用專用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)[2]。

3 結(jié)論

（1）對多跨連續(xù)彎橋，若中支點(diǎn)采用單支座，邊支點(diǎn)采用雙支座，設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要關(guān)注橋梁抗傾覆，而且對下部結(jié)構(gòu)受力需采用空間計(jì)算模型以考慮上部結(jié)構(gòu)對下部產(chǎn)生的偏心彎矩。在曲率半徑較大時(shí)不宜設(shè)計(jì)中間獨(dú)柱墩的多跨連續(xù)梁，尤其是在較寬的直橋上不應(yīng)設(shè)置多跨中間獨(dú)柱墩[3]。

（2）橋梁施工和使用過程中需注意避免產(chǎn)生設(shè)計(jì)橋墩柱時(shí)沒考慮的水平力，較常見于擋墻與橋墩臺接觸，使得擋墻一段長度的土壓力均由橋墩臺承受，且該力作用位置靠近地表附近使其受力更不利。

（3）橋梁病害形成原因有多種，判斷時(shí)需結(jié)合各部位病害小心確認(rèn)，只有病害原因判斷準(zhǔn)確才可能選擇正確合理的維修加固措施。

[1]金輝.公路橋梁典型病害診斷與處治圖解手冊 [M].北京：人民交通出版社，2015.

[2]王水龍.橋梁病害 [M].上海：上海大學(xué)出版社，2015.

[3]范立礎(chǔ).橋梁工程（上冊）[M].北京：人民交通出版社，2003.