簡支空心板橋梁維修加固的分析研究

孫晉城 陸樹榮 倪麗萍

(湖州交通規(guī)劃設(shè)計院，浙江 湖州 313000)

1 概述

隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的逐步提升，中國的交通事業(yè)也在不斷地完善。根據(jù)交通部發(fā)布的有關(guān)數(shù)據(jù)可知[1]，截止至2018年年末，全國公路總里程達484.65萬km，公路橋梁達85.15萬座、5 568.59萬m。在20世紀70年代，由于空心板具有結(jié)構(gòu)高度小、受力明確、預(yù)制方便、施工便捷等優(yōu)點，交通部組織編制了第一套裝配式的空心板標(biāo)準(zhǔn)圖[2]，自此開始空心板在我國公路橋梁建設(shè)中得到大量的應(yīng)用。由于早期的橋梁設(shè)計荷載等級較低，而現(xiàn)階段交通量的增長以及重載車輛的不斷增加，橋梁的實際承載能力無法滿足實際使用需求，使得大量的中小跨徑簡支空心板橋梁出現(xiàn)病害甚至危及行車安全。因此如何對現(xiàn)役的空心板橋維修加固成為當(dāng)前的一個重點問題。

本文以湖州市某國道上兩座簡支空心板橋梁為工程背景，對其維修加固措施進行分析研究。

2 工程背景

1號橋配跨為(3×13)m，上部結(jié)構(gòu)為13 m簡支空心板；右偏角85°，該橋于1998年建成通車。

2號橋配跨為(4×16)m，上部結(jié)構(gòu)為16 m簡支空心板；右偏角90°，該橋于1994年建成通車。

兩座橋梁設(shè)計荷載均為汽—20、掛車—100級。

兩座橋梁下部結(jié)構(gòu)均為樁接蓋梁式橋臺接臺后擋墻，柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

經(jīng)現(xiàn)場檢測，兩座橋梁的主要共性病害情況如下(見圖1～圖4)：

1)空心板梁底出現(xiàn)均較多橫向裂縫，外側(cè)腹板出現(xiàn)多條豎向裂縫，少量腹板與底板裂縫已貫通，裂縫寬度大多超過規(guī)范限值；其中13 m跨徑外側(cè)邊板支點附近出現(xiàn)縱向開裂現(xiàn)象。

2)空心板出現(xiàn)多處混凝土破損，鋼筋外露銹蝕。

3)下部蓋梁多處混凝土破損，鋼筋外露銹蝕；橋墩立柱受水流沖蝕破損。

3 病害成因

3.1 交通量調(diào)查統(tǒng)計

根據(jù)兩座橋梁附近交通量觀測站的結(jié)果，統(tǒng)計2005年—2014年的車輛當(dāng)量數(shù)(單位:輛/d)如圖5，圖6所示。

從歷年交通量統(tǒng)計可知，機動車輛數(shù)量逐年增加，且重載車輛也在逐年增加，10年間機動車交通量翻了1倍多，而特大貨車翻了10倍多，且近3年趨于平穩(wěn)。重載車輛導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷加劇，降低了結(jié)構(gòu)使用壽命。尤其是對于簡支空心板橋梁，由于活載效應(yīng)在總效應(yīng)中占的比重較大，重載車輛往往會對其產(chǎn)生嚴重損害。

3.2 結(jié)構(gòu)計算分析

兩座橋梁均建于20世紀90年代，建設(shè)年代較早，現(xiàn)實際交通流量相對于原設(shè)計時有較大提升。利用Midas/Civil 2016有限元軟件，分別采用原設(shè)計的JTJ 021—89公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范汽車—20、掛車—100級荷載和現(xiàn)行的JTG B01—2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)公路—Ⅰ級荷載對13 m和16 m空心板進行計算，結(jié)果如表1所示。

由計算可知，對于13 m板和16 m板，現(xiàn)行的設(shè)計荷載引起的效應(yīng)較之原設(shè)計荷載均有較大幅度的增加。

3.3 成因分析

1)空心板底板橫向以及腹板豎向裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，板底的橫向裂縫大多出現(xiàn)在橋跨跨中附近，部分橫向裂縫延伸至腹板，形成“U型”裂縫。

表1 簡支空心板梁汽車活載效應(yīng)(跨中截面)

結(jié)合交通量調(diào)查以及計算分析可推斷，由于原設(shè)計汽車荷載為汽—20級，而如今國道交通量大大增加，重型車輛逐年增多，在重載車輛長期作用下，板梁承載力不足，底板產(chǎn)生橫向裂縫、腹板豎向裂縫。此外橋梁運營過程中溫度變化、收縮徐變等原因也會造成梁板出現(xiàn)細微裂縫，且部分裂縫隨著時間推移緩慢發(fā)展。

2)空心板以及蓋梁混凝土破損以及鋼筋銹蝕。

混凝土破損及鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)的常見病害，對結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大。它主要由于銹蝕處保護層過薄導(dǎo)致混凝土中的鋼筋未受到堿性環(huán)境的保護而引發(fā)的鋼筋銹蝕，銹蝕后鋼筋的體積是銹蝕前體積的3倍～4倍，因而會向四周膨脹，而鋼筋四周的混凝土則限制它的膨脹，產(chǎn)生了交界面上的壓力從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕及混凝土破損的產(chǎn)生[3]。此現(xiàn)象的產(chǎn)生，使得構(gòu)件的承載力以及可靠性劣化的速度大大加快，有的甚至發(fā)展到鋼筋銹斷，危及結(jié)構(gòu)安全。

3)橋墩立柱受水流沖蝕破損。

一般來說，水中橋墩立柱的使用條件和環(huán)境比水上結(jié)構(gòu)(如板梁等)更為惡劣。由于早期混凝土的施工質(zhì)量等原因，受到河水沖刷、環(huán)境荷載以及橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞的工作荷載等，更易導(dǎo)致橋墩立柱出現(xiàn)混凝土剝落、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象。

4 維修加固措施

4.1 通用維修措施

1)裂縫處理。

對于空心板產(chǎn)生的不同類型的裂縫應(yīng)采用分類處理措施。本次對裂縫的處理主要采取以下兩種措施：

a.裂縫寬度小于0.15 mm，采用裂縫修補用膠進行表面封閉處理；

b.裂縫寬度不小于0.15 mm，采用裂縫修補用膠(注射劑)壓力灌注法進行處理。

2)混凝土破損及鋼筋銹蝕處理。

首先鑿除銹蝕鋼筋表層混凝土至堅實界面，然后涂刷滲透型阻銹劑，最后采用混凝土結(jié)構(gòu)加固用聚合物砂漿修復(fù)復(fù)原。

對于僅混凝土破損部位可直接采用混凝土結(jié)構(gòu)加固用聚合物砂漿進行修補復(fù)原，以恢復(fù)原有截面的尺寸，從而確保原構(gòu)件的截面剛度。

4.2 上部結(jié)構(gòu)加固

由第3節(jié)分析可知，空心板的當(dāng)前實際承載能力無法滿足現(xiàn)行使用需求，應(yīng)采取措施提高其承載能力。常用的空心板加固方法有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法[4]、橋面鋪裝補強加固法[5]等。考慮到粘鋼加固法施工工期短、工藝簡便成熟、不影響被加固結(jié)構(gòu)的外觀和橋下凈空需求[6]。因此上述兩座橋梁采用粘貼鋼板加固法提高空心板的承載能力，具體措施如下：

首先對梁板裂縫進行封閉，裂縫封閉后再采用粘鋼專用膠對每塊板梁底粘貼4條寬15 cm厚8 mm的Q235鋼板加固(鋼板加固前粘貼面以外的其他外露部位必須做好防銹處理)，并在兩端頭橫向各粘貼3條寬10 cm厚8 mm Q235鋼板壓條，如圖7所示。

利用Midas/Civil 2016有限元軟件，并根據(jù)相關(guān)文獻[7][8]，再結(jié)合手算結(jié)果，加固前、后的效果如表2所示。采用粘貼鋼板加固板梁后，13 m及16 m空心板的抗彎承載能力分別提高約46%與43%，且大于現(xiàn)行規(guī)范中承載能力極限狀態(tài)下的最大彎矩，滿足實際使用需求。

表2 加固前、后單塊板梁抗彎承載力比對(跨中截面)

4.3 橋墩立柱維修

對橋墩立柱水蝕部位采用“夾克法”水下加固，并采用波纖套筒灌漿施工(見圖8)。

具體措施如下:

1)首先確定水蝕深度，以確定套筒高度。

2)根據(jù)檢測報告以及實際檢測的水蝕程度，繼而確定加固厚度，確定套筒的大小尺寸。

3)對橋墩立柱進行表面處理，清除結(jié)構(gòu)表面松散的混凝土以及清理墩柱底部的泥漿等。

4)對于墩柱修復(fù)進行防護工作，由潛水員將套筒安裝在合適的位置，使用可壓縮密封條封住套筒底部。

5)將灌漿料或砂漿填充套筒內(nèi)的間隙，并自動排出套筒內(nèi)的水。

5 結(jié)語

隨著時間的推移，國內(nèi)早期建設(shè)的中小橋梁維修加固將越來越迫切。橋梁各個部位表征的病害不盡相同，需要相關(guān)從業(yè)者不斷總結(jié)經(jīng)驗與教訓(xùn)，具體的維修加固措施也需要從設(shè)計、施工、運營養(yǎng)護等各方面進行分析。本文所提出的橋梁病害成因分析以及維修加固措施可為今后的工程實際提供參考。