斜交U型桥台侧墙开裂病害分析及加固设计

2016-12-15 10:08:45
西部交通科技 2016年10期
关键词:前墙斜交植筋

范 毅

(广西梧州岑梧高速公路有限公司,广西 梧州 543000)



斜交U型桥台侧墙开裂病害分析及加固设计

范 毅

(广西梧州岑梧高速公路有限公司,广西 梧州 543000)

文章以广西梧州某高速公路斜交桥为例,对该桥U型桥台侧墙开裂病害及其原因进行了分析,提出采用植筋加格构梁对穿预应力拉杆锚固的加固设计方案,并通过后期加固效果观测,确认该加固施工取得了预期的效果。

斜交桥;U型桥台;侧墙开裂;剪切破坏;加固设计

0 引言

U型桥台开裂病害中由于土压力问题导致的桥台前墙与侧墙交汇处开裂是最常见的桥台破坏形式。但斜交桥梁由于支座反力不均衡的问题,当台身混凝土抗剪能力不足时,在行车荷载作用下很容易发生剪切破坏,而且病害发展迅速,严重影响行车安全。本文以广西梧州某高速公路斜交桥梁U型桥台台身开裂病害为例,通过现场勘查,钻孔取芯,结合查阅竣工、养护资料,对病害原因进行了分析,并提出了采用植筋加格构梁对穿预应力拉杆锚固的方式进行加固,加固效果符合预期。

1 工程概况

广西梧州某高速公路立交中桥于2008年1月建成通车,桥梁同时上跨G207国道及无名小河。桥梁分左右两幅,桥梁全长为86.04 m,桥面全宽为26 m,设计荷载为公路-Ⅰ级。

桥梁上部结构为3×25 m先简支后连续预应力箱梁,下部结构采用U型桥台及桩柱式桥墩。出现病害的桥台为0#桥台,桥台高6.9~7.2 m,宽29.98 m,前墙中部设置了沉降缝。台帽及挡块采用C30钢筋混凝土,台身为C15现浇素混凝土。

2015年7月份,0#桥台一侧墙出现一条竖向裂缝,裂缝位于桥台侧墙与前墙交汇处,自上而下由侧墙向前墙斜向分布,裂缝上宽下窄,顶端宽约9 mm,底端宽约0.2 mm,裂缝长约3.7 m。根据监测数据,裂缝存在继续扩宽的趋势。

为了探明桥台病害原因并提出加固方案,采取现场勘查,台身钻孔取芯,查阅竣工及日常养护资料,对病害原因进行了分析,并确定了相应的加固方案。

2 病害调查

2.1 竣工及养护资料查阅

根据竣工资料,出现病害的桥台为一斜交桥台,桥台前墙与两侧墙交角分别为60°,120°,桥梁斜交角α为30°。由于临近国道受地形限制,桥台未设置护坡。台内按设计要求回填了碎石,并分层进行了碾压。

查阅养护资料发现,自开通运营以来,此处桥台顶混凝土面板未进行过板底压浆处置。

2.2 现场勘查

经现场勘查发现,桥台前墙及台帽均完好,仅在桥台锐角端侧墙位置出现斜向裂缝,裂缝下端已接近前墙面,裂缝边缘未发现明显错台。

通过对前墙,侧墙倾斜度进行测量,发现前、侧墙无倾斜。

桥台顶部混凝土路面板有多条长裂缝,宽度在0.3mm左右,已采用压力注浆的方式进行了封闭。桥台顶部伸缩缝工作状态良好,未见明显病害。

2.3 病害原因初步分析

结合病害调查资料,可以初步得出以下结论:

(1)由于从开通运营至今,病害桥台顶部混凝土面板未进行过板底压浆处置,可以排除由于压浆导致桥台开裂的可能。

(2)现场勘查中发现前墙及台帽完好,前墙沉降缝无明显变化,且一般由基础不均匀沉降引起的裂缝是由基础底部向上发展,本病害裂缝从侧墙顶部出现,向下发展,可直接排除由于基础不均匀沉降引起的桥台开裂可能。

(3)病害桥台顶部伸缩缝工作状态良好,未见明显错台,桥台顶部混凝土面板无明显沉降,可以排除由于桥头跳车引起的冲击破坏可能。

(4)U型桥台由于结构封闭,台内易积水,当填土夹杂黏性土时,积水后将降低填土内摩擦角φ值,增大台后填土压力。而U型桥台在前墙和侧墙交汇处存在明显的应力集中现象,土压力增大导致的桥台开裂往往发生在前、侧墙连接位置。由桥台竣工图得知,此桥台没有消减应力集中的构造设计,也未设置台内导、排水系统,存在一定的设计缺陷。现场勘查中发现桥台顶部混凝土面板存在多条较长裂缝,虽已处理,但渗水情况不明,当时正处于广西汛期,降雨量丰富,台内是否存在积水需通过钻孔取芯进一步探明。

(5)根据相关研究文献,斜交U型桥台由于结构的不对称性,桥台钝角角隅处土压力产生的混凝土主拉应力要明显高于锐角位置。而此次病害裂缝出现在斜交桥台锐角位置,钝角位置结构完好。从现场勘查来看,裂缝呈上宽下窄发展,裂缝边缘无明显错台,不符合由台背土压力导致的开裂特征。但桥梁病害的出现往往伴随有特殊性,要明确病害原因需要进一步了解裂缝在混凝土内部的发展情况后再综合分析。

(6)根据斜交桥受力特点,斜交桥支座反力不均衡,梁体钝角角隅处的支座反力要比锐角角隅处的大很多,而本桥中最大的支座反力正好作用于桥台锐角区域,即本桥台发生病害的位置(梁体钝角角隅对应桥台锐角角隅)。由此怀疑本桥台病害与斜交桥支座反力不均衡,在行车荷载作用下导致的桥台剪切破坏有关。

(7)实践证明混凝土开裂病害中,混凝土质量缺陷问题是导致开裂的一个重要原因,需要进一步了解台身混凝土的浇筑质量是否满足要求。

2.4 钻孔取芯

为了探明裂缝在混凝土内部发展情况及台身混凝土浇筑质量,对病害部位台身混凝土进行了钻孔取芯。钻孔位置沿裂缝竖向长度三等分线布置,由桥台前墙钻入,取芯孔径76mm。

其中1-1#、2-1#取芯孔距离侧墙边缘1.2m。1-2#、2-2#取芯孔距离侧墙边缘1.8m。上下两排取芯孔孔距为1m。

表1 取芯结果表

根据取芯结果初步判断:(1)病害裂缝并未贯穿至桥台内部,仅在桥台前墙分布,破裂面到前墙的距离向前墙中部和前墙下部方向呈递减趋势,即整个断裂面在桥台锐角上部呈切削状布置;(2)台身混凝土存在质量缺陷。

为了进一步验证裂缝破裂面在混凝土内部发展形态及探明桥台内部是否存在积水问题,增加了1-3#、1-4#、2-3#验证取芯孔(见取芯孔布置图)。其中1-3#、1-4#孔分别距离桥台侧墙边缘2m和9m,均在台帽下缘处布置。2-3#孔在前墙底部布置,采用加长钻杆,直接钻入桥台内部。

验证取芯孔芯样结果如表2所示。

表2 验证孔取芯结果表

前后两次取芯结果表明:裂缝未贯穿至桥台内部,仅在桥台前墙发展,裂缝破裂面在桥台锐角上部呈切削状分布,符合在竖向荷载作用下剪切破坏特征,同时断裂面混凝土存在骨料缺失,说明混凝土存在质量缺陷,验证了之前关于病害原因的分析。

3 加固方案比选

3.1 方案比选

综上所述,静脉窦血栓的特点是病因复杂,发病形式多种多样,临床表现也没有特异性,诊断困难,容易漏诊。因此临床上对于此病的早于诊断至关重要,DSA检测对患者具有创伤性及一些副作用,而三维磁共振静脉成像则没有DSA的一些限制,在检查患者方面,两者差别不大,在一定程度上可以代替DSA,值得在临床推广使用。

方案一:沿墙身开裂处灌注M20水泥砂浆,同时在梁底搭设贝雷支架,然后在前墙、侧墙外侧浇筑40cm厚的钢筋混凝土墙,与原墙等高,并在前墙、侧墙上打入钢花管并注浆,对墙身进行补强。

方案二:沿墙身开裂处压力灌注环氧树脂加固胶进行封闭,同时从桥台前墙钻孔对裂缝破裂面植筋进行补强。

方案三:对裂缝破裂面混凝土进行植筋,在桥台锐角上部安装型钢格构梁后对穿拉杆锚固,对裂缝进行静压灌注浆封闭,并严格按照植筋→安装格构梁→施拧拉杆→封闭裂缝的施工顺序进行。

3.2 方案确定

方案一,由于本桥桥台宽度达29.98m,台身加强混凝土及钢花管施工工程量较大,造价偏大,严重制约工期,同时钢花管注浆对改善台内土压力效果明显,但对于提高病害部位混凝土抗剪能力,恢复桥台结构的整体性意义不大。

方案二,施工简单,施工周期短,造价低,但裂缝最大宽度已达9mm,长度达3.7m,并且裂缝存在继续扩宽的趋势,通过植筋只能提高病害部位混凝土的抗剪能力,不能有效恢复桥台的整体性。同时环氧树脂灌缝料流动性较差,必须通过较高压力注浆才能保证裂缝破裂面填充密实,但高压注浆在本桥台的加固中存在一定风险。

方案三,通过植筋及设置格构梁对穿预应力拉杆锚固的方式不仅能提高病害部位混凝土的抗剪能力,也可以有效恢复桥台结构的整体性,同时对于消减桥台角隅处的应力集中也有一定的效果,工程量相对较小,施工周期短,可操作性较强。

4 方案实施

4.1 方案设计

加固方案布置如图1所示。

(a)桥台前墙加固布置图

(b)桥台侧墙加固布置图

(c)桥台加固平面布置图

植筋钢筋采用φ25HRB335带肋钢筋,全部由前墙钻入穿过裂缝破裂面,裂缝破裂面两侧钢筋锚固深度≥375mm。植筋孔水平向布置3列,间距250mm,竖向布置10排,间距300mm。植筋完成后对前墙植筋孔进行封闭。

加固型钢格构梁采用槽28B型钢及厚度δ=12mm、宽度为40cm的钢板焊接而成,通过锚栓钢筋与台身混凝土进行固定。格构梁安装完成后,对穿预应力拉杆并施拧。预应力拉杆采用φ32PSB785级精轧螺纹钢筋,共设置6根。拉杆孔直径为50mm,由桥台前墙钻入,穿透侧墙。拉杆施拧完成后,对拉杆孔用HPG无收缩自流密实水泥基高强浇注料全长范围内注浆。为了保证格构梁钢结构的耐久性,同时增大结构刚度,最后在格构梁表面浇筑30cm厚C30钢筋混凝土加包层。

裂缝封闭采用HPG无收缩自流密实水泥基高强浇注料对裂缝进行静压灌注。

4.2 技术要点

(1)施工过程中严格按照施工顺序进行施工,同时选择合理的施工机械,尽可能减少对病害裂缝的扰动,并在施工过程中严密监测裂缝的发展。

(2)裂缝破裂面植筋时必须保证锚固深度,植筋孔成孔后采用空压机吹入压缩空气,反复两到三次,再用毛刷清理孔壁粉尘,最后用丙酮再次将孔壁清理干净。清孔后要及时完成植筋。

(3)精轧螺纹钢拉杆采用长臂扳手拧紧即可,避免预拉力过大对台身混凝土造成二次伤害。

5 加固后效果观测

加固施工于2015-11-28开始,2015-12-13完成最后混凝土浇筑,历时16d。加固完成后按照一周两次的频率进行了加固后效果观测。经过近半年的观测,发现加固后原裂缝未出现继续发展迹象,格构梁结构完好,桥台处于稳定状态。

6 结语

(1)对于桥台裂缝病害,产生原因纷繁复杂,根据裂缝表面形态特征往往难以准确判断。钻孔取芯是判明裂缝发展形态、揭示病害原因的比较直接有效的方法。

(2)对于发生剪切破坏类的桥台,采取植筋并设置型钢格构梁对穿拉杆锚固的方式,施工期间不影响交通通行,施工周期短,施工成本低,加固效果良好。

(3)斜交桥梁由于支座反力不均衡,加之U型桥台角隅处应力集中的问题,桥台结构容易在行车荷载作用下产生剪切破坏,在后续此类桥梁的设计中应该予以重视。

[1]胡昌斌,张 涛,孙晓亮.斜交U型桥台台身病害机理分析及加固设计[J].福州大学学报(自然科学版),2008.7:587-593.

[2]刘建雄,吴美君.竖向开裂U型桥台加固方案探索与应用[J].湖南交通科技,2012.9:96-99.

[3]刘金玺.斜交连续小箱梁静力特性分析[D].西安:长安大学,2013.

Sidewall Cracking Disease Analysis and Reinforcement Design of Skew U-shaped Bridge Abutment

FAN Yi

(Guangxi Wuzhou Cenwu Expressway Co.,Ltd.,Wuzhou,Guangxi,543000)

With an expressway skew bridge in Guangxi Wuzhou as the example,this article analyzed the U-shaped bridge abutment sidewall cracking disease and its causes,proposed the reinforcement design program by using the anchorage gag frame beam across the prestressed anchor rod,and through the reinforcement effect observation in later period,it confirmed that this reinforcement construction achieved the desired effect.

Skew bridge;U-type bridge abutment;Sidewall cracking;Shear failure;Reinforcement design

U445.7+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.013

1673-4874(2016)10-0046-05

2016-09-06

范 毅(1989—),工程师,研究方向:高速公路桥梁养护管理。

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