城市独柱式匝道弯桥病害成因分析及加固设计

郝海峰

（西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安市710068）

城市独柱式匝道弯桥病害成因分析及加固设计

郝海峰

（西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安市710068）

针对城市立交匝道桥出现与主线桥伸缩缝高低错台、箱梁腹板底板开裂、独柱墩易倾覆等病害，进行加固技术研究。以某立交匝道桥改造加固项目为例，提出相应的病害成因分析和加固设计措施。

独柱式匝道弯桥；病害分析；加固设计；拉杆结构 ；加劲肋

0 引言

随着我国公路及城市道路建设的蓬勃发展，道路之间转换越来越多，互通和枢纽规模随之增大。曲线桥由于能很好地适应地物限制的需要，目前已经被广泛应用，尤其在立交的匝道设计中运用甚多[1]。

但随着城市的发展，交通量增长迅速，汽车超载严重，国内多起桥梁倾覆事故的发生以及该种结构在长期使用过程中产生的桥梁病害，对已建成的此类桥梁加固改造就显得尤为重要。本文就城市独柱式匝道弯桥在使用中出现的实际病害，对病害产生在原因和改造加固设计进行分析与探讨，为类似工程提供参考。

1 工程概况

海口市某立交A匝道全长匝道桥全长129.3 m，桥梁上部结构为钢筋混凝土现浇箱梁，桥跨布置为18 m+23.5 m+18 m+3×23 m。其中，第一联为等宽度单箱单室钢筋混凝土连续箱梁，桥面宽度为9.0 m；第二联为变宽度单箱单室钢筋混凝土连续箱梁，桥面宽度9.0 m变至5.0 m，桥面横坡通过不等高直腹板调节。下部结构均为独柱墩。边墩、过渡墩为桩接柱接盖梁结构，中墩为桩接柱结构，0#台为一字型轻型桥台。

该匝道桥现浇箱梁均采用单箱单室直腹板箱型截面。第一联箱梁断面中，箱梁顶板宽9.0 m，底板宽5.0 m，中心线处梁高1.3 m，两侧悬挑翼缘宽各2.0 m，悬臂端部厚15 cm，根部厚30 cm；箱梁顶板厚22 cm，底板厚20 cm，直腹板厚（30～50）cm。第二联箱梁断面图中，箱梁顶板宽由9.0 m变至5.0 m，底板宽由5.0 m变至3.0 m，两侧悬挑翼缘宽度各由2.0 m变至1.0 m。箱梁均采用C40混凝土。

该桥于2005年建成通车，设计荷载为汽-超20级，挂-120级。

2 桥梁结构现状

检测单位于2011年11月对A匝道桥全部梁体和墩柱进行了检查。病害情况如下：

（1）上部结构检测结论：与主线连接处伸缩缝错台，最大处达3 cm；箱梁底板横向裂缝分布密集，底板多条横向裂缝与腹板竖向裂缝相连；部分墩墩顶附近腹板有斜向剪切裂缝，翼缘板处有纵、横向裂缝。

（2）下部结构检测结论：支座钢构件锈蚀；支座临时固结未解除。

3 加固前结构验算

按照加固设计的基本原则和设计程序，需要对原结构进行验算。本次计算包括上部结构整体计算和与主线相接处的主梁翼缘板部分进行局部计算两部分。

3.1 第一联上部结构整体计算分析

采用有限元程序MIDAS/Civil进行建模计算，第一联桥跨布置为18 m+23.5 m+18 m，为等宽度单箱单室钢筋混凝土连续箱梁，本联平面位于R=75 m，L=25 m的缓和曲线上，非连续墩采用双点支承支座，支座间距为3 m；连续墩采用单支座的支承型式。计算模型见图1。

图1 第一联整体计算模型简图

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，结合桥梁实际情况，对结构抗力效应进行修正。第一联原结构承载能力极限强度和正常使用状态计算结果见表1、表2。

表1 第一联原结构承载能力极限强度计算表

表2 正常使用状态裂缝宽度计算表

3.2 局部计算分析

采用空间结构分析程序MIDAS FEA对与主线桥相接处的翼缘板进行建模分析，模型中未考虑普通钢筋作用。混凝土采用实体单元，共102 043个实体单元，边界条件和车辆荷载按实际受力状况进行模拟，建模见图2～图4。

图2 箱梁局部计算模型图

图3 车辆荷载作用下位移图

图4 车辆荷载作用下箱梁应力云图

经计算分析，在车辆荷载的作用下，最大的竖向位移为1.4 cm，出现在跨中部位。箱梁端部最大拉应力为2.72 MPa，发生在端部腹板与翼缘板交接处；箱梁跨中最大拉应力为0.59 MPa，发生在跨中翼缘板下缘处。原桥结构验算结果如下：

（1）现状结构箱梁跨中和支点截面的抗弯承载能力为11 851.7 kN·m和14 161.3 kN·m，满足规范要求，支点截面抗剪承载力为5 075.3 kN·m，满足规范要求。

（2）现状结构箱梁正常使用状态下裂缝宽度满足规范允许值，但第二联跨中部位的最大裂缝跨度达0.198 mm，已接近规范允许的极限值。

（3）局部计算分析表明：与主线相接处的翼缘板，在车辆荷载作用下，跨中产生的最大竖向位移为1.4 cm。箱梁端部最大拉应力为2.72 MPa，发生在端部腹板与翼缘板交接处；箱梁跨中最大拉应力为0.59 MPa，发生在跨中翼缘板下缘处。同比主线桥与本桥相接处产生高差约3.0 cm的错台，病害与局部计算结果一致。

4 产生病害主要原因

根据桥梁病害情况并结合原结构计算，对桥梁病害产生原因进行分析，认为匝道桥原有结构存在以下主要问题：

4.1 箱梁底板横向裂缝

箱梁底板横向裂缝由跨中向桥跨两端由密到疏较为均匀分布，部分裂缝延伸至箱梁腹板。该裂缝是由于底板下缘受拉区正应力过大导致。桥梁跨中部分正弯矩较大，加之混凝土早期强度过低、养护不当等综合因素引起底板下缘受拉区正应力过大。荷载试验表明裂缝在荷载作用下应变明显，并有扩展趋势，属于结构性裂缝。

4.2 腹板斜向裂缝

在墩台支点至反弯点间梁段有少量斜裂缝，此类裂缝属于剪切裂缝。该裂缝一般是由于主拉应力过大导致。此类裂缝往往预示着结构的斜截面承载能力不足，存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险，应引起足够的重视。

4.3 伸缩缝高低错台

匝道桥与主线桥相接的伸缩缝处有高低错台现象，主要表现为匝道桥侧桥面低，主线桥侧桥面高，且在伸缩缝的中部位置错台现象最明显，错台达3.0 cm。该病害是由于匝道桥箱梁翼缘刚度不足，在车辆荷载作用下，翼缘端部出现下挠。且伸缩缝中部处车流相对密集，导致伸缩缝中部较两侧错台明显。

4.4 腹板纵向裂缝

该裂缝发生在翼缘板与腹板交界处下方5 cm左右位置。箱梁横向弯曲空间效应与内外温差效应使腹板内侧或外侧产生较大的竖向应力，进而引起箱梁腹板纵向开裂，这是腹板纵向裂缝产生的可能原因之一。也可能是在施工过程中箱梁分两次浇筑，裂缝为施工工艺导致。

5 加固设计要点

参照该桥检测报告，结合现场实地考察，以及对该桥进行的结构计算，形成如下设计要点：

5.1 针对底板横向裂缝的加固设计

箱梁底板横向裂缝较为均匀密集，荷载作用下有扩展趋势，属于结构性裂缝。对裂缝宽度不小于0.15 mm的采用压浆法进行修补；对裂缝宽度小于0.15 mm的裂缝采用封闭法进行修补；箱梁底板按横向间隔200 mm粘贴宽180 mm，厚6 mm的Q235钢板。

5.2 针对腹板斜向裂缝的加固设计

在墩台支撑点至反弯点间梁段出现剪切裂缝，其加固设计要点为：对裂缝宽度不小于0.15 mm的采用压浆法进行修补；对裂缝宽度小于0.15 mm的裂缝采用封闭法进行修补；箱梁腹板沿垂直于裂缝发展方向，粘贴3道6 mm厚Q235钢板，钢板宽度180 mm，间距200 mm。

5.3 针对伸缩缝高低错台的加固设计

伸缩缝高低错台，匝道桥侧桥面较主线桥侧桥面低，中部较两侧明显。加固设计要点为：在伸缩缝26m长度范围内，增设9道宽40 cm的横肋板。更换原伸缩缝装置，采用沥青混凝土桥面铺装层，调整主线桥与匝道桥之间的高差。

5.4 针对小半径曲线匝道桥防倾覆加固设计

对于有盖梁的桥墩、桥台（0#台、3#墩、5#墩），采用在盖梁侧面与箱梁底面增设拉杆结构；对于无盖梁的独柱墩（1#墩、2#墩、4#墩、6#墩），采用对墩柱增设钢套箍，在钢套箍与箱梁底面增设拉杆结构。对于有盖梁的桥墩，增设拉杆结构见图5。

图5 有盖梁独柱墩拉杆结构设计

通过以上加固措施，主要达到以下加固设计目标：

（1）提高箱梁底板的抗弯承载能力，抑制裂缝的扩展；

（2）加强腹板截面抗剪承载能力，抑制裂缝的扩展；

（3）处治伸缩缝高低错台病害，增强行车舒适性；提高匝道桥箱梁翼缘板的整体刚度；

（4）增设拉杆结构，防止在超载车辆、偏载作用时，匝道桥发生横向倾覆现象；

（5）处治桥梁其他病害，改善桥梁使用性能。

6 加固效果计算分析

6.1 底板粘贴钢板加固后计算分析

以第一联为例进行计算。在梁底粘贴钢板规格为宽180 mm，厚6 mm，其中跨径18 m的箱梁底板粘贴8条，跨径23.5 m的箱梁底板粘贴12条，计算结构见表3。

表3 加固前后结构抗弯承载能力极限强度计算表

6.2 增设横向肋构造局部分析计算

采用对与主线桥相接处的翼缘板下缘增设横向肋的方法进行箱梁横向整体加强。对加肋后箱梁翼缘板的应力和位移情况进行建模计算分析。采用混凝土实体单元，模型中未考虑普通钢筋，共计103 152个实体单元，具体计算模型及结果见图6～图8。

图6 箱梁局部计算模型图

图7 增设横肋后车辆作用下位移图

图8 增设横向肋后箱梁应力云图

经建模计算分析，增设横向肋后，箱梁翼缘板最大竖向位移为0.4 mm，较加固前竖向位移大幅降低。箱梁端部最大拉应力为0.93 MPa，发生在端部腹板与翼缘板交接处；箱梁跨中最大拉应力为0.38 MPa，发生在跨中翼缘板上缘处。考虑普通钢筋的作用，增设横向肋后，箱梁受力满足规范要求。

7 工程应用

该加固方案与2013年下半年予以实施，加固完成后，桥梁正常运营至今，各项病害没有再进一步恶化，结构各项技术指标均在可控范围之内，取得了良好的经济社会效益。加固后桥梁现场照片见图9～图11。

图9 有盖梁独柱墩增设拉杆

图10 无盖梁独柱墩增设拉杆

图11 翼缘板下缘增设横向肋

8 结语

针对目前城市立交独柱式匝道桥普遍病害，通过对实际桥梁病害的现状分析与评价，提出切实可行的加固方案。通过对本桥的加固，得到以下结论：通过增加横向加劲肋有效的提高了匝道桥箱梁翼缘板的整体刚度；增设拉杆结构，有效的防止了在超载车辆、偏载作用时，匝道桥发生横向倾覆的现象。根据不同的病害，从根本上寻找其病因，以一个医者心态，慎重对待每一座病害桥梁，找准症结，对症下药，根除症结，给每一座可加固的危病桥梁延年益寿，是桥梁加固设计的基本思路。本文提供的加固实例，对解决类似工程的问题具有一定参考价值。

[1]黄龙田,李载宁.某独柱式匝道弯桥病害分析和加固改造[J].城市道桥与防洪,2011(2):60-63.

U445.7+1

B

1009-7716（2017）03-0127-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.035

2016-12-05

郝海峰（1985-），男，陕西榆林人，工程师，从事桥梁设计工作。