梁式桥梁下部结构病害分析

苏永刚

（上海同丰工程咨询有限公司，上海市200444）

0 引言

桥梁下部结构支撑上部结构所有构件并将上部结构传来的荷载及本身所受作用传递至基础，一般分为桥台、桥墩及基础等部件。桥梁下部结构往往受力复杂，既与上部结构型式有关，又与桥位处地质情况密切相关。下部结构常见病害有盖梁开裂、立柱开裂、基础不均匀沉降、基础冲刷及表观耐久性病害（混凝土开裂、破损，钢筋锈胀）[1]。本文主要结合两座现状桥梁不同成因的下部结构病害进行分析，并提出相应的处治措施。

1 某匝道桥立柱裂缝病害分析

1.1 桥梁概况

某匝道桥第1、2联过渡墩（5#墩）出现结构性受力病害。第1、2联为钢筋混凝土连续箱梁，跨径组合为（5×25）m+（24+31+27+25）m。第 1、2联桥梁平面位于圆弧段，圆弧半径约为250 m。桥梁高1.6 m，宽8.0 m，桥宽布置为：0.5 m（防撞护栏）+7.0 m（车行道）+0.5 m（防撞护栏）。第1、2联桥墩采用钢筋混凝土单柱式桥墩，墩柱直径均为1 500 mm，过渡墩盖梁高为1.0～1.2 m。

桥台及5#过渡墩处设置双支座，其他墩处设置单支座。支座均采用盆式橡胶支座，支座约束方向设有卡槽。5#桥墩盖梁上方设有4个支座：第1联方向（第5跨）内圈侧（桥梁平面圆弧内侧，下同）设有1个多向活动支座，外圈侧设有1个纵向活动支座；第2联方向（第6跨）内圈侧设有1个多向活动支座，外圈侧设有1个横向活动支座（该支座设置不合理，应设为纵向活动支座）。

桥梁设计荷载：汽车-超20级、挂车-120。该桥修建于1998年，2017年前经过多次全面检查，本次重点关注的下部结构病害为2017年新增病害。

1.2 桥梁下部结构关键病害（2017年新增）

该匝道桥5#桥墩立柱内圈侧表面存在20条半环向裂缝，最大裂缝长度为2.0 m，最大裂缝宽度为0.28 mm（位于立柱顶端），典型照片见图1，为2017年新增病害。检查桥面发现第5跨箱梁和第6跨箱梁在5#桥墩伸缩缝处存在约3 cm的错位（第5跨箱梁位于外侧面）（见图2）。纵向活动支座目前橡胶条已明显挤压变形，立柱垂直度测量结果显示5#墩2 m高度内水平偏差内外侧分别为10 mm、20 mm（规范容许值6 mm），其他墩水平偏差正常，表明5#墩已受弯变形。

图1 5#桥墩立柱内圈侧表面半环向裂缝

1.3 病害分析

第1、2联弯箱梁均只在端部设两个支座（抗扭支座），其他墩均设单个支座。第1、2联扭跨跨径（抗扭支座曲线距离）分别为125 m、107 m。扭跨跨径较大再加上该桥弯曲半径较大（弯扭耦合相对较小），导致恒、活载作用下梁端传递给抗扭支座的扭矩较大。该扭矩通过横向两个支座的不均匀反力传递给盖梁及桥墩，使得5#墩横桥向弯矩较大。

图2 第5跨箱梁和第6跨箱梁错位3 cm

第5跨箱梁（第1联）和第6跨箱梁（第2联）在5#桥墩处存在约3 cm的水平错位。结合前述第5、6跨在5#墩处支座布置形式，可判断第5跨箱梁梁端与盖梁均相对第6跨梁端发生外侧方向约3 cm的位移。结合5#墩向外侧的水平偏移量，可初步判断第6跨梁端绝对位移较小，第5跨箱梁梁端与盖梁存在向外方向绝对位移。

第5跨箱梁梁端与盖梁位移及5#墩内侧开裂存在两种解释和可能性：第一种是平面曲线箱梁升温向外爬移，支座凸块与卡槽在外侧接触后产生横桥向约束使桥墩受弯开裂（见图3）；第二种是桥墩受梁传递下来的横桥向弯矩开裂，桥墩及盖梁产生向外侧位移，支座凸块与卡槽应在内侧接触后横桥向约束使第5跨箱梁梁端外移。5#墩身最大裂缝宽度出现在上部近盖梁处，裂缝竖向间距从上到下存在由密变疏趋势，若病害机理为第一种则裂缝最严重部位应出现在墩身底部。结合现场水平限位支座卡槽约束状态，可判断上述病害为第二种原因所致，而不是更常见的弯桥平面爬移所引起的。

图3 水平限位支座卡槽约束状态示意图

5#桥墩目前裂缝宽度尚未超过《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）规定的墩身处于干旱环境中裂缝宽度限值0.40 mm，裂缝长度亦未超过墩身截面的一半。但由于该病害为一年内新增且裂缝较多，目前立柱已受弯变形，不排除该病害有进一步恶化的可能，甚至会降低立柱的承载能力，影响桥梁安全，建议及时封闭裂缝，加固后加强监测。

2 某桥桩柱式桥墩半环向开裂病害分析

2.1 桥梁概况

某桥南端引桥下部结构（12#墩）出现结构性受力病害。该引桥为5跨简支变连续预应力混凝土小箱梁桥，跨径组合为5×25.0 m。该桥横桥向由左右两幅桥组成，呈对称分布。引桥每幅桥由4榀小箱梁组成，梁高1.4 m，桥面总宽为23.0 m。

下部结构采用轻型桥台和桩柱式桥墩，每幅桥桥墩由2根直径均为1.3 m的圆形截面立柱组成，立柱基础均设1根直径为1.5 m的钻孔灌注桩。出现病害的12#墩为南端引桥桥台（14#台）从南向北数的第2个桥墩。

该桥建成于2008年，设计荷载等级为公路-Ⅰ级，现两端桥头均设有总重55 t，轴重14 t的限载标志牌。本次研究病害为2017年发现，因无其他资料无法推断病害出现时间。

2.2 桥梁下部结构关键病害

检查发现左幅桥12-2#（东幅桥西侧）桩基北侧分布有多条半环向裂缝，最大裂缝宽度为1.0 mm，钻芯深度20 cm仍有裂缝存在（见图4），同时检查发现桥墩立柱系梁顶面分布有多条横向裂缝，裂缝延伸至系梁南北两侧面（见图5、图6）。另外还发现左幅桥12-1#桩基及右幅桥12-2#桩基北侧面均分布有半环向裂缝，最大裂缝宽度为0.14 mm；左幅桥12-1#、12-2#桩基及右幅桥12-1#桩基均局部混凝土破损，钢筋外露锈蚀，面积合计为10.6 m2。

图4 左幅桥12-2#桥墩桩基北侧面半环向裂缝

2.3 病害分析

左幅桥12-2#桥墩桩基裂缝走向与螺旋箍筋走向不一致，且深度超过箍筋保护层厚度，可排除为箍筋锈胀引起。现场检查发现左幅桥12-2#桩基南侧面与洋塘西路砌石挡墙混凝土基础重叠，平面重叠深度为200 mm。将竣工图与实际情况进行比对发现，后期施工的左幅桥12-2#桥墩桩基桩位与先期施工完的路基挡墙混凝土基础平面上出现重叠，挡墙混凝土基础与12-2#桥墩桩基有明显人工凿除痕迹（见图7）。由此可推断12-2#桥墩桩基混凝土浇筑过程中势必与挡墙混凝土基础连接为一体，侧向土压力通过挡土墙基础传递至左幅桥12-2#桥墩桩基，致使桩基承受过大水平力而导致北侧面受拉出现半环向裂缝，同时桥墩系梁受弯扭出现横、斜向裂缝。未与路基挡土墙直接接触的12#桥墩其他桩基未出现类似左幅桥12-2#桩基的裂缝，也间接说明12-2#桥墩桩基半环向开裂与路基挡土墙混凝土基础连接为一体有直接关系。

图5 左幅桥12#桥墩系梁裂缝

图6 左幅桥12-2#桩基及桥墩系梁裂缝位置分布示意图

对此病害应及时进行专项维修加固，首先设法将左幅桥12-2#桥墩桩基与路基挡墙混凝土基础彻底分离，使两者之间保持足够距离（至少50 mm），以卸除导致桩基开裂的外力，然后对12-2#桥墩立柱和该桥墩两立柱之间的系梁进行加固。如不及时进行处理，预见12-2#桥墩立柱裂缝将缓慢继续发展，并将会有新增裂缝产生，将来发展严重会危及该桥墩安全。加固前，应对桩基裂缝及桩基挡墙的变形进行密切监控，以掌控病害的发展情况，如遇异常，应立即封闭左幅桥。

图7 左幅桥12-2#桩基与挡墙混凝土基础叠合示意图

左幅桥12-1#桩基及右幅桥12-2#桩基北侧面半环向裂缝，经现场确认裂缝均对应桩基箍筋处且深度较浅。将该病害与左幅桥12-1#、12-2#桩基及右幅桥112-1#桩基局部混凝土破损、钢筋外露锈蚀病害结合分析，可判断该病害为箍筋混凝土保护层厚度局部偏薄，在外界环境的长期侵蚀作用下，混凝土较早碳化，导致钢筋锈蚀膨胀产生裂缝，建议凿除裂缝处表面疏松混凝土，对钢筋进行除锈，待表面清洗干净后，用专用修补砂浆进行修补[2]。

3 结论

（1）对多跨连续弯桥，若中支点采用单支座，边支点采用双支座，设计时不仅需要关注桥梁抗倾覆，而且对下部结构受力需采用空间计算模型以考虑上部结构对下部产生的偏心弯矩。在曲率半径较大时不宜设计中间独柱墩的多跨连续梁，尤其是在较宽的直桥上不应设置多跨中间独柱墩[3]。

（2）桥梁施工和使用过程中需注意避免产生设计桥墩柱时没考虑的水平力，较常见于挡墙与桥墩台接触，使得挡墙一段长度的土压力均由桥墩台承受，且该力作用位置靠近地表附近使其受力更不利。

（3）桥梁病害形成原因有多种，判断时需结合各部位病害小心确认，只有病害原因判断准确才可能选择正确合理的维修加固措施。

[1]金辉.公路桥梁典型病害诊断与处治图解手册 [M].北京：人民交通出版社，2015.

[2]王水龙.桥梁病害 [M].上海：上海大学出版社，2015.

[3]范立础.桥梁工程（上册）[M].北京：人民交通出版社，2003.