某互通匝道桥病害原因分析及加固措施

朱自明

(深圳市市政设计研究院有限公司 广东深圳 518029)

0 引言

与直线桥梁相比，弯桥对地形、地貌的适应性更强，但在弯桥的固有曲率影响下，基于荷载作用将产生弯矩耦合。弯桥在桥梁的内力、变形计算上相较直桥计算更为复杂。在实际工程中已建成的弯桥出现了如主梁侧翻、支座脱空、梁体裂缝、桥墩裂缝、桥台裂缝等病害问题，严重影响桥梁的正常工作。若不及时对相关病害进行加固与维修，则可能导致安全事故产生，造成巨大的经济损失。故，对弯桥病害相应的加固与维修的研究工作十分必要。本文就某互通匝道弯桥存在的病害进行分析，并介绍其加固措施。

1 工程概况

某互通匝道桥位于半径为55m弯道内，纵坡为3.281%。该桥上部结构为 18m+4×20m+18.0m现浇预应力混凝土连续空心板梁，下部结构中桥墩为柱式墩(单柱或双柱)、钻孔灌注桩基础；桥台为肋式台、钻孔灌注桩基础，桥梁全长119.0m。该匝道桥的横断面为8.0m(行车道)+2×0.5m(防撞护栏)，桥梁采用球型支座，支座布设情况如图1所示。

图1 桥梁支座布置示意图

1.1 病害情况介绍

该匝道桥梁体的裂缝，主要包括底板纵向、斜向裂缝，腹板竖向和斜向裂缝。检查发现，纵向裂缝31条，总长85.8m，主要分布在第2-6跨空心板梁梁底；斜向裂缝 25 条，总长 18.1m，主要分布在第1跨空心板梁底；竖向裂缝1条，总长1m，主要分布在第3跨距3号墩8.5m处空心板梁左侧腹板。板底裂缝如图2(a)所示。第6跨腹板发现1条斜向裂缝，缝长0.5m。第6跨腹板斜裂缝如图2(b)所示。

观察墩身竖直度发现，墩身顺桥向偏移量最大的是6-1 号墩身，竖直度为0.22 %。墩身横桥向偏移量最大的是 4 号墩，竖直度为 0.27%，其墩身横桥向和顺桥向竖直度均满足规范值0.3%；支座有横向滑移现象，除 3 号墩上固定支座外，其它支座都有横向滑移现象，滑移最严重的为 6 号墩上支座，滑移量达 7.0cm，且支座滑移量不断增加；伸缩缝处 0 号台上的 2 号支座(内侧)和 6 号墩上 2 号支座(内侧)出现脱空现象，伸缩缝出现上下错位现象。支座主要病害照片如图3所示。

(a)板底裂缝(b)第6跨腹板裂缝图2 空心板裂缝照片

图3 支座病害照片

该匝道桥抽检的梁体和墩柱的实测混凝土强度都能满足设计强度要求，仅发现第 3 跨腹板不能满足设计强度要求，主要原因是该腹板在施工浇筑过程中质量控制不好，导致在浇筑过后于腹板表面重新粉刷了一层水泥浆。此次检查四跨中抽检底板厚度不满足要求的6个，占总数的50%。其中不满足的都为底板厚度偏薄。

1.2 病害原因分析

根据文献[1]中曲率半径对弯桥“弯扭耦合”效应影响的参数分析可知，本文分析的匝道弯桥曲率半径R=55m，小于90m，“弯扭耦合”效应对支座反力的影响显著，因此，采用MIDAS(2011)软件计算支座反力。桥梁现状各支座最小支反力情况如下：1#、2#、4#、5#支座处最小支反力相差不大，均为3100kN左右，而0#、3#、6#处的内外侧支座两者间反力相差较大，3#支座处最为明显，两支座间的反力相差近1200kN。

桥梁现状各支座最大支反力情况如下：1#、2#、4#、5#支座处最大支反力相差不大，均为4100kN左右，而0#、3#、6#处的内外侧支座两者间反力相差较大，3#支座处最为明显，两支座间的反力相差近1000kN。

根据MIDAS(2011)计算结果，双支座布置的3个墩台中3#、6#墩曲线内侧支座均出现负反力，即出现支座脱空现象。通过对结构的验算可知，目前此匝道弯梁内侧支座脱空的主要原因，是空间预应力索、非均匀温差、徐变等因素的弯扭耦合作用引起的翘曲[2]。

梁体裂缝复查得到裂缝修补后并无继续延伸现象。桥梁实测混凝土强度基本满足设计强度要求，仅第 3 跨腹板不足。混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有一定的不利影响，主要是底板保护层厚度偏薄。梁底底板厚度检查不合格率占总数50%。均为底板偏薄。墩身周围无外界荷载影响，且墩身竖直度均满足规范值。

由此可见，该匝道桥最大的病害是梁体整体跑位，特别是出现伸缩缝处 0号台上的 2 号支座和 6 号墩上 2 号支座出现脱空现象，导致梁体的受力情况整体发生改变；同时，由于支座滑移量在继续发展，因此需对桥梁跑位现象采取维修加固处理。出现这种现象的原因主要有以下两点：

(1)弯桥建成后主要受“弯、扭”耦合效应，弯梁截面内将产生较大的扭矩。梁腹部在弯矩剪应力和扭矩剪应力作用下会出现外梁超载、内梁卸载的现象。由于弯梁的特性，恒载会产生向外侧翻转的扭矩[3]。同时，由于内外梁跨径的不同，将导致内外梁受力不均[4]。

(2)弯桥在弯扭作用下将产生较大的扭转变形，主梁内侧竖向挠度小于外侧；在梁体端部截面上或将出现翘曲现象[5]。

2 加固措施

2.1 加固方案

根据以上分析，提出该匝道桥的加固方案为： 0#台处内侧腹板设置拉杆、6#墩曲线外侧支座外移1.025m、桥面原左侧行车道、右侧紧急停车带改成右侧行车、左侧紧急停车带。

首先，对0#台设置拉杆、6#墩内侧支座调整、行车道右侧行走的加固措施是否可行进行分析计算，并与原桥进行对比。0#台未设拉杆时，按原行车方式组合最小反力为-71.2kN，会出现支座脱空的情况，改为右侧行车后组合最小反力为244.4kN，不再出现支座最小反力为拉力的情况，可见改变行车方式可以有效解决原行车方式所产生的支座脱空的问题[6]。0#台设置拉力为400kN的拉杆后，按原行车方式所产生的组合最小反力为250.3kN，支座不再出现脱空现象。在设置拉杆的基础上将行车方式改为右侧行车，组合最小反力为565.9kN，有效改善了0#台的性能。3#、6#墩按原行车方式组合时，均会出现支座脱空现象，其中，3#墩组合最小反力为-274.2kN，6#墩组合最小反力为-342.0kn，支座最小反力均为拉力。将行车方式改为右侧行车后，对应支座的组合最小反力均未出现拉力，其中，3#墩为231.8kN，6#墩为59kN。对6#墩采用加固措施后，其组合最小反力有明显提升，按原行车方式为120.2kN，按右侧行车为447.0kN，效果明显。

弯桥成桥后引起曲线内侧支座脱空的主要因素是，梁截面竖向梯度升温和汽车偏载；横向不同支座间距这两个因素影响的作用也不同[7]；如6#墩加固前后支座间距分别为3.25m和4.275m，截面竖向梯度升温对内侧支座产生的支反力分别为-203kN 和-121kN，按原行车道行驶，汽车偏载对内侧支座产生的支反力分别为-483kN 和-345.8kN。将行车道改至右侧(汽车在本桥的曲线内侧行驶)、左侧改成紧急停车带，汽车偏载引起曲线内侧支座负反力大大减少，如0#台由-375.2kN 减少到-59.6kN，3#墩由-627.2kN减少到-121.2kN，6#墩加固后由-345.8kN减少到-19kN。

2.2 施工工艺

施工时，先拆除桥面铺装、护栏、空心板砼，接着开始植筋，对新旧混凝土交界面凿毛，然后浇筑空心板混凝土、桥面铺装、护栏。之后，分别建立顶升平台、搭设空心板顶升支架、安装临时支撑设施；顶升 6#过渡墩主线桥，顶升高度不得大于 5mm，按设计要求拆除 6#墩顶混凝土，施工盖梁；落梁后，再对空心板上部结构裂缝进行处理。

2.2.1混凝土植筋工艺要点

用钢筋探测仪检查植筋部位的原混凝土钢筋位置，以确定钻孔位置。接着，按规定的钻孔直径垂直于植筋结构平面钻孔，标尺设定为成孔深度。若遇到钢筋时，必须清孔。清孔后，清扫并用气筒吹出孔内灰渣，直至孔内清洁干燥为止，再将注胶混合管插入孔底，从孔底向外注入粘结剂，注满孔洞的2/3，保证植筋后饱满。

最后，将准备好的钢筋旋转着缓慢插入孔底，按照固化时间表规定时间进行安装，使锚固剂能均匀地附着在钢筋的表面及缝隙中，待其固化后再进行绑扎钢筋及其它各项工作。

2.2.2新老混凝土结合面施工要点

为了使老混凝土表面的粗、细骨料都外露，形成凸凹不平的表面，确保新老混凝土表面的处理质量，进行新、老混凝土表面处理施工时，采用高压水射法、电动钢丝刷或人工凿毛法。但对于采用人工凿毛法处理新老混凝土表面时，必须严格控制处理质量。

旧混凝土的凿除界面，全部露出本体混凝土(即去除硬化的表面层)，粗骨料要求露出 50%，同时表面凸凹不平度不小于 6mm。

在结合面混凝土浇筑施工前，结合面至少不间断地浇水 3h～6 h，然后盖上湿麻袋，直至老混凝土及粘结面上无明水，保湿 12h～24h，再浇筑新混凝土。

2.2.3空心板临时顶升施工工艺要点

顶升主梁时，精心施工，要求每个千斤顶的顶升速度均匀，同步提升主梁。顶升时，在空心板横梁处底面与千斤顶间设置钢梁，并在临时支撑上用钢板填充顶升间隙，随顶随垫，以防止千斤顶因意外事故突然失灵而造成事故。顶升到位后，进行临时支垫，支垫要求牢固可靠，支垫过程不可放松千斤顶。支垫完成取出旧支座后，在安放新支座前，先将支座位置定位，以确保支座位置准确。支座上钢板与支座垫平块之间采用粘钢胶粘结固定，安放支座，对支座钢板涂防锈漆防护。支座安放完毕，先将梁底临时支撑解除，然后按起顶的逆顺序下落梁体就位。

2.2.4裂缝封闭灌浆工艺要点

对于裂缝宽度<0.15mm的裂缝，采用聚合物水泥表面封闭法(聚合物水泥是在加固专用的改性环氧浆液配出后加入50g 525#水泥搅拌均匀而成)，封闭后要考虑梁体表面的美观[8]。

对于裂缝宽度>0.15mm的裂缝，采用灌注混凝土裂缝修补胶液封闭裂缝法，将裂缝修补胶浆液压注入结构物内部裂缝中去，以达到封闭裂缝、恢复并提高结构耐久性和抗渗性的目的，使混凝土构件恢复整体性。

3 结语

以某互通匝道桥的病害为工程背景，首先对其病害进行详细调查，分析表明该桥出现病害主要是由于原设计的桥梁总体布置不够合理，在此基础上提出改变行车道位置并增设拉杆等关键加固措施，并对加固的施工工艺进行详细介绍。

通过理论分析可得到如下结论：弯桥温度变形较大，对支座的适应变形要求高，设计中应选择合理的支撑体系；通过预设偏心、增大支座横向距离等措施，可以减少内外侧支撑反力之差；针对弯桥向外侧偏移的特点，在设计过程中应考虑采取措施，如改变行车道流向予以改善等。此桥经修复后运行状况良好，可对今后类似的桥梁加固工程具有一定的参考价值。