连续小箱梁桥病因分析与加固措施

郭建东

（河南交通投资集团有限公司三门峡分公司，三门峡 472000）

1 工程概况

某高速公路主线桥梁，于2007年建成通车，桥梁荷载等级为公路Ⅰ级，全长98.36m，桥跨布置为3×30m，桥面净宽2×11.5m，单幅桥横向布置4 片小箱梁。上部承重结构为装配式预应力混凝土连续小箱梁，横隔板设置在墩台位置，跨中无横隔板，预制箱梁、横梁、现浇接头及湿接缝采用50 号混凝土；下部构造采用桩柱式桥墩，埋置式桥台。该桥现场情况如图1 所示。

图1 桥梁现场

2 病害调查与产生机理分析

2.1 病害调查

该桥通车运营12年，由于近几年来交通量剧增、材料劣化等因素综合影响，桥梁使用情况严重低于预期，根据桥梁定期检测情况，桥梁右幅技术状况评分Dr 为39.58分，左幅技术状况评分Dr 为39.38 分，桥梁属于四类桥梁，根据规范相关要求该桥需进行大修或改造，并及时进行交通管制。

根据检测情况，该桥存在的病害如表1 所示。

表1 桥梁病害汇总

根据检测结果，该桥根据病害严重程度可以归类为三类，其一为严重影响桥梁承载能力的病害，如上部结构的主要病害表现为跨中出现大量U 型裂缝和腹板斜裂缝，且裂缝宽度超限；支座损坏严重；桥面铺装大量纵横裂缝以及坑槽等。其二为影响桥梁正常使用性能的病害，如横向裂缝的裂缝和混凝土破损；桥梁护栏的钢筋锈胀；桥梁墩台的混凝土剥落钢筋锈胀等。第三类为病害程度表现较轻，继续发展可能导致桥梁正常使用性能不足的，如桥墩裂缝；伸缩缝附近桥面轻微沉陷；桥墩竖向裂缝。

2.2 病害成因分析

通过查阅历年检测报告，历年桥梁技术状况如表2 所示。2016年桥梁定期检测桥梁技术状况评定为1 类，箱梁完好；2017年和2018年未对该桥进行检测；2019年桥梁定期检测桥梁技术状况评定为3 类，箱梁出现大量U 型裂缝和腹板竖向、斜向裂缝；2020年5月桥梁定期检测桥梁技术状况评定为3 类，箱梁的U 型裂缝较2019年增加较少，腹板竖向、斜向裂缝较2019年增长较快，其中一片箱梁增长100 道裂缝以上，裂缝宽度有所扩大；2020年11月桥梁特殊检测，较2020年5月裂缝增长较少，但裂缝宽度发展较快，除了L2-1 箱梁裂缝宽度最宽0.15mm 外，其余23 片箱梁裂缝宽度均≥0.2mm。

表2 历年桥梁技术状况评定

交通荷载作用是影响桥梁结构产生病害的主要因素之一，为进一步探明2016 至2020年病害发展成因，结合交通量调查数据，分析活载变化情况，历年交通梁统计数据结果如表3 所示。

表3 历年日平均交通量表

根据该桥主要病害表现形式，结合现场检测与交通量结果可基本认定该桥正截面抗弯与斜截面抗剪能力不足，病害成因如下：

①设计新旧规范的差异，现规范30 米箱梁预应力束明显多于小箱梁（见表4），导致设计荷载偏低，随着路段交通量的不断增加，原有桥梁承载力已无法满足现状交通需要。

表4 现状使用桥梁与现行桥梁预应力束对表

对比分析结论：底板：边跨多2 根，中跨多2 根；腹板：边跨多2 根，中跨多6 根；顶板：边跨多11 根，中跨多11根。通过验算也得出极限承载力不足。

②经检测发现该桥为30m 小箱梁，然而跨中并未布置横隔板，导致箱梁横向之间仅通过端横隔梁联系，整体横向联系偏弱，整体刚度偏弱。

③自2016年以来，交通量迅速上升，重车交通量较同比增长较多，导致桥梁长期处于超重荷载作用下运营，会加速桥梁的损坏，导致梁体开裂、支座损坏、桥面铺装坑槽开裂。

根据2014～2020年交通量统计数据，该路段断面交通量持续增长，且保持着较高的增长速度，现状交通量已达到11884 辆/日，折合成小型车辆为21782 辆/日，自2014年起，测日平均交通量如表3 所示。

根据2020年9月各收费站入口处交通流量调查，该路段机动车合计11884 辆/d，折合成标准车当量数为21782 辆/d，各种车型交通量如表5 所示。

表5 2020年9月该路段断面交通量调查结果

根据交通量统计数据可以看出：

①2018～2019年，路段交通量保持了较快增长，2019～2020年交通量增长10.22%。

②路段内通行车辆中整体以中小客车和特大货车为主。从客车和货车的占比来看，货车整体占比较大，达到了40%。

③由此可见，交通量的逐渐增长、交通荷载作用次数逐渐增多，在一定程度上诱发了桥梁病害的产生和发展。

3 抢修加固方案确定

为保证桥梁在抢修加固完成之前桥梁结构的安全，确保车辆运营安全，按照两阶段进行实施。第一阶段为临时措施技术方案：根据《公路桥涵养护技术规范》（JTG H11-2004）中3.5.4 条的规定：桥梁技术状况为4 类时需对桥梁进行大修或者改造，及时进行交通管制，如限载、限速通过，当缺损较严重时应封闭交通。第二阶段为抢修技术方案：制定桥梁抢修技术方案，对桥梁进行抢修加固设计，并经过评审后组织进行实施，实施完成后抢险工程结束。

3.1 抢修临时措施

为避免梁体病害进一步发展，造成不可估量的后果，首先采取临时防护措施加固，保障桥梁抢修加固过程中高速公路的安全运营，主要的措施如下：

①采用梁底支撑系统，防止箱梁发生严重病害时，临时支撑梁体，避免梁体垮塌，确保行车安全，该系统仅承受活载不承受恒载，仅作为桥梁发生紧急情况时的安全储备，支撑系统主要包括地基基础、立柱、横梁等设施，具体参数如下：

地基基础设计：支撑系统的底部可采用钻孔灌注桩、钢管桩或扩大基础，考虑到抢险的时间要求，设计采用条形扩大基础。条形扩大基础数量共18 个，纵桥向宽度为3.2m，宽度为14.74m，厚1.2m，施工时先对地基进行开挖，进行人工夯实，然后铺设级配碎石垫层，绑扎钢筋，浇注C30 混凝土形成条形基础。由于桥下第二跨下方有水沟，在设置临时基础时应清淤回填土方，保障基础的稳定性。

立柱设计：立柱设计采用钢立柱，立柱间采用横撑保持稳定性。钢立柱位置按如下原则：桥梁每跨下方设置两排钢立柱，分别位于梁端8m 处；地基基础、立柱横向和桥梁角度保持一致。

其他：柱顶的分配梁采用工字钢，工字钢上方设置可调节钢垫石和橡胶支座，支座上方设置工字钢横梁，横梁和箱梁底板之间设置1cm 橡胶垫，保证贴合密实。

②修建临时施工便道，确保桥下设置梁底支撑系统后满足桥下车辆通行要求。

③桥面采取限行限载措施，每幅桥面保留行车道，严禁大件运输，避免交通超载引发病害对桥梁的损伤。

④安装桥梁实时监控设备，并带自动报警功能，防止意外发生时各部门响应不及时问题。

3.2 加固技术方案

3.2.1 增大截面法加固

增大截面法是指增大结构截面的面积和结构配筋对桥梁结构进行加固的一种方法。该加固方法对桥梁下部结构有一定要求，即桥梁下部结构能够承受上部结构增加的自重。增大截面法可以有限提高桥梁结构的抗弯和抗剪能力，同时对桥梁结构本身耐久性病害也可以一并进行修复，提高桥梁结构耐久性。

增大截面法的优点是施工方法成熟，可靠性好，可有效提高桥梁结构的抗力，对结构刚度和稳定性也有一定提升。缺点是施工周期较长，增加了结构的自重，同时由于增大截面后结构尺寸增大，对结构建筑限界要求较高。

3.2.2 施加体外预应力加固

体外预应力加固是在桥梁结构构件表面或内部增加一定数量钢束并施加一定初始应力，施加体外预应力后可一定程度抵消结构部分自重应力，对桥梁结构起到一定的卸载能力，从而提高桥梁结构的承载能力。

体外预应力加固方法的优点是对结构恒载有一定程度的卸载，施加体外预应力后，对结构的裂缝有一定抑制作用，使得桥梁结构裂缝宽度减小或闭合，同时可改善桥梁挠度，使得桥梁结构的挠度下降。缺点是体外预应力装置负责，锚固块和转向块不便于设置，同时结构使用一定年限后都伴随有不同程度的预应力损失，由于结构增加预应力装置，对结构建筑限界有一定侵占。

3.2.3 改变结构体系加固

改变结构体系加固是指对原有桥梁受力体系进行改变，如简支结构改变为连续结构后跨中弯矩大大降低，或对跨中增加永久支撑后减小桥梁跨径等，通过对原有结构的改变，起到加固的作用。

改变结构体系加固一般加固效果较好，但对施工要求较高，施工复杂，施工往往需要断行交通，且经济造价一般较高，对桥下净空要求较高。

3.2.4 更换上部结构

更换上部结构是指对已出现结构性病害的主梁进行更换，该加固方法对桥梁病害加固彻底，可达到“一劳永逸”的效果，但该加固方案施工周期长，对已运营道路交通影响大。

因本桥24 片主梁全部出现病害，且主要病害为主梁的结构性病害、发展较快，经检算目前该桥已经不能满足现行规范及车辆通行要求，且梁体病害较为严重加固后承载力、耐久性、时效性、美观性、工期等不易确定，该桥主梁采用加固方案已经不具备加固条件。因此，改造方案采用利用桥梁下部结构，拆除更换原有桥梁上部小箱梁结构。

4 保通运营方案

为保障既有高速公路的正常运营，对原桥梁结构的拆除和更换需要考虑既有道路的保通和运营方案，结合路段实际情况，该项目分阶段进行拆除。

第一阶段：桥南北两侧各设置80 米的转换车道过渡区，其中桥北利用原有中分带预留口，拆除中分带预留口南50 米的中分带护栏，桥南预留100 米的缓冲区，拆除缓冲区以南80 米的中分带护栏，挖除中央分隔带中的植物，并且硬化缓冲区中央分隔带路面。

第二阶段：封闭桥梁上行，在保通区域前设置各种警告标志。封闭区域内设置频闪灯及相应施工标志，压缩硬路肩宽度，按照双向两车道施划临时标线，两车道中间设置新泽西护栏，安排交警、路政人员指挥、协调施工路段的车辆安全通行。对上行桥梁进行施工。

第三阶段：待上行桥梁施工完成后，利用已施工完成上行作为车辆通行道路，封闭桥梁下行，对下行桥梁进行施工。

第四阶段：中桥下行的施工完成后，恢复中桥的交通标志、标线、护栏及附属设施。同时拆除保通交通标志及所属设施，保通工作全部完成，恢复正常通行。

5 实施后效果

2023年对该桥进行定期检测，桥梁总体技术状况评为1 类。如表6 所示，通过数据可见经过2021年的加固维修之后，桥梁右幅SPCI、SBCI、BDCI 指标都有不同程度的增长，由2020年的75.5 增长到2023年的97.18，整体桥梁技术状况效果提升显著。

表6 2016～2023年桥梁各项技术状况评定指标表

6 结论

连续小箱梁桥梁产生裂缝病害原因较多，包括早期设计不完善、施工质量差、运营荷载繁重等，对连续小箱梁进行加固改造时应结合桥梁病害特征确认桥梁病害产生原因，综合对比，确保既有道路运营安全的情况下进行加固改造。