某国道公路桥梁病害成因分析及加固研究

摘要：桥梁服役过程中会出现裂缝、渗水等不同病害，严重影响桥梁的安全运营，因此对病害进行准确检测及合理加固十分必要。以国道205线桥梁工程为研究对象，通过无损检测技术、静动载试验进行病害专项检查。基于检测结果，对病害进行分类并分析不同病害的成因，针对性提出相应的加固方案，并结合有限元软件对加固后的桥梁进行极限承载力验算，从而评估加固后桥梁的安全性。

关键词：桥梁工程；裂缝成因；有限元分析；加固方案

0" "引言

桥梁长时间的暴露在自然环境下，历经风雨等自然因素，往往会产生裂缝、渗水等病害[1-2]。近年来，桥梁病害的问题已逐渐成为土木工程的热点之一，不少学者通过各种手段对此开展了一系列的研究。胥广耀[3]以桥梁工程为例，分析混凝土箱梁裂缝出现的原因，提出了灌浆处理技术。司玉金[4]针对公路桥梁施工中的混凝土裂缝成因开展了研究，并从混凝土材料方面提出了裂缝防治措施。尹秋实[5]分析了道路桥梁设计环节存在裂缝病害问题，探讨了道路桥梁项目设计与施工中避免裂缝发生的措施。李洋[6]结合实践经验，总结了公路桥梁施工中的裂缝成因，并提出了相应的防治对策。

本文以国道205线桥梁工程为研究对象，通过无损检测技术、静动载试验进行病害专项检查。基于检测结果，对病害进行分类并分析不同病害的成因，针对性提出相应的加固方案，并结合有限元软件对加固后的桥梁进行极限承载力验算。

1" "工程概况

国道205线北岸二桥位于南平市延平区，全桥长54.1m，桥面总宽10.3m，桥梁起点桩号为K2148+220.950，桥梁终点桩号为K2148+275.050，桥梁上部结构采用圬工板拱结构，为上承式实腹式拱桥结构。桥台采用U型桥台。设计荷载等级为汽-20，挂-100。

2" "桥梁病害成因及处置措施

对该桥进行桥梁技术状况检查、静动载试验。检测结果表明，桥梁存在多出纵横向裂缝、坑槽、漏筋等病害。根据水底探摸资料显示，三明侧桥台存在砌缝脱落、淘空及裂缝现象，南平侧桥台检查情况良好。经评定，本桥技术状况评定为四类桥梁，其承载能力满足公路-Ⅱ级荷载等级通行要求。

2.1" "桥面系

2.1.1" "病害状况

本桥桥面出现坑槽、孔洞、裂纹病害，桥面铺装出现3条明显纵向裂缝，长度分别为5m、2m、1.5m，缝宽分别约为0.15mm、0.15mm、0.17mm。桥面2处坑槽，面积分别为90cm2、360cm2。

该桥防撞护栏有部分缺损、裂缝和多处漏筋情况。上游侧护栏破损，破损面积分别为45cm2、15cm2。下游侧护栏贯穿性裂缝共5处护栏贯穿性裂缝，长度为竖向贯穿整个护栏，宽度分别约为1.5mm、2.5mm、1mm、2mm、1mm。桥面系病害实物图如图1所示。

2.1.2" "病害成因及处置措施

分析认为，桥面铺装纵向裂缝主要与主拱圈的不均匀变形有关，桥面铺装坑槽主要与重载交通的冲击有关。针对于此制定拟处理方案如下：拆除桥面破损部分板块进行重建；对护栏露筋、裂缝等进行处理；更换现有桥面泄水管，加长处理以利于桥面水排除。

2.2" "上部结构

2.2.1" "病害状况

本桥上部承重构件为石板拱主拱圈。经检查，主拱圈存在多处裂缝，拱顶整体有轻微下挠。主拱圈存在2条纵向裂缝，长度分别约为5m、4m，缝宽约为3cm。拱脚起拱处存在1条斜向裂缝，长度为8m，缝宽3～8cm。该桥拱上结构基本完好，局部地方有渗水现象。上部结构病害实物图如图2所示。

2.2.2" "病害成因

分析认为，拱圈出现裂缝现象主要与基础的不均匀沉降变形以及重载交通有关，渗水主要与桥面排水不畅有关。

2.3" "下部结构

2.3.1" "病害状况

本桥常水位位于主拱圈拱脚以上，现场无法观察桥梁下部状况。江苏神龙海洋工程有限公司所提供水底探摸资料显示：三明侧桥台中间位置水下5.3m处，存在多条不规则石头砌缝脱落现象；在桥台中间稍偏山体位置水下5.3m处，存在一处淘空，尺寸为85cm×35cm×5cm。

桥台距离山体2m处存在一条竖缝，从水上2m处延伸至水下2m。下部结构病害实物图如图3所示。

2.3.2" "病害成因

分析认为，砌缝脱落、掏空主要与长期流水冲刷作用有关。竖向裂缝为拱脚裂缝延伸，主要成因与拱圈裂缝类似。

3" "设计方案比选

本次设计针对本桥病害情况，共提出两个设计方案，并对方案进行比选。方案一如表1所示。方案二如表2所示。

本次设计所提两个方案，方案一虽然造价略高，但相对施工简便，施工质量较好控制，且工期短，故将其作为施工方案。

4" "加固设计要点

4.1" "部分桥面铺装拆除重建

本设计拟对南平台侧桥台末端位置左右两侧分别拆除17.5m、14.0m长桥面。新建桥面铺装厚度暂按20cm计，待旧桥面挖除后按现场实际情况进行适当调整。施工时，应注意控制新建桥面铺装层钢筋植入、预埋的设置。

4.2" "主拱圈水上裂缝处理

先在裂缝两侧各宽度约60cm范围内进行植筋C12处理，钢筋间距按规定要求设置，并用高强聚合物砂浆抹面处理。最后通过M12锚栓将厚度为10mm的Q345固定于裂缝位置处。

4.3" "主拱圈水下裂缝及掏空部分处理

对水下部分裂缝及空洞，通过潜水员潜入水下，将水下裂缝裂缝周围破碎混凝土凿除，并清理裂缝，再采用水下裂缝封闭的方法进行封闭。

4.4" "主拱圈加固处理

采取锚杆对拉的加固方法，拱圈以上部分两侧对应钻孔，孔内放置钢管。拱圈以下部分放置钢管，管外灌注水泥浆，注浆压力不小于2.5MPa。钢管排距沿拱桥顺桥向，按间距1.5m粘贴竖向钢板，以固定锚索。在拱圈底部设置一道10cm厚的喷射混凝土。本桥上游侧拱圈外侧整体粘贴8mm厚钢板，下游侧设置槽钢以固定锚索。

5" "承载能力极限状态验算

通过有限元软件建立桥梁模型，分析桥梁内力，并验算加固后的承载力。三维桥梁模型如图4所示。对模型进行划分网格，共计32314个单元，56632个节点。

模型中实体打死单位本构选择M-C模型，衬砌用实体单元模拟。三维模型边界条件如下：模型底部为水平和竖直方向位移约束；模型四周为水平向位移约束；模型表面为自由边界。

荷载组合工况如表3所示。主拱圈拱顶、1/4截面、拱脚截面承载能力验算结果如表4、表5、表6所示，其中容许偏心距为0.1616m，截面设计强度为2481.9kN。根据计算结果可知，偏心距和内力均满足要求。承载能力计算结果汇总如表7所示。

综合上述结果可知，加固后该桥既可以满足承载能力极限状态下拱圈的承载力要求，也可以提高结构的耐久性及舒适性。

6" "结束语

桥梁服役过程中会出现裂缝、渗水等不同病害，严重影响桥梁的安全运营，因此对病害进行准确检测及合理加固十分必要。本文依托国道205线桥梁工程，通过现场以及静动载试验对对主拱圈进行病害检测，并分析不同病害的成因。针对病害类型及成因制定了针对性的加固方案，同时从部分桥面铺装拆除重建、主拱圈水上裂缝处置、水下裂缝及掏空部分处理、主拱圈加固处理4方面提出加固设计要点。

进一步通过有限元软件建立三维模型，对不同荷载组合下的主拱圈拱顶、1/4截面、拱脚截面进行验算。研究结果表明，加固后该桥即可以满足承载能力极限状态下拱圈的承载力要求，也可以提高结构的耐久性及舒适性。

参考文献

[1] 胥广耀.预应力混凝土箱梁裂缝的加固处理技[J].北方交通，2014（9）：44-47．

[2] 司玉金.公路桥梁工程施工中的混凝土裂缝成因及防治措施[J].黑龙江交通科技，2019（2）：144-145.

[3] 尹秋实.道路桥梁设计与施工中裂缝成因及防治措施[J].工程技术研究，2019（10）：80-81.

[4] 李洋.浅析公路桥梁施工中裂缝的成因及防治对策[J].黑龙江交通科技，2013，36（9）：79.DOI：10.16402/j.cnki.issn1008-3383.2013.09.052.

[5] 刘宇航.铁路预应力混凝土32mT梁纵向裂缝修补效果评价[J].铁道建筑，2017，57（4）：48-51，51．

[6] 王勇.既有大准铁路16m简支T梁横向加固研究及应用[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2015（1）：54-57．

（福建省南平市交通事业发展中心，福建南平" "354200）