江海洋1宋湘波2蔣翔13

（1.湖南湘江新區(qū)投資建設(shè)有限公司，湖南長沙 410013；2.長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410007；3.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

岳麓大道空心板橋的病害處理與加固?

江海洋1，宋湘波2，蔣翔1，3

（1.湖南湘江新區(qū)投資建設(shè)有限公司，湖南長沙 410013；2.長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410007；3.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

針對岳麓大道跨麓景路橋的預(yù)應(yīng)力砼空心板，通過調(diào)查其主要病害和嚴(yán)重程度，分析了荷載等級(jí)從汽-超20級(jí)變成城市-A級(jí)后的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)變化，得出該橋原結(jié)構(gòu)不能滿足城市-A級(jí)荷載的極限承載能力要求、但正常使用極限狀態(tài)滿足要求；提出了加固改造措施和施工要點(diǎn)，并利用現(xiàn)場試驗(yàn)檢驗(yàn)了加固改造效果。

橋梁；空心板；加固改造；病害處理；成橋試驗(yàn)

預(yù)應(yīng)力砼空心板橋具有建筑高度小、外形簡單、制作方便、重量輕等特點(diǎn)，在中國高速公路中得到廣泛應(yīng)用。但該結(jié)構(gòu)由于采用裝配式施工，結(jié)構(gòu)整體性依賴于鉸縫的工作性能，其不足主要表現(xiàn)在：1）空心板間的鉸縫構(gòu)造不佳、橫向傳力不良，造成變形不協(xié)調(diào)，如果鉸縫失效，結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)單板受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)所受荷載效應(yīng)高于設(shè)計(jì)，造成結(jié)構(gòu)損傷和退化；2）空心板徐變反拱過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)線形不平順，影響結(jié)構(gòu)正常使用；3）空心板預(yù)制階段，內(nèi)模固定措施不足，澆筑底板砼時(shí)引起內(nèi)模上浮，造成空心板頂板偏薄、底板偏厚，如果使用階段橋面防水措施不好，易造成雨水滲入空心板內(nèi)，引起底板鋼筋銹蝕、銹漲和砼開裂、底板漏水等；4）空心板設(shè)計(jì)時(shí)一般為結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)，但橋面連續(xù)效果不佳，容易失效，影響行車的平順性和結(jié)構(gòu)的耐久性。這些不足容易導(dǎo)致空心板的嚴(yán)重病害，降低結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命，加大維修、維護(hù)工作量。當(dāng)其承載力不足時(shí)，必須對其進(jìn)行加固改造。

長沙市岳麓大道是在20世紀(jì)90年代修建的一條出城一級(jí)公路，其內(nèi)多座橋梁采用預(yù)應(yīng)力砼空心板橋方案，如跨麓景路橋等，經(jīng)過20多年的使用，結(jié)構(gòu)有一定程度的退化。尤其是隨著收費(fèi)站西遷，該大道變成城市東西交通主干道，交通量急劇增加、超限超載車輛增多，其病害出現(xiàn)和退化速度越來越快，嚴(yán)重影響汽車的通行，承載潛力和安全儲(chǔ)備也引起管理部門的關(guān)注和重視。該文以岳麓大道跨麓景路橋?yàn)槔?，對預(yù)應(yīng)力砼空心板橋的加固改造進(jìn)行探討。

1　工程概況及主要病害

岳麓大道跨麓景路橋?yàn)?×16m預(yù)應(yīng)力砼空心板橋，雙向六車道，左右分幅，單幅橋?qū)?3m，中間分隔帶寬1m；采用薄壁式輕型橋墩、重力式U形橋臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-超20、掛-120級(jí)。單塊空心板標(biāo)準(zhǔn)寬125cm、實(shí)際板寬124cm，板間間隙1cm；橫向連接采用企口縫形式（見圖1）。

圖1　岳麓大道跨麓景路橋結(jié)構(gòu)橫截面（單位：cm）

空心板橋的主要病害如下：

（1）橋面系。該橋原設(shè)計(jì)為砼橋面鋪裝，其后在其上加鋪3cm瀝青砼鋪裝。隨著交通量越來越大、超限超載車輛越來越多，橋面系出現(xiàn)諸多病害。1）橋面瀝青砼鋪裝層破損，最大一處破損面積達(dá)1 m×12m；2）橋臺(tái)兩端伸縮縫處局部砼壓碎，并在伸縮縫旁形成溝槽，伸縮縫上撓（高出橋面6cm，經(jīng)常遭到汽車司機(jī)的投訴），跳車嚴(yán)重，伸縮縫沿橋橫向線形不平順，有沉降積水現(xiàn)象；3）由于縱坡等原因出現(xiàn)梁板移位，造成板梁與橋臺(tái)胸墻間無間隙而直接頂死在橋臺(tái)胸墻上，伸縮縫裝置失去實(shí)際作用，支座剪切變形嚴(yán)重且不可逆。

（2）支座。該橋采用板式橡膠支座，其剪切變形嚴(yán)重（最大水平剪切變形達(dá)2.1cm）、支座壓縮變形嚴(yán)重（25塊樣本平均厚度3.1cm，原設(shè)計(jì)厚度5 cm，平均不可逆壓縮量1.9cm），表層橡膠老化、開裂、外鼓。支座與梁底接觸不緊密，存在脫空和板梁受力“3條腿”現(xiàn)象，造成梁體支承約束和主梁受力狀態(tài)發(fā)生改變，嚴(yán)重影響支座的使用性能，對梁體結(jié)構(gòu)造成損傷；在車輛載荷作用下梁體將產(chǎn)生振動(dòng)，影響橋梁使用性能。

（3）空心板。頂板厚度普遍與設(shè)計(jì)值相比偏薄，底板則比設(shè)計(jì)值偏厚；空心板內(nèi)部有積水、積淤現(xiàn)象，增加了橋跨結(jié)構(gòu)的恒載；空心板底中部和鉸縫處存在縱向裂縫，長期從板內(nèi)向外滲水或滴水；普遍泛堿和結(jié)晶，局部有鋼筋露筋且銹蝕，嚴(yán)重影響橋梁的耐久性。

（4）橋面連續(xù)措施失效。該橋?yàn)楹喼ЫY(jié)構(gòu)，墩頂處采用橋面連續(xù)的處理方法。橋面連續(xù)處的瀝青砼橋面鋪裝層有開裂現(xiàn)象，橋面雨水直接滲到橋墩表面，外表污染嚴(yán)重。

（5）橋臺(tái)。U形橋臺(tái)內(nèi)搭板縱橫向開裂，橋臺(tái)填土沉降，橋臺(tái)路基與橋臺(tái)結(jié)構(gòu)間存在明顯的標(biāo)高差，行車不平順，有跳車現(xiàn)象；橋臺(tái)身有多條豎向貫通裂縫，臺(tái)帽多處剝落露筋；錐坡外移，右側(cè)3#橋臺(tái)錐坡上部外移最大12cm、下部外移6.5cm。

（6）護(hù)欄。鋼質(zhì)護(hù)欄生銹；多處護(hù)欄缺失；泄水孔堵塞。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載變化

岳麓大道原設(shè)計(jì)荷載為汽-超20、掛-120級(jí)，現(xiàn)改為城市道路，相應(yīng)設(shè)計(jì)荷載變?yōu)槌鞘?A級(jí)，荷載等級(jí)提高，結(jié)構(gòu)承載能力是否滿足要求、荷載提高幅度有多少成為管理部門關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1荷載橫向分布系數(shù)

空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)一般采用鉸接板法。利用鉸接板橫向分布系數(shù)計(jì)算程序計(jì)算得到10塊板的荷載橫向分布系數(shù)值，圖2為結(jié)構(gòu)一側(cè)1#～5#板（結(jié)構(gòu)對稱）的荷載橫向分布系數(shù)。

2.2不同規(guī)范的沖擊系數(shù)計(jì)算

不同規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)的計(jì)算方法不相同，1989年的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（簡稱1989公橋規(guī)）采用關(guān)于計(jì)算跨徑l的內(nèi)插方法，2004年的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（簡稱2004公橋規(guī)）采用關(guān)于基頻的計(jì)算方法，1993年的《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡稱1993城橋規(guī)）采用關(guān)于計(jì)算跨徑l的計(jì)算方法。3種規(guī)范的汽車沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2　1#～5#板的荷載橫向分布系數(shù)

表1　不同規(guī)范的沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.3不同規(guī)范的車道荷載（或車輛荷載）加載

結(jié)構(gòu)縱向加載計(jì)算時(shí)，1989公橋規(guī)采用車輛荷載、2004公橋規(guī)和1993年城橋規(guī)采用車道荷載。計(jì)算板跨中最大荷載效應(yīng)采用最不利荷載的加載形式（見圖3）。

圖3　各級(jí)荷載作用下結(jié)構(gòu)的最不利荷載布置（單位：m）

考慮汽車荷載的沖擊效應(yīng)后，1#～5#板跨中截面在承載能力極限狀態(tài)下的設(shè)計(jì)彎矩見圖4。其中：城市-A級(jí)、公路-Ⅰ級(jí)荷載作用的承載能力極限狀態(tài)按基本組合進(jìn)行計(jì)算，組合方式為1.2SG+ 1.4SQ；汽-超20級(jí)荷載作用的承載能力極限狀態(tài)按設(shè)計(jì)組合進(jìn)行計(jì)算，組合方式為1.2SG+1.4SQ；掛-120級(jí)荷載按組合Ⅲ（驗(yàn)算組合）進(jìn)行計(jì)算，組合方式為1.2SG+1.1SQ。根據(jù)1989公橋規(guī)的規(guī)定，汽-超20級(jí)、掛-120級(jí)荷載作用下的組合還應(yīng)根據(jù)汽車（或掛車）效應(yīng)占總效應(yīng)比例大小進(jìn)行組合效應(yīng)的提高。

圖4　承載能力極限狀態(tài)下3種規(guī)范荷載作用下1#～5#板的跨中彎矩組合值

從圖4可以看出：3種規(guī)范荷載作用下，該橋根據(jù)當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，1#、2#板由掛-120級(jí)荷載控制設(shè)計(jì)、3#～5#板由汽-超20級(jí)荷載控制設(shè)計(jì)。城市-A級(jí)荷載作用下的效應(yīng)值大于控制設(shè)計(jì)值，承載能力極限狀態(tài)不滿足要求。

由于正常使用極限狀態(tài)下城市-A級(jí)、公路-Ⅰ級(jí)荷載的短期效應(yīng)組合值大于長期效應(yīng)組合值，其正常使用極限狀態(tài)取短期效應(yīng)組合，組合方式為SG+ 0.7SQ/1+μ（），汽-超20、掛-120荷載的正常使用極限狀態(tài)下的組合取SG+SQ。1#～5#板跨中截面在正常使用極限狀態(tài)下的設(shè)計(jì)彎矩見圖5。

圖5　正常使用極限狀態(tài)下3種規(guī)范荷載作用下1#～5#板的跨中彎矩組合值

從圖5可以看出：在正常使用狀態(tài)下，公路-Ⅰ級(jí)、城市-A級(jí)、汽-超20級(jí)荷載的荷載效應(yīng)組合值均小于掛-120級(jí)的效應(yīng)組合，將設(shè)計(jì)荷載由汽-超20級(jí)、掛-120級(jí)變?yōu)槌鞘?A級(jí)，結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)能得到滿足。

3　加固措施

3.1支座更換

由于該橋支座剪切變形嚴(yán)重、壓縮量較大，逐孔更換全部支座。主要施工步驟為觀測檢查→清除雜物→布置頂升系統(tǒng)→整體同步頂升→取出病害支座→支座墊石處理→安裝新支座→落梁就位→觀察測量→拆除頂升系統(tǒng)并清理現(xiàn)場。

在支座更換時(shí)，為保證梁體主要斷面的應(yīng)力和變形處在安全范圍內(nèi)，頂升過程中各液壓頂?shù)捻斏客剑乐褂捎谝簤喉斏坎灰恢乱鹆洪g變形不一致而導(dǎo)致空心板鉸縫損壞。頂升過程限行程、限速度、同步頂升：第一級(jí)行程為1mm，頂升速度為0.1～1mm/min，在頂起高度達(dá)到設(shè)定的1mm且系統(tǒng)自動(dòng)保壓后，觀察梁體微小變化及頂升設(shè)備的運(yùn)行情況，如有異常及時(shí)調(diào)整；同時(shí)采集各檢查點(diǎn)位移數(shù)據(jù)及頂升系統(tǒng)的壓力、設(shè)定行程，檢查無誤后再繼續(xù)頂升。第二級(jí)行程為3mm，頂升速度為0.1 ～1mm/min，在頂起高度達(dá)到設(shè)定的3mm且系統(tǒng)自動(dòng)保壓后，對頂升設(shè)備進(jìn)行檢查，采集各檢查點(diǎn)位移數(shù)據(jù)及頂升系統(tǒng)的壓力、設(shè)定行程，并與理論計(jì)算數(shù)據(jù)復(fù)核，如果兩者吻合，則進(jìn)行下一級(jí)頂升，否則立即查找和分析原因，同時(shí)加墊臨時(shí)支撐。此后，以每級(jí)3mm的行程高度為一個(gè)頂升單位，每頂升一級(jí)單位檢查一次，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)加墊臨時(shí)支撐，直到頂升高度達(dá)到取出安裝支座的施工要求（最大頂升高度不得超過10mm）時(shí)停止頂升，采集液壓表各項(xiàng)數(shù)據(jù)，加固穩(wěn)牢臨時(shí)支撐。如果在頂升過程中相鄰液壓頂組的行程誤差超過0.5 mm，頂升系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉單向閥，對其余液壓頂進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)壓，直到在允許誤差范圍內(nèi)。頂升行程的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)繼續(xù)頂升。

3.2鉸縫壓漿及橋面鋪裝處理

對于部分鉸縫及橋面防水系統(tǒng)狀況不佳、鉸縫滲水結(jié)晶的現(xiàn)象，采取如下措施進(jìn)行加固：1）鑿除預(yù)制空心板橋原橋面18cm厚鋪裝；2）對部分已失效的鉸縫進(jìn)行注漿加固；3）橋面空心板頂植入梅花狀L形剪力鋼筋；4）澆筑13cm厚C50橋面鋪裝砼層；5）橋面現(xiàn)澆層表面設(shè)置防水層；6）澆筑5cm厚改性瀝青砼橋面鋪裝層。

3.3空心板內(nèi)排水

針對空心板橋面防水系統(tǒng)狀況不佳、空心板底存在滲水結(jié)晶的現(xiàn)象，在預(yù)應(yīng)力砼表面修補(bǔ)及裂縫封閉處理后，在空心板下坡最低處端部板底位置（避開預(yù)應(yīng)力鋼筋位置）鑿出直徑5cm圓形孔洞，以排出空心板內(nèi)可能存在的積水，避免鋼筋銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。實(shí)踐中，在空心板兩端板底同時(shí)設(shè)置圓形孔洞，從中排出大量積水，持續(xù)時(shí)間多達(dá)10d，才徹底消除滴水現(xiàn)象。

3.4伸縮縫更換

鑒于現(xiàn)場伸縮縫出現(xiàn)擠死、變形、積沙、上翹等現(xiàn)象，工作狀況不佳，為保證橋梁正常運(yùn)營及耐久性，全部更換伸縮縫裝置。具體措施為將原D80 mm型伸縮縫更換為GQF-Z40型鋼伸縮縫，伸縮縫安裝完畢后，在槽口內(nèi)及伸縮縫兩側(cè)澆筑C50鋼纖維砼，伸縮縫安裝由生產(chǎn)廠家的專業(yè)隊(duì)伍執(zhí)行。鋼纖維砼采用Ⅲ型（剪切型）鋼纖維，長25mm，直徑0.56mm，其技術(shù)指標(biāo)符合CECS38：1992《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》和DBJ08-59-97《銑削鋼纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求。

3.5上下部構(gòu)造和防撞護(hù)欄鋼構(gòu)件防腐涂裝

對所有鋼構(gòu)件表面進(jìn)行涂裝防護(hù)，涂料分3層：底層為環(huán)氧富鋅底漆（干膜厚度80μm），中間層為環(huán)氧云鐵中間漆（干膜厚度150μm），表層為丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆（干膜厚度2×40μm）。

砼表面如有保護(hù)層起殼、脫落現(xiàn)象，則鑿毛表面砼，直到露出新鮮密實(shí)砼表面，并鑿出溝槽，然后用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)；砼表面如有質(zhì)量缺失和孔洞，則采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)。為進(jìn)一步提高砼構(gòu)件的耐久性和美觀性，對上部構(gòu)造空心板、下部構(gòu)造橋墩橋臺(tái)砼表面采用砼修補(bǔ)膠和灰云鐵氯化橡膠面漆進(jìn)行涂裝，以防砼表面老化。

4　成橋試驗(yàn)

在加固改造后進(jìn)行荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)工況主要有：跨中截面最大正彎矩工況；跨中截面最大撓度工況；空心板鉸縫工作性能的加載工況（主要進(jìn)行荷載橫向分布系數(shù)測定）。3種工況的加載方式相似，合并進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1理論分析

利用MIDAS/Civil2010建立結(jié)構(gòu)空心板梁格模型，按城市-A級(jí)荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算?？招陌辶焊衲Ｐ椭?，板與板之間采用鉸接（見圖6）。試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)彎矩、剪力、應(yīng)力和撓度計(jì)算結(jié)果見圖7～10。

圖6　空心板的梁格模型

圖7　空心板的彎矩圖（單位：kN·m）

圖8　空心板的剪力圖（單位：kN）

圖9　空心板的應(yīng)力圖（單位：kN/m2）

圖10　空心板的變形圖（單位：m）

4.2加載方式和測點(diǎn)布置

利用35t重車（前軸8t、中后軸13.5t）進(jìn)行加載，試驗(yàn)分3級(jí)進(jìn)行（見圖11）。在每塊板的支點(diǎn)、跨中、距跨中330cm處等4個(gè)截面布置變形測點(diǎn)，每塊板跨中截面底面布置應(yīng)變測點(diǎn)。

圖11　試驗(yàn)加載工序（單位：cm）

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)荷載作用下各板的橫向分布系數(shù)見圖12，試驗(yàn)中1#板的變形見圖13。

圖12　實(shí)測各板的橫向分布系數(shù)

圖13　1#板荷載試驗(yàn)撓度值與理論值比較

從圖12可以看出：在試驗(yàn)荷載作用下，各板所承擔(dān)的荷載比（荷載橫向分布系數(shù)）變化平順，無突變現(xiàn)象發(fā)生，且與空心梁格法計(jì)算的荷載比相吻合，證明加固改造后空心板橋鉸縫工作狀態(tài)良好，無單板受力現(xiàn)象。

從圖13可以看出：板的變形試驗(yàn)值與理論值接近，校驗(yàn)系數(shù)為87.3%，殘余撓度比為9.5%，滿足規(guī)范要求。同時(shí)經(jīng)理論分析與試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，現(xiàn)澆的砼橋面鋪裝層能參與結(jié)構(gòu)受力。

5　結(jié)語

該文分析了岳麓大道跨麓景路橋從一級(jí)公路橋改造成城市主干道橋后設(shè)計(jì)荷載變化所帶來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力的變化，認(rèn)為原結(jié)構(gòu)不能滿足城市主干道的荷載設(shè)計(jì)等級(jí)要求，需進(jìn)行增質(zhì)提載。結(jié)合該橋病害和質(zhì)量缺陷，提出了更換支座、鉸縫壓漿及橋面鋪裝處理、空心板內(nèi)排水、伸縮縫更換、上下部構(gòu)造和防撞護(hù)欄鋼構(gòu)件防腐涂裝等加固改造措施。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析，采取上述加固措施后，該橋空心板沒有出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象，鉸縫聯(lián)結(jié)效果滿足使用要求；現(xiàn)澆的橋面砼結(jié)構(gòu)層能參與結(jié)構(gòu)受力，對提高結(jié)構(gòu)剛度有所幫助。加固改造施工提高了結(jié)構(gòu)工作性能和承載能力，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和要求。

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?長沙理工大學(xué)土木工程優(yōu)勢特色重點(diǎn)學(xué)科創(chuàng)新項(xiàng)目（16ZDXK09）

2016-03-21