郝海峰

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安市710068）

城市獨(dú)柱式匝道彎橋病害成因分析及加固設(shè)計(jì)

郝海峰

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安市710068）

針對(duì)城市立交匝道橋出現(xiàn)與主線(xiàn)橋伸縮縫高低錯(cuò)臺(tái)、箱梁腹板底板開(kāi)裂、獨(dú)柱墩易傾覆等病害，進(jìn)行加固技術(shù)研究。以某立交匝道橋改造加固項(xiàng)目為例，提出相應(yīng)的病害成因分析和加固設(shè)計(jì)措施。

獨(dú)柱式匝道彎橋；病害分析；加固設(shè)計(jì)；拉桿結(jié)構(gòu) ；加勁肋

0 引言

隨著我國(guó)公路及城市道路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，道路之間轉(zhuǎn)換越來(lái)越多，互通和樞紐規(guī)模隨之增大。曲線(xiàn)橋由于能很好地適應(yīng)地物限制的需要，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，尤其在立交的匝道設(shè)計(jì)中運(yùn)用甚多[1]。

但隨著城市的發(fā)展，交通量增長(zhǎng)迅速，汽車(chē)超載嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)多起橋梁傾覆事故的發(fā)生以及該種結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中產(chǎn)生的橋梁病害，對(duì)已建成的此類(lèi)橋梁加固改造就顯得尤為重要。本文就城市獨(dú)柱式匝道彎橋在使用中出現(xiàn)的實(shí)際病害，對(duì)病害產(chǎn)生在原因和改造加固設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與探討，為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

?？谑心沉⒔籄匝道全長(zhǎng)匝道橋全長(zhǎng)129.3 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，橋跨布置為18 m+23.5 m+18 m+3×23 m。其中，第一聯(lián)為等寬度單箱單室鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋面寬度為9.0 m；第二聯(lián)為變寬度單箱單室鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋面寬度9.0 m變至5.0 m，橋面橫坡通過(guò)不等高直腹板調(diào)節(jié)。下部結(jié)構(gòu)均為獨(dú)柱墩。邊墩、過(guò)渡墩為樁接柱接蓋梁結(jié)構(gòu)，中墩為樁接柱結(jié)構(gòu)，0#臺(tái)為一字型輕型橋臺(tái)。

該匝道橋現(xiàn)澆箱梁均采用單箱單室直腹板箱型截面。第一聯(lián)箱梁斷面中，箱梁頂板寬9.0 m，底板寬5.0 m，中心線(xiàn)處梁高1.3 m，兩側(cè)懸挑翼緣寬各2.0 m，懸臂端部厚15 cm，根部厚30 cm；箱梁頂板厚22 cm，底板厚20 cm，直腹板厚（30～50）cm。第二聯(lián)箱梁斷面圖中，箱梁頂板寬由9.0 m變至5.0 m，底板寬由5.0 m變至3.0 m，兩側(cè)懸挑翼緣寬度各由2.0 m變至1.0 m。箱梁均采用C40混凝土。

該橋于2005年建成通車(chē)，設(shè)計(jì)荷載為汽-超20級(jí)，掛-120級(jí)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

檢測(cè)單位于2011年11月對(duì)A匝道橋全部梁體和墩柱進(jìn)行了檢查。病害情況如下：

（1）上部結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)論：與主線(xiàn)連接處伸縮縫錯(cuò)臺(tái)，最大處達(dá)3 cm；箱梁底板橫向裂縫分布密集，底板多條橫向裂縫與腹板豎向裂縫相連；部分墩墩頂附近腹板有斜向剪切裂縫，翼緣板處有縱、橫向裂縫。

（2）下部結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)論：支座鋼構(gòu)件銹蝕；支座臨時(shí)固結(jié)未解除。

3 加固前結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

按照加固設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)程序，需要對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。本次計(jì)算包括上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和與主線(xiàn)相接處的主梁翼緣板部分進(jìn)行局部計(jì)算兩部分。

3.1 第一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

采用有限元程序MIDAS/Civil進(jìn)行建模計(jì)算，第一聯(lián)橋跨布置為18 m+23.5 m+18 m，為等寬度單箱單室鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，本聯(lián)平面位于R=75 m，L=25 m的緩和曲線(xiàn)上，非連續(xù)墩采用雙點(diǎn)支承支座，支座間距為3 m；連續(xù)墩采用單支座的支承型式。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 第一聯(lián)整體計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》的規(guī)定，結(jié)合橋梁實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)進(jìn)行修正。第一聯(lián)原結(jié)構(gòu)承載能力極限強(qiáng)度和正常使用狀態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 第一聯(lián)原結(jié)構(gòu)承載能力極限強(qiáng)度計(jì)算表

表2 正常使用狀態(tài)裂縫寬度計(jì)算表

3.2 局部計(jì)算分析

采用空間結(jié)構(gòu)分析程序MIDAS FEA對(duì)與主線(xiàn)橋相接處的翼緣板進(jìn)行建模分析，模型中未考慮普通鋼筋作用?；炷敛捎脤?shí)體單元，共102 043個(gè)實(shí)體單元，邊界條件和車(chē)輛荷載按實(shí)際受力狀況進(jìn)行模擬，建模見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 箱梁局部計(jì)算模型圖

圖3 車(chē)輛荷載作用下位移圖

圖4 車(chē)輛荷載作用下箱梁應(yīng)力云圖

經(jīng)計(jì)算分析，在車(chē)輛荷載的作用下，最大的豎向位移為1.4 cm，出現(xiàn)在跨中部位。箱梁端部最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，發(fā)生在端部腹板與翼緣板交接處；箱梁跨中最大拉應(yīng)力為0.59 MPa，發(fā)生在跨中翼緣板下緣處。原橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果如下：

（1）現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)箱梁跨中和支點(diǎn)截面的抗彎承載能力為11 851.7 kN·m和14 161.3 kN·m，滿(mǎn)足規(guī)范要求，支點(diǎn)截面抗剪承載力為5 075.3 kN·m，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)箱梁正常使用狀態(tài)下裂縫寬度滿(mǎn)足規(guī)范允許值，但第二聯(lián)跨中部位的最大裂縫跨度達(dá)0.198 mm，已接近規(guī)范允許的極限值。

（3）局部計(jì)算分析表明：與主線(xiàn)相接處的翼緣板，在車(chē)輛荷載作用下，跨中產(chǎn)生的最大豎向位移為1.4 cm。箱梁端部最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，發(fā)生在端部腹板與翼緣板交接處；箱梁跨中最大拉應(yīng)力為0.59 MPa，發(fā)生在跨中翼緣板下緣處。同比主線(xiàn)橋與本橋相接處產(chǎn)生高差約3.0 cm的錯(cuò)臺(tái)，病害與局部計(jì)算結(jié)果一致。

4 產(chǎn)生病害主要原因

根據(jù)橋梁病害情況并結(jié)合原結(jié)構(gòu)計(jì)算，對(duì)橋梁病害產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，認(rèn)為匝道橋原有結(jié)構(gòu)存在以下主要問(wèn)題：

4.1 箱梁底板橫向裂縫

箱梁底板橫向裂縫由跨中向橋跨兩端由密到疏較為均勻分布，部分裂縫延伸至箱梁腹板。該裂縫是由于底板下緣受拉區(qū)正應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致。橋梁跨中部分正彎矩較大，加之混凝土早期強(qiáng)度過(guò)低、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)染C合因素引起底板下緣受拉區(qū)正應(yīng)力過(guò)大。荷載試驗(yàn)表明裂縫在荷載作用下應(yīng)變明顯，并有擴(kuò)展趨勢(shì)，屬于結(jié)構(gòu)性裂縫。

4.2 腹板斜向裂縫

在墩臺(tái)支點(diǎn)至反彎點(diǎn)間梁段有少量斜裂縫，此類(lèi)裂縫屬于剪切裂縫。該裂縫一般是由于主拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致。此類(lèi)裂縫往往預(yù)示著結(jié)構(gòu)的斜截面承載能力不足，存在發(fā)生斜截面脆性破壞的潛在危險(xiǎn)，應(yīng)引起足夠的重視。

4.3 伸縮縫高低錯(cuò)臺(tái)

匝道橋與主線(xiàn)橋相接的伸縮縫處有高低錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為匝道橋側(cè)橋面低，主線(xiàn)橋側(cè)橋面高，且在伸縮縫的中部位置錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象最明顯，錯(cuò)臺(tái)達(dá)3.0 cm。該病害是由于匝道橋箱梁翼緣剛度不足，在車(chē)輛荷載作用下，翼緣端部出現(xiàn)下?lián)?。且伸縮縫中部處車(chē)流相對(duì)密集，導(dǎo)致伸縮縫中部較兩側(cè)錯(cuò)臺(tái)明顯。

4.4 腹板縱向裂縫

該裂縫發(fā)生在翼緣板與腹板交界處下方5 cm左右位置。箱梁橫向彎曲空間效應(yīng)與內(nèi)外溫差效應(yīng)使腹板內(nèi)側(cè)或外側(cè)產(chǎn)生較大的豎向應(yīng)力，進(jìn)而引起箱梁腹板縱向開(kāi)裂，這是腹板縱向裂縫產(chǎn)生的可能原因之一。也可能是在施工過(guò)程中箱梁分兩次澆筑，裂縫為施工工藝導(dǎo)致。

5 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

參照該橋檢測(cè)報(bào)告，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，以及對(duì)該橋進(jìn)行的結(jié)構(gòu)計(jì)算，形成如下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

5.1 針對(duì)底板橫向裂縫的加固設(shè)計(jì)

箱梁底板橫向裂縫較為均勻密集，荷載作用下有擴(kuò)展趨勢(shì)，屬于結(jié)構(gòu)性裂縫。對(duì)裂縫寬度不小于0.15 mm的采用壓漿法進(jìn)行修補(bǔ)；對(duì)裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法進(jìn)行修補(bǔ)；箱梁底板按橫向間隔200 mm粘貼寬180 mm，厚6 mm的Q235鋼板。

5.2 針對(duì)腹板斜向裂縫的加固設(shè)計(jì)

在墩臺(tái)支撐點(diǎn)至反彎點(diǎn)間梁段出現(xiàn)剪切裂縫，其加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：對(duì)裂縫寬度不小于0.15 mm的采用壓漿法進(jìn)行修補(bǔ)；對(duì)裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法進(jìn)行修補(bǔ)；箱梁腹板沿垂直于裂縫發(fā)展方向，粘貼3道6 mm厚Q235鋼板，鋼板寬度180 mm，間距200 mm。

5.3 針對(duì)伸縮縫高低錯(cuò)臺(tái)的加固設(shè)計(jì)

伸縮縫高低錯(cuò)臺(tái)，匝道橋側(cè)橋面較主線(xiàn)橋側(cè)橋面低，中部較兩側(cè)明顯。加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：在伸縮縫26m長(zhǎng)度范圍內(nèi)，增設(shè)9道寬40 cm的橫肋板。更換原伸縮縫裝置，采用瀝青混凝土橋面鋪裝層，調(diào)整主線(xiàn)橋與匝道橋之間的高差。

5.4 針對(duì)小半徑曲線(xiàn)匝道橋防傾覆加固設(shè)計(jì)

對(duì)于有蓋梁的橋墩、橋臺(tái)（0#臺(tái)、3#墩、5#墩），采用在蓋梁側(cè)面與箱梁底面增設(shè)拉桿結(jié)構(gòu)；對(duì)于無(wú)蓋梁的獨(dú)柱墩（1#墩、2#墩、4#墩、6#墩），采用對(duì)墩柱增設(shè)鋼套箍，在鋼套箍與箱梁底面增設(shè)拉桿結(jié)構(gòu)。對(duì)于有蓋梁的橋墩，增設(shè)拉桿結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 有蓋梁獨(dú)柱墩拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上加固措施，主要達(dá)到以下加固設(shè)計(jì)目標(biāo)：

（1）提高箱梁底板的抗彎承載能力，抑制裂縫的擴(kuò)展；

（2）加強(qiáng)腹板截面抗剪承載能力，抑制裂縫的擴(kuò)展；

（3）處治伸縮縫高低錯(cuò)臺(tái)病害，增強(qiáng)行車(chē)舒適性；提高匝道橋箱梁翼緣板的整體剛度；

（4）增設(shè)拉桿結(jié)構(gòu)，防止在超載車(chē)輛、偏載作用時(shí)，匝道橋發(fā)生橫向傾覆現(xiàn)象；

（5）處治橋梁其他病害，改善橋梁使用性能。

6 加固效果計(jì)算分析

6.1 底板粘貼鋼板加固后計(jì)算分析

以第一聯(lián)為例進(jìn)行計(jì)算。在梁底粘貼鋼板規(guī)格為寬180 mm，厚6 mm，其中跨徑18 m的箱梁底板粘貼8條，跨徑23.5 m的箱梁底板粘貼12條，計(jì)算結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3。

表3 加固前后結(jié)構(gòu)抗彎承載能力極限強(qiáng)度計(jì)算表

6.2 增設(shè)橫向肋構(gòu)造局部分析計(jì)算

采用對(duì)與主線(xiàn)橋相接處的翼緣板下緣增設(shè)橫向肋的方法進(jìn)行箱梁橫向整體加強(qiáng)。對(duì)加肋后箱梁翼緣板的應(yīng)力和位移情況進(jìn)行建模計(jì)算分析。采用混凝土實(shí)體單元，模型中未考慮普通鋼筋，共計(jì)103 152個(gè)實(shí)體單元，具體計(jì)算模型及結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 箱梁局部計(jì)算模型圖

圖7 增設(shè)橫肋后車(chē)輛作用下位移圖

圖8 增設(shè)橫向肋后箱梁應(yīng)力云圖

經(jīng)建模計(jì)算分析，增設(shè)橫向肋后，箱梁翼緣板最大豎向位移為0.4 mm，較加固前豎向位移大幅降低。箱梁端部最大拉應(yīng)力為0.93 MPa，發(fā)生在端部腹板與翼緣板交接處；箱梁跨中最大拉應(yīng)力為0.38 MPa，發(fā)生在跨中翼緣板上緣處?？紤]普通鋼筋的作用，增設(shè)橫向肋后，箱梁受力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

7 工程應(yīng)用

該加固方案與2013年下半年予以實(shí)施，加固完成后，橋梁正常運(yùn)營(yíng)至今，各項(xiàng)病害沒(méi)有再進(jìn)一步惡化，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均在可控范圍之內(nèi)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。加固后橋梁現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 有蓋梁獨(dú)柱墩增設(shè)拉桿

圖10 無(wú)蓋梁獨(dú)柱墩增設(shè)拉桿

圖11 翼緣板下緣增設(shè)橫向肋

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前城市立交獨(dú)柱式匝道橋普遍病害，通過(guò)對(duì)實(shí)際橋梁病害的現(xiàn)狀分析與評(píng)價(jià)，提出切實(shí)可行的加固方案。通過(guò)對(duì)本橋的加固，得到以下結(jié)論：通過(guò)增加橫向加勁肋有效的提高了匝道橋箱梁翼緣板的整體剛度；增設(shè)拉桿結(jié)構(gòu)，有效的防止了在超載車(chē)輛、偏載作用時(shí)，匝道橋發(fā)生橫向傾覆的現(xiàn)象。根據(jù)不同的病害，從根本上尋找其病因，以一個(gè)醫(yī)者心態(tài)，慎重對(duì)待每一座病害橋梁，找準(zhǔn)癥結(jié)，對(duì)癥下藥，根除癥結(jié)，給每一座可加固的危病橋梁延年益壽，是橋梁加固設(shè)計(jì)的基本思路。本文提供的加固實(shí)例，對(duì)解決類(lèi)似工程的問(wèn)題具有一定參考價(jià)值。

[1]黃龍?zhí)?李載寧.某獨(dú)柱式匝道彎橋病害分析和加固改造[J].城市道橋與防洪,2011(2):60-63.

U445.7+1

B

1009-7716（2017）03-0127-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.035

2016-12-05

郝海峰（1985-），男，陜西榆林人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。