鋼筋混凝土桁架拱橋病害分析與處理

鋼筋混凝土桁架拱橋病害分析與處理

20世紀60年代，鋼筋混凝土拱橋逐漸形成并標準化。結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、成本低的普通橋梁。廣泛應(yīng)用于道路和供水的建設(shè)。隨著時間的推移,經(jīng)濟的發(fā)展帶來交通流量的大幅增長,特別是超載運輸車輛的作用,早期修建的荷載標準低的桁架拱橋出現(xiàn)了不同程度的病害和損傷。筆者多年來從事公路橋梁的養(yǎng)護工作,淺談部分心得體會如下。1交通量大造成桁架豎向裂縫或者斷裂,引起橋面施工安全主要原因是橋臺、墩基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降,使拱腳處出現(xiàn)豎向剪切應(yīng)力,導(dǎo)致拱腳處下弦桿件出現(xiàn)裂縫。主要原因是橋臺、墩基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沿降,造成上弦桿端部凸桿與橋臺、墩柱搭接扣死,使該節(jié)點出現(xiàn)豎向剪切應(yīng)力,導(dǎo)致節(jié)點出現(xiàn)裂縫。主要原因是由于原桁架拱橋設(shè)計標準較低,橫向聯(lián)系較簿弱,而近10年來交通量大而且超載車輛比例大,造成桁架豎向變形量大,使橫向聯(lián)系的梁、桿、板出現(xiàn)豎向裂縫,甚至斷裂。主要原因是橋面板設(shè)計標準低,微彎板或拱波厚度不足,混凝土強度低,橋面鋪裝層薄弱,造成橋面剛度不足,隨著交通量的大幅增加,特別是超載車輛的破壞作用,致使橋面鋪裝層和微彎板開裂,如不及時維修,部分微彎板發(fā)生破碎,形成橋面坑洞而影響行車安全。主要原因是桁架拱橋設(shè)計時不設(shè)伸縮裝置或僅設(shè)置簡易伸縮縫,混凝土強度設(shè)計較低,由于交通量的增加且超載車輛的破壞作用,橋面接縫處混凝土損壞嚴重,逐漸開裂、破碎,使接縫處面積逐漸擴大而影響橋梁的安全使用。主要原因是桁架拱橋的人行道設(shè)計一般采用在邊桁片上弦桿上置挑梁承托人行道板的方法。隨著人群荷載的增加,挑梁受超載彎矩過大,致使下垂變形,如不及時進行加固,可能發(fā)生人行道垮塌的安全事故。主要原因是設(shè)計時在該處未考慮斷開,并設(shè)置伸縮縫裝置,橋兩跨的振動破壞形成裂縫。2維修加固方法2.1上、下、左弓桿端部節(jié)點的維護加固方法2.1.1橋節(jié)點處裂縫因橋梁臺、墩不均勻沉降產(chǎn)生的桁架上、下弦橋節(jié)點處的裂縫已基本穩(wěn)定,不再發(fā)展。可采用環(huán)氧樹脂灰漿在其兩面或三面粘貼鋼板的方法進行維修加固(如圖1、圖2所示)。2.1.2地層混凝土和鋼板的澆筑首先做好構(gòu)件混凝土的表面鑿毛和鋼板的除銹工作,如節(jié)點處混凝土剝落嚴重,應(yīng)將保護層混凝土鑿除再粘貼鋼板。其次要先處理裂縫,即對裂縫先進行灌漿(環(huán)氧灰漿)處理,然后再粘貼鋼板。第三,由于拱腳處要經(jīng)常處于水流以下,為防鋼板銹蝕,對拱腳處加固還應(yīng)在粘貼鋼板后立模澆筑外包混凝土。2.2梁、臂、橫截面框架的維護加固方法2.2.1橫向加固全橋加固方案因桁架拱橋設(shè)計標準低,橫向聯(lián)系薄弱而不能適應(yīng)大交通量或重載交通時,應(yīng)考慮對全橋的橫向聯(lián)系系統(tǒng)進行整體加固。一方面可采取加大截面法加固橫拉桿和橫系梁,同時還應(yīng)適當增加全橋的橫向聯(lián)系桿件,如增加剪刀撐、橫系梁等方法加固橫向聯(lián)系系統(tǒng),以增強全橋的整體承載能力和穩(wěn)定性。2.2.2混凝土施工(1)加大截面法。加大橫系梁、橫拉桿截面要先進行加筋的焊接處理,要鑿開節(jié)點處的鋼筋保護層將需要增加的鋼筋按設(shè)計焊接到接點處;采用吊模法澆注混凝土,混凝土中應(yīng)適當摻加膨脹劑。(2)剪刀撐、橫系梁的施工采用預(yù)制安裝即采用掛籃施工、流水作業(yè)的方法,其重點是濕接頭的施工。濕接頭施工包括接頭鋼筋的焊接和混凝土的澆注兩個方面。接頭鋼筋焊接主要是桁架節(jié)點處鋼筋保護層的鑿除要慎重,即要露出鋼筋便于焊接,更要注意不要鑿的太深、太大,防止損傷桿件?；炷恋臐沧⒃谟诹⒛Ｒ?guī)范,嚴防漏漿;拆模時要對濕接頭混凝土及時進行整修和養(yǎng)生,確保接頭混凝土強度達到設(shè)計標準。2.3微彎板維護和鋪裝層裂縫和破碎的加固方法2.3.1鋪裝層混凝土強度低的情況因微彎板混凝土強度不足而產(chǎn)生的橋面鋪裝層裂縫、破碎應(yīng)撤換微彎板和鋪裝層;因橋面鋪裝層混凝土強度低而微彎板尚未損壞產(chǎn)生的橋面裂縫可撤換鋪裝層。為適應(yīng)現(xiàn)今大交通量和重載交通需求,采用鋼纖維鋼筋混凝土加固橋面系的方法簡易、可靠,可大幅增強橋面系的整體承載抗裂能力,效果顯著。設(shè)計時,橋面鋪裝層的布筋也要適當增加。2.3.2混凝土混合料的制備鋼纖維混凝土的施工工序與普通混凝土基本一樣,關(guān)鍵是鋼纖維混凝土的拌和和攤鋪時的振搗兩點。前者應(yīng)先干拌再加水濕拌,保證鋼纖維在混合料中均勻分布;后者應(yīng)避免鋼纖維聚集。2.4路塹拉西側(cè)、變形和接頭裂縫的維護加固方法2.4.1立鋼斜段正截面加固加固在邊桁片上弦桿上置挑梁承托人行道板,因懸臂過長,設(shè)計人群荷載偏低及其他原因引起人行道下垂、變形的病害可采用立鋼斜支承或體外補筋法加固。體外補筋法即在橋面鋪裝層中增加兩側(cè)挑梁的橫向抗拉鋼筋。原橋兩跨接縫處人行道板未分開的要進行人行道與攔桿分離設(shè)計,使之適應(yīng)橋面系行車變形(見圖3)。2.4.2撐前端固接鋼板與上弦桿的安裝(1)人行道挑梁的維修加固施工要先拆除攔桿和人行道板,后對挑梁進行加固。采用槽鋼打斜支撐時要注意支撐下端固接鋼板與上弦桿的粘貼施工,包括箍筋的安裝等。如同時維修橋面鋪裝層時,可采用埋置鋼筋作拉抗筋以增強兩側(cè)人行道的橫向聯(lián)系。施工要點主要是增設(shè)鋼筋與挑梁鋼筋的聯(lián)接(焊接)要緊密,有條件時可適當施加予應(yīng)力。(2)人行道板斷開施工要注意在上弦桿端頭增設(shè)的人行道挑梁的安裝施工,注意其穩(wěn)定性和安全性。3例子加固3.1車-13級:車-13級某大型橋梁,為6×30m桁架拱橋,全長206m,寬10.9m,設(shè)計荷載汽車-13級,建成于1979年。該橋下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、組合式橋臺,橋墩及北橋臺為鉆孔灌注樁基礎(chǔ),南臺為擴大基礎(chǔ),上部構(gòu)造每跨由6片桁架組成,每片桁架分兩塊預(yù)制,預(yù)埋鋼板焊接,無支架纜索吊裝,桁架閘由橫系梁、橫拉桿、橫隔板相聯(lián)接。3.2柱、梁結(jié)構(gòu)裂縫(1)1~5號孔桁架拱頂下?lián)献冃?其中2號孔最為嚴重,拱頂相對沉降達9cm,而且該孔動載效應(yīng)明顯。(2)所有橋墩上部“門”形立柱及橫梁斷裂(橫梁作為桁架的上支撐點)。立柱裂縫位于根部,立面呈30~45°,縫寬1~5mm,橫梁裂縫一般位于1/3~1/2處,2~3條,縫寬0.2~1mm不等。(3)1號孔6片桁架的北端上弦桿節(jié)點混凝土開裂。(4)橋面鋪裝層和微彎板嚴重裂縫破損。(5)橋面伸縮縫全部毀壞(原設(shè)計為自然縫)。(6)部分人行道挑梁混凝土開裂下垂,人行道欄毀壞。(7)北橋臺帽梁及側(cè)墻開裂,縫寬5mm。3.3原因分析3.3.1負荷使用下的結(jié)構(gòu)失效機理該橋設(shè)計荷載標準較低。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,交通流量增長較大,特別是超載運輸車輛的增多,使長期處于超負荷使用下的桁架變形,墩上結(jié)構(gòu)開裂以及橋面結(jié)構(gòu)損壞。另外,桁架的橫向聯(lián)系系統(tǒng),在當今的車輛荷載作用下顯得薄弱,已不能滿足桁架的協(xié)同受力工作,即剛度不足。3.3.2臺沉降不均勻該橋南臺為擴大基礎(chǔ),其他墩臺均為鉆孔灌柱樁基礎(chǔ),所以墩臺沉降是不均勻。如南臺與相鄰橋墩的相對高差達4cm,由于桁架是超靜定結(jié)構(gòu),不均勻沉降產(chǎn)生的過大內(nèi)力導(dǎo)致1號孔桁架端部節(jié)點全部開裂損壞,以及墩上“門”型立柱根部產(chǎn)生裂縫。3.3.3施工時未斷續(xù)該橋每跨桁架的上弦桿端部搭接在墩臺上,施工時未斷開而形成聯(lián)接扣死,伸縮縫成假縫,改變了橋體的受力體系,使部分桁架上弦桿端部節(jié)點產(chǎn)生裂縫。3.4梁-板、板、墻安裝(1)在橋梁每孔端部、L/4處各增設(shè)一道剪刀撐和一道上橫系梁;拱頂處增設(shè)一道橫隔板。剪刀撐采取預(yù)制安裝,橫系梁及橫隔板采取現(xiàn)澆方法施工。(2)對所有墩上斷裂的“門”型柱采用擴大截面法加固:即先用環(huán)氧樹脂砂漿修復(fù)裂縫,然后在墩上橫梁跨中新增立柱,以減小橫梁跨度。新增立柱采用微膨脹混凝土現(xiàn)澆,以使新老構(gòu)件結(jié)合。(3)對桁片上弦桿端部節(jié)點裂縫采用環(huán)氧樹脂灰漿粘貼鋼板法加固修復(fù)。(4)對橋面系進行全面加固:拆除更換已裂縫破損或不規(guī)則的微彎板,以及全橋鋪裝層,新做11cm厚鋼纖維鋼筋混凝土鋪裝層,同時增設(shè)7道橋面伸縫裝置(型鋼伸縮縫),以提高橋面系的整體承載能力。(5)對人行道進行加固:拆除人行道上損壞的微彎板和所有攔桿,采用體外補筋法加固人行道挑梁后再安裝人行道板和欄桿。(6)拆除北橋臺損壞的帽梁和側(cè)墻,用C20鋼筋混凝土澆注修復(fù),并按原樣式進行表面修飾。(7)在所有墩臺上的拱腳處增設(shè)鋼筋混凝土防震擋塊,增強拱腳處防震功能。3.5汽-15級動載體橋體力學性能指標測試該橋的維修加固施工僅用3個多月時間,驗收時對該橋進行的動靜載試驗檢測,結(jié)果表明,該橋在加固后剛度明顯加強,在汽-15級動載作用下,橋體仍然處于彈性狀態(tài)。因此一次性通過了竣工驗收,被評為優(yōu)良工程,并被省交通廳評為年度優(yōu)秀養(yǎng)護項目。4老橋病害檢測的技術(shù)條件限制桁架拱橋的病害及損傷原因,如設(shè)計荷載標準低、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、年限長、混凝土和鋼筋老化等多方面的因素影響而有所不同,因技術(shù)條