武宿立交枢纽主线桥病害分析及加固措施

孙建芳

（山西太旧高速公路有限责任公司工程技术部，山西 太原 030600）

1 工程概述

1.1 原桥结构要点

武宿立交枢纽位于太旧高速公路的西段K520+289处，太原市南郊，是连接太旧高速公路、太原东山过境高速公路、太原南环高速公路、太榆路、机场路的重要交通枢纽，上跨石太铁路，由2.8 km主线和19条匝道（1995年建成15条，2007年续建成4条）组成。

武宿立交主线桥上部结构为预应力混凝土连续箱梁，跨度28~40 m，全长1 082 m。左右分幅，左幅桥合计1 078.93 m，右幅桥合计1 073.229 m。单幅桥箱梁采用单箱双室、三室、四室截面，下部结构为柱式墩台，钻孔灌注桩基础。桥面铺装厚15 cm，包括8 cm防水混凝土基层和7 cm沥青混凝土面层。

除L6#、R7#两联外，主线桥其他各联桥均采用支架现浇施工，截面形式为单箱双室。箱梁梁高2.2 m，每跨设3道中间横隔板，顶板、底板、腹板与横隔板相交处设倒角。

L6#、R7#两联桥采用顶推法施工。两联桥均采用箱形截面，底板水平，顶板设2%的横坡，梁中心线处高2.2 m。L6#桥采用单箱双室截面，R7#桥采用单箱三室截面。

箱梁内均设置纵向预应力，支点横隔板内设置横向预应力，均采用6—7Φ5预应力钢绞线束、OVM15—6锚固体系，预应力钢绞线标准抗拉强度为1 500 MPa，箱梁内纵向预应力张拉控制应力为1050MPa，横隔板内横向预应力张拉控制应力为1095MPa。主梁纵向预应力钢束均为短束，分段布置，锚固在梁端和跨间布置的齿板上。

原桥箱梁按全预应力混凝土构件设计，将梁体视为等高度、变截面、变刚度连续梁，按施工阶段和运营阶段两种情况计算，其中不均匀沉降按1.0 cm考虑。

1.2 桥梁存在的主要问题和维修加固设计

1.2.1 存在的主要问题

作为太旧高速公路的重要交通枢纽和太原市重要交通出入口，武宿立交长期承担着繁忙的交通任务，造成桥梁结构出现多种病害和缺损，结构承载力和刚度有不同程度的削弱，并影响到其耐久性，对安全运营构成严重隐患。根据2007年8月、2009年5月进行的桥梁定期检查和2009年10月进行的专项检测，主线桥箱梁腹板出现竖向裂缝和斜裂缝，底板存在横向裂缝和纵向裂缝，桥墩盖梁和桥台开裂，一些支座破损，支座调坡抗震构件与墩帽接触，主要承重构件缺损严重，病害发展明显，按重要部件最差的缺损状况评定为“三类”桥梁，结构状态较差。

2007年9月，西安公路研究所对L5#桥进行了动静载荷载试验。结果表明，箱梁承载能力有所下降，抗弯承载力安全储备不足，抗剪强度和刚度难以满足设计和使用要求。

1.2.2 武宿立交历年维修加固情况

鉴于以上原因，武宿立交枢纽近些年进行了多次的维修加固，主要维修加固项目包括：

2004年：J匝道桥变截面端粘贴钢板加固维修。

2005年：路面改造维修；A、B、I、H匝道桥变截面处粘贴钢板补强；Q2匝道桥加固。

2008年：主线L5#桥箱内体外预应力补强；B匝道桥和J匝道桥维修；主线桥箱内病害处治。L5#桥的加固方法包括在两个边跨内布置体外预应力钢束、两个边跨自梁端一定范围内箱内腹板上粘贴竖向抗剪钢板、两个边跨梁底粘贴碳纤维布等。

2 桥梁病害情况及发生原因分析

2.1 主线桥主要病害情况

根据2007年8月、2009年5月进行的桥梁定期检查和2009年10月进行的专项检测，武宿立交枢纽主线桥出现的主要病害包括：

（1）箱梁腹板跨中附近存在竖向裂缝，最大宽度达1.5 mm，1/4跨或3/4跨处出现斜向裂缝。

（2）箱梁底板存在横向裂缝和纵向裂缝，其中横向裂缝最大缝宽1 mm，纵向裂缝最大缝宽0.53 mm。从2007年到2009年，裂缝数量、宽度均明显发展，且修补后的裂缝均重新开裂。

（3）箱梁底板、顶板混凝土存在缺损、麻面、空鼓、露筋、露波纹管等缺陷。

（4）部分桥墩盖梁存在竖向、斜向裂缝，缝最宽0.5 mm。从2007年到2009年，桥墩盖梁裂缝无明显发展。

（5）左幅第15跨14#墩2#支座破损，建议更换。

（6）共计70个支座调坡抗震构件与墩帽挤死，处于受力状态，影响梁自由伸缩。

（7）现场回弹试验测得一些位置箱梁混凝土强度低于原设计值，最低强度为37.4 MPa，不到原设计强度（50#混凝土）的80%。

（8）箱梁碳化深度最大值为4.7 mm，最小值为1.1 mm，平均值为2.7 mm，混凝土碳化对钢筋锈蚀有轻微影响。

（9）有15跨箱梁实测钢筋保护层厚度评定标度值为5，表明保护层厚度对结构钢筋的耐久性影响很大，钢筋易失去碱性保护，发生锈蚀；有2跨箱梁实测钢筋保护层厚度评定标度值为4，对结构钢筋耐久性有较大的影响。

2.2 病害发生原因分析

（1）各种大吨位车辆大幅增加，在长期超载超限车辆作用下，导致底板横向裂缝和腹板斜裂缝的出现。

（2）武宿立交于1995年10月建成通车，至今已超过15年。桥梁检测、荷载试验和加固前结构分析结果表明，受长期混凝土徐变、碳化、开裂、预应力损失的影响，一些主梁的抗弯、抗剪承载力及刚度减小，安全储备不足。

（3）箱梁腹板及底板厚度变化处过渡段较短，容易出现应力集中，利于裂缝开展。

（4）主线桥箱梁预应力筋采用短束，多根预应力筋锚固于跨间同一断面，造成该断面两侧预应力效应急剧变化，齿板外侧出现一定拉应力。当超出混凝土抗拉强度时，将造成箱梁顶、底板出现横向裂缝。

（5）箱梁普通钢筋配筋率偏小，主线桥箱梁上、下缘纵向钢筋采用Φ10的圆钢筋，间距20 cm；箍筋采用Φ10的圆钢筋，每个腹板内2肢，间距10~20 cm，不利于裂缝的防止和控制。

（6）在超载重车反复作用下，箱梁顶、底板横向裂缝发展至腹板，形成贯通的U形裂缝。

（7）由于预应力损失、超载重车、施工质量等原因，造成腹板抗剪能力不足，在腹板中产生斜裂缝。

（8）箱梁局部保护层较薄，不利于钢筋防锈和控制裂缝开展。检测发现的箱梁纵向裂缝就是由于波纹管位置偏差，造成混凝土保护层较薄，由张拉后管道压浆引起，或为混凝土顺钢筋方向产生的收缩裂缝。

（9）经调查，由于种种原因，施工过程中存在控制不良现象，造成局部混凝土质量差，个别地方出现蜂窝麻面及露筋现象；部分预应力筋张拉、锚固、压浆有问题，有些部位普通钢筋布置未严格遵照设计图纸。这些均对结构受力产生不利影响，经长期使用在箱梁中出现多种病害。

（10）桥面铺装经过多次后期维修、加铺，实际铺装层厚度已超过原设计厚度较多，箱内杂物较多，这些均增加了箱梁的附加荷载，恶化了结构受力状况。

3 维修措施

3.1 维修设计总体思路

根据主线桥的结构形式和存在的主要问题，维修设计总体思路为：

（1）在对箱梁主体结构加固之前，将原桥面铺装凿除，待梁体维修加固完成后，重新进行桥面铺装。

（2）对主线桥箱梁顶、底板裂缝较为严重的梁跨，增设体外预应力，提高原桥的预应力水平。

（3）对匝道桥箱梁跨中附近梁底和中支点附近梁顶增设预应力，提高箱梁的承载能力，改善受力状况。

（4）在箱梁腹板竖向、斜向裂缝较宽、较多的部位粘贴钢板，提高截面的抗剪能力。

（5）对开裂较为严重的桥墩盖梁粘贴碳纤维布，对裂缝进行覆盖，并控制裂缝的进一步发展。由于L6、R7#桥下新建铁路的电气化接触网距主梁梁底较近，以后对梁底进行维修处置将比较困难，对该两联桥梁底纵向裂缝宽度较大和保护层厚度偏薄的区域也粘贴碳纤维布。

（6）对箱梁和墩台的混凝土病害进行处治。

（7）对破损的支座进行更换，切割与墩台盖梁挤死的支座调坡抗震构件。

3.2 混凝土缺陷处置

对箱梁和墩台上的混凝土裂缝，大于等于0.15 mm的裂缝采用压力注胶法修补，小于0.15 mm的裂缝采用表面封闭法修补。

混凝土缺损部位应凿除松散混凝土，然后用聚合物水泥砂浆（混凝土）或改性环氧砂浆（混凝土）填充补平。

混凝土露筋部位应凿除松散混凝土，并清除钢筋锈迹，喷涂阻锈剂，然后用聚合物水泥砂浆（混凝土）或改性环氧砂浆（混凝土）填充补平。

3.3 主线桥箱梁体外预应力加固

鉴于原桥箱梁顶、底板出现多条横向裂缝，为提高原桥的预应力水平，减小箱梁内力，提高其承载能力，在箱梁内增设体外预应力，方法是在箱内靠近腹板位置布置体外预应力钢筋，在跨中范围靠近底板布置，在中支点附近弯起，在箱梁中支点横隔板上部钻孔，预应力筋穿过横隔板进入下一跨箱梁，依次通过各梁跨，一联内连续布置，直至本联箱梁端部进行锚固。每束钢束的钢绞线根数为7根、9根或12根，每个箱室内布置2束。在各联箱梁内靠近梁端位置布置钢筋混凝土锚固块，用以锚固新设的体外预应力钢束，钢束采用两端或单端张拉。钢束自梁底向梁顶竖弯位置设置钢筋混凝土转向块，自梁顶向梁底竖弯位置设置钢转向块，并在其中布置转向钢管。钢束遇跨间横隔板开孔通过，钢束张拉后在钻孔内填充橡胶隔振材料，并在较长自由钢束中间位置设混凝土定位块，对钢束起定位、隔振作用。

主线梁箱梁箱内连续体外预应力筋维修加固范围为除了2007年已进行体外预应力加固的L5#桥两个边跨之外的其余左、右幅各跨，包括左幅桥（R1~R7#桥）31跨，右幅桥（L1#~L6#桥）31跨，共62跨。

3.4 箱梁粘贴抗剪补强钢板加固

根据箱梁腹板开裂情况，在主线桥箱梁外腹板内侧和内腹板两侧、A匝道桥箱梁腹板外侧粘贴竖向抗剪钢板进行补强，以提高截面的抗剪能力，控制腹板裂缝的开展。主线桥共在31跨箱梁腹板上粘贴抗剪补强钢板，A匝道桥共在22跨箱梁腹板上粘贴抗剪补强钢板。

3.5 箱梁、桥墩盖梁粘贴碳纤维布

L6、R7#桥下的铁路建成后，其电气化接触网距主梁梁底较近，以后对梁底进行维修处置将比较困难。因此，此次对该两联桥维修施工时，在箱梁底板纵向裂缝宽度大于0.2 mm和保护层厚度偏薄的区域混凝土表面粘贴碳纤维布，控制裂缝的开展，阻止钢筋锈蚀，提高结构的耐久性，具体范围包括L6、R7#桥的第1、2跨箱梁底板。

部分桥墩盖梁在定期检查中发现多条裂缝，且裂缝宽度在0.2 mm以上。在对裂缝进行处置后，对盖梁表面采用粘贴碳纤维布，对裂缝进行覆盖，并控制裂缝的进一步发展。

3.6 重做桥面铺装

为改善本次维修加固后的行车条件且更好地发挥加固改造效果，减轻梁体加固时的有效荷载，在对主体结构加固之前，将主线桥原混凝土调平层和沥青混凝土铺装凿除。待梁体维修加固完成后，在顶板上植筋，设置钢筋网，采用C45钢纤维混凝土基层＋沥青混凝土面层重新进行桥面铺装，改善桥面铺装和梁体的共同受力，增加箱梁的承载能力，提高桥面铺装的使用性和耐久性，增加桥上行车的舒适性。

主线桥原设计桥面铺装为8 cm防水混凝土基层＋7 cm沥青混凝土面层，总厚度15 cm。由于武宿立交桥面已多次维修、加铺，实际铺装厚度比设计厚度要大，凿开实测主线桥桥面铺装约为19 cm。为保证维修后桥面与武宿立交枢纽其他部分连接平顺，并维持原白＋黑桥面结构，基层采用水泥混凝土，面层采用沥青混凝土，便于施工找平和设置防水层。在本次设计中，主线桥桥面铺装总厚度均采用目前的实际厚度，分别为19 cm和16 cm，主线桥桥面铺装构造为11 cmC45钢纤维混凝土防水混凝土基层＋防水层＋8 cm沥青混凝土面层。

3.7 支座更换与维修

根据2009年定期检查报告，主线桥共计70个支座调坡抗震构件与墩帽挤死影响箱梁的自由伸缩，需予以切割分离。

3.8 混凝土表面涂装

在对箱梁病害进行处置后，采用粘结力强、具有较好耐候、耐水、耐酸碱性能及良好施工性能的混凝土表面专用涂料对箱梁外露部位进行涂装，对箱梁表面起到长期的保护作用，并同时达到装饰美化效果。

4 其他

（1）为保证维修效果，并重新对桥面进行铺装，在桥梁维修施工期间封闭交通。

（2）施工前，应对照实桥和施工图认真测量放样，同时对病害进行复核。

（3）维修施工应采用本设计配合本桥原设计图实施，如发现实际构造与原设计存在较大出入，应及时通知业主和设计单位。

（4）若维修施工期间发现新的病害，应及时通知业主和维修设计单位。

（5）本说明未尽事宜，应严格按照国家有关技术规范的要求进行施工。

（6）因桥梁病害情况复杂，在施工阶段需根据实际情况加强动态设计，对病害进行根本性处治。

（7）虽然在加固设计时已考虑了活载超载，但从延长桥梁使用寿命、提高结构耐久性、确保运营安全等方面考虑，在未来的公路运营中，应加强对超载、超限车辆的管理力度，禁止超标车辆过桥，减小对桥梁的破坏。