大跨度连续梁桥病害成因分析及维修改造设计

徐晓东，黄浩，郑国华

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088）

大跨度连续梁桥病害成因分析及维修改造设计

徐晓东，黄浩，郑国华

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088）

大跨度预应力混凝土连续梁桥在运营若干年后，容易出现箱梁腹板开裂、顶、底板纵横向裂缝，跨中下挠等病害，这些病害严重影响到桥梁的结构的安全及正常使用。以某淮河大桥为例，介绍了该桥出现的病害情况，分析了病害产生的原因，进行了分阶段的维修改造设计和方案比选，综合考虑结构安全及适用性、运营管理、预期使用寿命、社会影响、风险评估、建设安装费等，建议采用方案二作为此次桥梁维修改造的方案。

连续梁桥；桥梁病害；加固设计；方案比选

0 引言

预应力混凝土连续梁桥由于施工工艺简单成熟、材料来源广泛、工程造价低、使用性能好、运营养护简单等优点，得到迅速发展和应用，在我国现役桥梁中占有较大的比重[1]。尽管预应力混凝土连续梁桥具备诸多优势，但由于早期设计理论不完善、施工质量缺陷、负荷超载以及管养工作不力等方面的原因[2]，造成大跨度预应力混凝土连续梁桥在运营一段时间之后，容易出现箱梁腹板斜向或竖向开裂，底板纵向、横向或斜向开裂，顶板纵向开裂，跨中变形等病害[3]，影响桥梁结构安全和正常使用，有必要进行维修改造。桥梁维修加固改造是一项十分重要而又需要将专业知识灵活运用的工作，综合考虑病害成因、影响范围、维修加固技术、成本管理等因素，选择合理的维修改造措施是一项至关重要的工作。

本文依托于某淮河公路大桥，首先介绍了该桥的基本情况，并根据数次检测报告，对桥梁的病害发展情况进行了分析并给予了对应的加固措施。最后根据桥梁上部结构拆除后的现场反馈，对该桥病害出现的可能原因进行了剖析。

1 工程概述

某淮河公路大桥主桥跨径布置为65 m+98 m+65 m变截面连续梁（见图1、图2），是105国道跨越淮河的一座重要桥梁。桥面宽度20.5 m，桥面布置为：0.5 m（防撞护栏）+19.5 m（桥面净宽）+0.5 m（防撞护栏）；设计汽车荷载为：汽车-超20级，挂车-120；设计通航：Ⅲ级通航标准，净宽40 m，净高8 m，最高通航水位28.37 m；抗震等级：地震烈度6度，按7度设防。该淮河公路大桥于1998年7月设计完成，1999年10月建成通车。主桥在责任缺陷期内，发现主跨底板即出现开裂现象。

图1 淮河大桥主桥整体概貌

该大桥从2000年9月至2014年3月先后进行了多次专项定期检测及评定。检测发现：主桥中跨合拢段箱内顶、底板存在混凝土崩裂现象；箱梁腹板存在大量斜向裂缝，部分裂缝缝宽超限，贯穿腹板；中跨箱内有部分预应力束齿板存在开裂现象；墩顶横隔墙普遍有开裂现象；少数盆式支座上下地脚螺栓存在抵触现象，影响支座滑动及减震功能；墩顶处桥面铺装破损较严重；主桥技术状况评定结论表明该桥主桥桥面系为4级、上部结构承重构件为5级，下部结构为3级，综合评定为四类桥梁。

图2 淮河大桥主桥桥跨布置图

2 桥梁病害及成因分析

2.1 桥梁病害情况

（1）边跨病害情况

9#墩第13#块右腋板有1处空洞，S=0.3 m×0.2 m，露筋两根，均长0.1 m（见图3（a））；第11#块下齿板有1条顺桥向裂缝，L=0.6 m，W=0.10 mm（见图3（b））。

图3 第9跨箱室内病害情况

箱内腹板裂缝封缝处理较好，未见明显变化。主要病害表现在10#墩9、10号块结合处右腋板，存在空洞漏筋现象和11跨现浇块与悬浇跨之间空洞漏筋现象（见图4、图5）。

图4 腋板空洞露筋

图5 现浇块接缝处空洞露筋

箱外底板有3处裂缝（见图6），缝宽0.16～0.18 mm，另外有1处露筋锈蚀现象（见图7）。

图6 第9跨底板裂缝平面示意图（单位：mm）

图7 第9跨箱室外病害情况

（2）主跨病害情况

该跨箱梁腹板裂缝在2010年加固时已经采用环氧树脂或压力灌胶处理，已经处理的裂缝未见明显变化。箱梁内齿板裂缝未处理，且宽度稍有增大，最大达到5 mm，为9号墩11＃块左齿板竖向裂缝（见图8）。

图8 箱室内齿板开裂

箱外腹板裂缝和底板均未进行专门处理，仅作涂装处理，腹板裂缝和底板纵向裂缝均从涂装反射出来，涂装反射的裂缝宽度约为0.1～0.3 mm之间（见图9）。

图9 腹板与底板裂缝分布

箱室底板外侧裂缝情况见图10。

图10 主桥主跨底板外侧裂缝分布示意图

箱外观察总体线形，从护栏向下扭曲结合桥面高程测量分析，主跨下挠明显，跨中合拢段下挠18.15 cm（见图11）。

图11 桥面两侧护栏跨中处向下扭曲，有明显下挠

2.2 病害成因分析

主桥病害主要集中表现在箱梁中跨底板、主梁腹板以及齿板出现较多裂缝、跨中下挠明显。造成主梁箱梁底板，腹板以及齿板出现严重开裂的原因众多，根据计算结果并结合调查资料分析后，认为引桥主桥出现病害的主要原因有以下方面：

（1）设计理念的不同

该桥设计于20世纪90年代，正是我国交通建设开始迅速发展的时候，那个时代大跨径桥梁设计理论还有待进一步完善，对于大跨径混凝土箱梁桥还处于探索及经验积累阶段，导致以下的问题出现：

a.箱梁横向腹板间距较大，剪力滞效应及箱梁畸变效应较为明显；

b.由于历史设计理念的局限，1997年左右流行悬浇箱梁抗剪主要通过主梁竖向精轧螺纹钢抗剪，腹板均未配置下弯钢束；

c.混凝土收缩徐变效应理论不完善，对主梁应力、挠度等影响的程度还无法准确计算。

（2）施工质量上的差距

a.施工质量较差，根据检测报告，箱梁内存在多处空洞和振捣不密实以及胀模现象；

b.齿板处钢筋以及预应力管道密集，混凝土浇筑时，极易出现振捣不足、振捣不到位或振捣过振等现象，从而造成齿板各处混凝土强度不均匀；

c.实际桥面铺装层厚度普遍超出设计值，最大厚度达到设计厚度的2倍，即最大达到20 cm，造成二期恒载过大，对主梁受力不利的影响；

d.全桥腹板大量裂缝未进行处理，主梁跨中箱梁底板下缘纵向裂缝未进行处理，箱内增设一道桁架腹板在改善横桥向的受力同时，对纵桥向起到一定的恒载作用，特别在新增腹板与原箱梁顶底板脱离时。

（3）运营管理的现实

a.车辆超载现象严重，根据现场调查结果，桥址两岸装砂超载车辆极多，过桥超载车辆普遍，特别在2010年大桥设立治超站以前，超载现象更为严重，未设立治超站之前，过桥车辆最大可达到150余t的6轴货车。

b.桥梁养护资金、技术力量不足。由于技术力量、资金等因素的限制，发现病害未能及时有效处理，导致病害进一步加重从而引起结构的连锁反应；缺少对结构的日常监测，无法准确判断诸如主梁下挠等情况；建设、施工、养护等资料收集、整理不完善，导致无法对结构进行更深入的了解和分析。

（4）各种因素的相互作用（见图12）

图12 多重因素相互作用示意图

a.根据2004年监测报告可知，主梁至2009年加固后至今，刚度降低较大。因此如考虑跨中箱梁底板开裂，刚度的折减，在超载作用下，主梁底缘所受拉应力将进一步增大，这也是主梁在2014年检测发现底板开始出现横向裂缝的主要原因之一。

b.主梁竖向挠度的增大、齿板裂缝的增大，都逐渐造成预应力损失不断增大，有效预应力不断减小。

c.主梁收缩、徐变效应的影响，导致主梁预应力的损失，从而进一步加剧了主梁的下挠和主梁的开裂。

3 桥梁维修改造方案设计与比选

3.1 维修改造的必要性和目的

根据该淮河公路大桥养护定期检测报告，主桥上部承重构件均评定为5级；主桥总体技术状况评分为56.32，总体技术状况等级评定分别为四类。

根据《公路桥涵养护规范》（JTGH11-2004）第3.5.条规定：三类桥梁需进行中修，酌情进行交通管制；四类桥梁需进行大修或改造，及时进行交通管制，如限载、限速通过，当缺损较严重时应关闭交通；五类桥梁需要进行改建或重建，及时关闭交通。

根据上述方面的综合分析并结合桥梁的检测情况和现状，该桥主桥总体技术状况较差，严重影响结构安全，影响G105的正常运行，对沿线居民及当地生产生活有很大影响，因此，有必要对该桥进行维修加固甚至拆除重建，本次维修改造的目的主要有以下方面：

（1）保证结构的安全性；

（2）恢复桥梁的使用功能；

（3）在安全性和适用性得到保证的前提下考虑改造方案全寿命期内的经济性。

3.2 维修改造方案设计

为达到前述维修改造目的，解决目前该桥出现的问题，本阶段确定的处理方案主要有：主桥维修加固方案设计；主桥上部结构更换方案。

（1）方案一：主桥维修加固方案

主要内容有：凿除原主桥桥面铺装层；主墩下部基础施工；主梁体外预应力加固施工；主梁局部修补及局部补强(含主梁梁底粘贴钢板局部补强)、钢筋锈蚀处理,裂缝处理；主墩局部修补及局部补强；更换桥面铺装层和伸缩缝等。

（2）方案二：主桥上部结构更换方案

主要内容有：拆除箱梁，改建上部结构；主墩及过渡墩维修改造等。

3.3 方案比选

方案一（维修加固方案设计）和方案二（上部构件更换、下部维修利用方案）分别从维修和更换构件两个方向出发对主桥和跨堤引桥进行了方案设计，以下从几个方面对二个方案进行详细比较，并根据比选结果提出推荐方案：

（1）结构安全及适用性

方案一在常规维修处理的基础上，主桥对主梁进行体外预应力加固处理，但考虑到本桥部分基础资料不全，目前很难对该桥进行详细的、精确的结构计算分析，体外预应力的设置可能会造成某些局部区域的受力风险，因此方案一体外预应力加固存在较大的加固风险，后期运营期需要定期观测并采取一定限载通行方案。

另外由于主桥原结构无腹板下弯钢束等先天缺陷无法消除，已出现的裂缝及隐含未发现的病害将作为永久缺陷存在于桥梁服役期，因此该桥采取维修加固方案，结构施工和运营均存在很大的风险，加固效果难以达到理想设计效果。

方案二将原有上部结构进行更换，彻底消除了原有病害，在桥梁建设之初就能够采用成熟的经验和理论，按照现行规范进行重新设计，保证在结构设计寿命内不出现大的问题，从根本上达到本次维修改造的目的。

（2）运营管理、社会影响方面

a.运营管理方面

方案一由于缺陷无法根本消除，维修效果难以保证，本次维修后在运营过程中可能出现病害进一步扩大或新增病害的风险，为及时发现、及时处理可能出现的病害，保证桥梁结构及来往群众的生命财产安全，必须进行短周期或实时的检测、监测，加强平时的人工巡检和养护。

方案二采取更换上部构件，相当于新建桥梁，检测、养护周期均按照新建桥梁进行，相比方案一、方案二的检测、养护投入的成本和任务量明显降低，从而减小对地方养护部门的压力和交通压力。

b.社会影响方面

方案一采取维修加固方案设计，仅仅需要对主梁进行局部凿除，无需全线双幅封闭交通，短期内交通和社会影响较小，但考虑到该桥加固后效果不能保证完全达到理想效果，后期运营期需要定期观测和一定程度上的限载通行，对沿线交通运输、经济发展产生一定影响,社会影响和经济效益较差；方案二需拆除上部构件，临时封闭交通，短期内社会影响可能较大，但只要采取一定措施可以将该影响减小到最小，且建成后无需限载通行，长期影响较小，经济效益较好，特别对周边交通影响降低到最小，且为周边交通通畅作出较大贡献。

4 结论

（1）综合考虑结构安全及适用性、运营管理、预期使用寿命、社会影响、风险评估、建设安装费等，方案二较方案一更具有上述的优势，可以成为本次桥梁加固改造的推荐方案。

（2）大跨度预应力混凝土梁桥挠度过大与腹板开裂已成为我国具有典型型桥梁病害，在桥梁运营短期内开始出现该种病害的维修加固已不下于十座，但是目前为止，仍缺乏行之有效的技术手段予以消除。

（3）桥梁病害的出现应及时对其做出反应，病害会加速桥梁刚度降低，后期造成很大的损失，影响到桥梁的使用寿命。

[1] 赵崇基.基于模型修正的混凝土连续梁桥运营安全性能评估的试验研究[D].山西太原:太原理工大学,2015.

[2] 周剑.连续刚构桥跨中合龙段底板崩裂的防治研究[D].重庆:重庆交通大学,2009.

[3] 李邦映,屈计划.大跨度连续梁桥病害成因分析[J].工程与建设,2016,30(3):300-302.

[4] 交通运输部公路科学研究院.公路桥梁技术状况评定标准[M].北京:人民交通出版社,2011.

U445.7+1

B

1009-7716（2017）11-0090-05

2017-06-01

徐晓东（1969-），男，安徽合肥人，高级工程师，从事桥梁设计工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.026