钢筋混凝土桁架拱桥病害分析与处理

钢筋混凝土桁架拱桥病害分析与处理

20世纪60年代，钢筋混凝土拱桥逐渐形成并标准化。结构简单、施工方便、成本低的普通桥梁。广泛应用于道路和供水的建设。随着时间的推移,经济的发展带来交通流量的大幅增长,特别是超载运输车辆的作用,早期修建的荷载标准低的桁架拱桥出现了不同程度的病害和损伤。笔者多年来从事公路桥梁的养护工作,浅谈部分心得体会如下。1交通量大造成桁架竖向裂缝或者断裂,引起桥面施工安全主要原因是桥台、墩基础出现不均匀沉降,使拱脚处出现竖向剪切应力,导致拱脚处下弦杆件出现裂缝。主要原因是桥台、墩基础出现不均匀沿降,造成上弦杆端部凸杆与桥台、墩柱搭接扣死,使该节点出现竖向剪切应力,导致节点出现裂缝。主要原因是由于原桁架拱桥设计标准较低,横向联系较簿弱,而近10年来交通量大而且超载车辆比例大,造成桁架竖向变形量大,使横向联系的梁、杆、板出现竖向裂缝,甚至断裂。主要原因是桥面板设计标准低,微弯板或拱波厚度不足,混凝土强度低,桥面铺装层薄弱,造成桥面刚度不足,随着交通量的大幅增加,特别是超载车辆的破坏作用,致使桥面铺装层和微弯板开裂,如不及时维修,部分微弯板发生破碎,形成桥面坑洞而影响行车安全。主要原因是桁架拱桥设计时不设伸缩装置或仅设置简易伸缩缝,混凝土强度设计较低,由于交通量的增加且超载车辆的破坏作用,桥面接缝处混凝土损坏严重,逐渐开裂、破碎,使接缝处面积逐渐扩大而影响桥梁的安全使用。主要原因是桁架拱桥的人行道设计一般采用在边桁片上弦杆上置挑梁承托人行道板的方法。随着人群荷载的增加,挑梁受超载弯矩过大,致使下垂变形,如不及时进行加固,可能发生人行道垮塌的安全事故。主要原因是设计时在该处未考虑断开,并设置伸缩缝装置,桥两跨的振动破坏形成裂缝。2维修加固方法2.1上、下、左弓杆端部节点的维护加固方法2.1.1桥节点处裂缝因桥梁台、墩不均匀沉降产生的桁架上、下弦桥节点处的裂缝已基本稳定,不再发展。可采用环氧树脂灰浆在其两面或三面粘贴钢板的方法进行维修加固(如图1、图2所示)。2.1.2地层混凝土和钢板的浇筑首先做好构件混凝土的表面凿毛和钢板的除锈工作,如节点处混凝土剥落严重,应将保护层混凝土凿除再粘贴钢板。其次要先处理裂缝,即对裂缝先进行灌浆(环氧灰浆)处理,然后再粘贴钢板。第三,由于拱脚处要经常处于水流以下,为防钢板锈蚀,对拱脚处加固还应在粘贴钢板后立模浇筑外包混凝土。2.2梁、臂、横截面框架的维护加固方法2.2.1横向加固全桥加固方案因桁架拱桥设计标准低,横向联系薄弱而不能适应大交通量或重载交通时,应考虑对全桥的横向联系系统进行整体加固。一方面可采取加大截面法加固横拉杆和横系梁,同时还应适当增加全桥的横向联系杆件,如增加剪刀撑、横系梁等方法加固横向联系系统,以增强全桥的整体承载能力和稳定性。2.2.2混凝土施工(1)加大截面法。加大横系梁、横拉杆截面要先进行加筋的焊接处理,要凿开节点处的钢筋保护层将需要增加的钢筋按设计焊接到接点处;采用吊模法浇注混凝土,混凝土中应适当掺加膨胀剂。(2)剪刀撑、横系梁的施工采用预制安装即采用挂篮施工、流水作业的方法,其重点是湿接头的施工。湿接头施工包括接头钢筋的焊接和混凝土的浇注两个方面。接头钢筋焊接主要是桁架节点处钢筋保护层的凿除要慎重,即要露出钢筋便于焊接,更要注意不要凿的太深、太大,防止损伤杆件。混凝土的浇注在于立模要规范,严防漏浆;拆模时要对湿接头混凝土及时进行整修和养生,确保接头混凝土强度达到设计标准。2.3微弯板维护和铺装层裂缝和破碎的加固方法2.3.1铺装层混凝土强度低的情况因微弯板混凝土强度不足而产生的桥面铺装层裂缝、破碎应撤换微弯板和铺装层;因桥面铺装层混凝土强度低而微弯板尚未损坏产生的桥面裂缝可撤换铺装层。为适应现今大交通量和重载交通需求,采用钢纤维钢筋混凝土加固桥面系的方法简易、可靠,可大幅增强桥面系的整体承载抗裂能力,效果显著。设计时,桥面铺装层的布筋也要适当增加。2.3.2混凝土混合料的制备钢纤维混凝土的施工工序与普通混凝土基本一样,关键是钢纤维混凝土的拌和和摊铺时的振捣两点。前者应先干拌再加水湿拌,保证钢纤维在混合料中均匀分布;后者应避免钢纤维聚集。2.4路堑拉西侧、变形和接头裂缝的维护加固方法2.4.1立钢斜段正截面加固加固在边桁片上弦杆上置挑梁承托人行道板,因悬臂过长,设计人群荷载偏低及其他原因引起人行道下垂、变形的病害可采用立钢斜支承或体外补筋法加固。体外补筋法即在桥面铺装层中增加两侧挑梁的横向抗拉钢筋。原桥两跨接缝处人行道板未分开的要进行人行道与拦杆分离设计,使之适应桥面系行车变形(见图3)。2.4.2撑前端固接钢板与上弦杆的安装(1)人行道挑梁的维修加固施工要先拆除拦杆和人行道板,后对挑梁进行加固。采用槽钢打斜支撑时要注意支撑下端固接钢板与上弦杆的粘贴施工,包括箍筋的安装等。如同时维修桥面铺装层时,可采用埋置钢筋作拉抗筋以增强两侧人行道的横向联系。施工要点主要是增设钢筋与挑梁钢筋的联接(焊接)要紧密,有条件时可适当施加予应力。(2)人行道板断开施工要注意在上弦杆端头增设的人行道挑梁的安装施工,注意其稳定性和安全性。3例子加固3.1车-13级:车-13级某大型桥梁,为6×30m桁架拱桥,全长206m,宽10.9m,设计荷载汽车-13级,建成于1979年。该桥下部结构为柱式墩、组合式桥台,桥墩及北桥台为钻孔灌注桩基础,南台为扩大基础,上部构造每跨由6片桁架组成,每片桁架分两块预制,预埋钢板焊接,无支架缆索吊装,桁架闸由横系梁、横拉杆、横隔板相联接。3.2柱、梁结构裂缝(1)1~5号孔桁架拱顶下挠变形,其中2号孔最为严重,拱顶相对沉降达9cm,而且该孔动载效应明显。(2)所有桥墩上部“门”形立柱及横梁断裂(横梁作为桁架的上支撑点)。立柱裂缝位于根部,立面呈30~45°,缝宽1~5mm,横梁裂缝一般位于1/3~1/2处,2~3条,缝宽0.2~1mm不等。(3)1号孔6片桁架的北端上弦杆节点混凝土开裂。(4)桥面铺装层和微弯板严重裂缝破损。(5)桥面伸缩缝全部毁坏(原设计为自然缝)。(6)部分人行道挑梁混凝土开裂下垂,人行道栏毁坏。(7)北桥台帽梁及侧墙开裂,缝宽5mm。3.3原因分析3.3.1负荷使用下的结构失效机理该桥设计荷载标准较低。随着经济的发展,交通流量增长较大,特别是超载运输车辆的增多,使长期处于超负荷使用下的桁架变形,墩上结构开裂以及桥面结构损坏。另外,桁架的横向联系系统,在当今的车辆荷载作用下显得薄弱,已不能满足桁架的协同受力工作,即刚度不足。3.3.2台沉降不均匀该桥南台为扩大基础,其他墩台均为钻孔灌柱桩基础,所以墩台沉降是不均匀。如南台与相邻桥墩的相对高差达4cm,由于桁架是超静定结构,不均匀沉降产生的过大内力导致1号孔桁架端部节点全部开裂损坏,以及墩上“门”型立柱根部产生裂缝。3.3.3施工时未断续该桥每跨桁架的上弦杆端部搭接在墩台上,施工时未断开而形成联接扣死,伸缩缝成假缝,改变了桥体的受力体系,使部分桁架上弦杆端部节点产生裂缝。3.4梁-板、板、墙安装(1)在桥梁每孔端部、L/4处各增设一道剪刀撑和一道上横系梁;拱顶处增设一道横隔板。剪刀撑采取预制安装,横系梁及横隔板采取现浇方法施工。(2)对所有墩上断裂的“门”型柱采用扩大截面法加固:即先用环氧树脂砂浆修复裂缝,然后在墩上横梁跨中新增立柱,以减小横梁跨度。新增立柱采用微膨胀混凝土现浇,以使新老构件结合。(3)对桁片上弦杆端部节点裂缝采用环氧树脂灰浆粘贴钢板法加固修复。(4)对桥面系进行全面加固:拆除更换已裂缝破损或不规则的微弯板,以及全桥铺装层,新做11cm厚钢纤维钢筋混凝土铺装层,同时增设7道桥面伸缝装置(型钢伸缩缝),以提高桥面系的整体承载能力。(5)对人行道进行加固:拆除人行道上损坏的微弯板和所有拦杆,采用体外补筋法加固人行道挑梁后再安装人行道板和栏杆。(6)拆除北桥台损坏的帽梁和侧墙,用C20钢筋混凝土浇注修复,并按原样式进行表面修饰。(7)在所有墩台上的拱脚处增设钢筋混凝土防震挡块,增强拱脚处防震功能。3.5汽-15级动载体桥体力学性能指标测试该桥的维修加固施工仅用3个多月时间,验收时对该桥进行的动静载试验检测,结果表明,该桥在加固后刚度明显加强,在汽-15级动载作用下,桥体仍然处于弹性状态。因此一次性通过了竣工验收,被评为优良工程,并被省交通厅评为年度优秀养护项目。4老桥病害检测的技术条件限制桁架拱桥的病害及损伤原因,如设计荷载标准低、地质构造复杂、年限长、混凝土和钢筋老化等多方面的因素影响而有所不同,因技术条