广发大桥加固设计探究

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桥梁是公路交通的重要组成部分，其使用功能的好坏直接影响公路交通的通畅。随着我国经济的飞速发展，我国的公路桥梁事业也取得了长足的进步和发展，桥梁建设技术逐步向世界先进水平看齐，并正由桥梁大国向桥梁强国迈入。然而，由于勘察设计和施工技术水平的参差不齐，有些工程盲目追求进度和效益，使得我国在桥梁建设过程中存在许多问题亟待解决，许多桥梁在运营之后出现了大大小小的质量问题，使用寿命偏低、维护成本较大，维修加固设计已经成为了近年来的热点问题[1~10]。本文以广发大桥为工程背景，对桥梁在建设以及后期检测过程当中的检测结果进行综合分析，针对桥梁的的具体病害问题，分析其形成原因，并提出相应的加固措施。

1工程概况

广发大桥是广东西部沿海高速公路（珠海-阳江）台山段上的一座大桥，起点里程桩号K24+517.75，终点里程桩号K25+222.25，全长705m，其中跨三夹河流域220m。该桥上部构造均采用预应力混凝土先简支后结构连续的工字梁，跨径分别为20、30、40m，全桥32跨，桥跨组合为：（珠海岸）2×（7×20）m＋（30+2×40+30）m+2×（7×20）m（阳江岸），全桥共5联。桥梁左右幅分离，左、右幅桥宽均为11.848m，两幅间距为0.304m，全桥宽度24.00m。全桥20m跨径有28孔，30m、40m跨径各有2孔。该桥下下部构造桥台采用双肋式桥台，钻孔灌注桩基础；桥墩采用双柱式墩，钻孔灌注桩基础。经检测，广发大桥主要病害是桥台纵向位移、立柱倾斜、桥台背墙与梁段已顶紧、桥台背墙和耳墙有裂缝、部分梁体纵向和横向位移、梁体横隔板开裂，该桥被定为三类桥。

2桥梁主要病害及原因分析

广发大桥全长705m，上部结构采用预应力混凝土先简支后连续工字型梁桥，下部结构基础为钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。由于该桥位于软基路段，在施工期间，由于软基作用，该桥发生位移变形、桥台开裂，后经加固处理。通车以来，该桥病害有进一步发展的趋势，主要存在桥台纵向位移、立柱倾斜、部分梁体纵向和横向位移、梁体横隔板开裂等病害。

2.1梁体移位

梁体位移主要包括梁与支座之间的横向位移和纵向位移。病害原因分析：①梁与支座之间出现横向滑移的病因主要是：伸缩缝宽度过小，导致高温时伸缩缝异型钢顶死，随着温度继续升高，各联梁顶紧，桥台对梁纵向变形约束，梁体纵向变形能聚集，该变形能聚集达到一定量时，必将通过梁体变形而释放，梁向下受到桥墩支座约束，向上受到梁体自重平衡，而梁体位于墩顶支承处采用的为四氟滑板橡胶支座，横向约束不足导致梁体侧移；②梁与支座之间出现纵向滑移的病因主要是：a.桥台纵向位移产生了推力，广发大桥地处软土路段，土质松软，成分复杂，物理力学性能差，桩为摩擦桩，桥台位于不稳定的软弱土质内。桥台地基的淤泥层达20m深，桩顶周围土体对桩基侧向约束较弱，在施工期间就已经发生了桥台位移现象。运营后，桥台在前后不同的填土压力作用下，软土固结程度不同，导致土颗粒间有效压力不同，进而对台及桩的侧土压力不同，在软土压缩沉降、固结排水等作用下桥台产生位移，继而对梁产生了水平推力。b.梁体受温度膨胀产生推力，根据该桥的结构型式和环境条件估算，桥跨结构的梁体存在着较大的纵向伸缩变形，以7m×20m联为例，其温度伸缩变形可达约3.5cm，其伸缩变形量较大，在各联间预留伸缩宽度不够的情况下，温度作用下，梁体膨胀对桥台产生了反向水平推力。c.车辆荷载的冲击作用，桥头引道路基和桥台伸缩装置的不平顺将对桥台产生较大的冲击荷载作用，冲击荷载作用对桥台产生竖向和水平向的推力。

2.2主梁腹板病害

检查发现，大部分工字梁端头腹板存在短细的竖向以及斜向裂缝，其裂缝主要集中在梁体端部湿接头与预制梁接缝处，其裂缝形式主要有：①梁端腹板顶部的斜向裂缝；②梁端腹板的竖向裂缝；③梁端腹板底部局部剥落露筋或混凝土崩裂。病害原因分析：检查发现端头腹板出现竖向及斜向裂缝，主要集中在梁体端部湿接头与预制梁接缝处。而设计资料显示，连续工字梁墩顶处的湿接头是将预制梁外伸的普通钢筋通过绑扎焊接以及现浇桥面板钢筋相连接。由于后浇的梁端湿接头混凝土的收缩造成的开裂，致使梁端接缝处新老混凝土连接较差，在此位置抗剪承载力受到极大的削弱，是造成开裂的主要原因。

2.3横隔板病害

横隔板主要存在的缺陷为竖向开裂。病害原因分析：①本桥梁间距较大，梁的纵横向移动、支座摩阻作用、同跨各工字梁在活载作用下的不同挠曲等，均使横隔梁产生设计一般不考虑的应力。②本桥横隔梁采用现浇施工，横隔梁的现浇混凝土一般未考虑受支座约束时的收缩影响。

2.4盖梁病害

盖梁竖向裂缝已作封闭处理，大部分裂缝的修补质量良好，未见病害发展，仅有少数的裂缝修补后开裂。墩顶盖梁混凝土表面开裂、局部剥落露筋。主要是墩柱处盖梁侧面的竖向裂缝，以及盖梁侧面部分混凝土剥落露筋。病害原因分析：①盖梁侧面部分混凝土剥落露筋可能是由于受力影响和混凝土实际保护层厚度不够；②因为盖梁裂缝主要是墩柱处盖梁侧面，此处为盖梁悬臂段最大受力区。初步有限元计算表明，墩顶区应力较大，在悬臂根部最大主拉应力已达到2.6MPa，普通钢筋混凝土处于带裂缝工作状态。

2.5墩台病害

桥台病害基本特征：①夏天温度高时，梁体与台背顶死；冬天温度低时，梁体与台背有约1cm的缝隙宽度。②因梁体限制，台背受较大推力，使得耳墙与挡块连接处出现明显结构性裂缝。桥台裂缝原因探讨：由裂缝位置可见，裂缝产生在背墙与挡块交接面，则说明主要是因为台背（高度140cm）与台帽受力的不一致产生的。有可能造成裂缝产生的原因主要有以下几种：①单一作用：梁体升温伸长、顶推桥台台背，使得台背受到较大的梁体顶推力；②单一作用：桥台下软基蠕动，但桥台台背因受到梁体限制，无法与台身一致的转动，进而出现裂缝；③共同作用：梁体升温伸长顶推台背与桥台下软基蠕动使得桥台整体旋转共同作用，造成出现结构裂缝。

3加固设计方案

3.1加固设计原则

（1）设计标准（设计荷载、抗震、通航等级等）维持不变。（2）以JTJ023-85桥规为标准，对现有结构进行加固设计，使现有结构在补强后能满足规范和正常运营的要求。（3）维修加固施工过程中，必须考虑对原桥梁结构的损伤尽可能降到最低。（4）应综合考虑技术可靠性、结构耐久性、后期养护方便和养护费用低廉等。

3.2主要加固思路

总的加固设计思路是：根据桥梁的检测结果，通过对结构病害分析，针对桥梁出现的损伤情况，分析损伤病理，提出相应的加固技术思路。（1）根据病害原因有针对性的提出加固方案：①针对已确定为影响结构安全的病害，或是病害主要由原结构强度和承载力不足所产生，则采取结构加固措施，确保结构安全。本桥桥台变位及桥墩变位已影响到桥跨结构安全及结构正常使用耐久性；梁端部腹板裂缝和横隔板裂缝会影响到桥跨结构使用寿命和结构安全，均采取相应加固措施。②针对不危及桥梁安全的病害，但会直接影响结构的正常使用耐久性，主要是施工缺陷和运营中的破坏等因素所引发，则采取结构复原、缺陷修复为主的维修措施。本桥梁体的纵横向位移、支座滑移变形、伸缩缝挤压错位及橡胶带拉裂等。③对病害不会引发安全问题，也不会直接影响结构的使用质量的情况，将采取维护维修设计，如一般的结构裂缝等。④对目前还不能确定病因，但一旦病因确定会造成结构安全的，将建议目前加强监测，确诊病因后，根据实际情况再采取相应的加固对策。对桥梁附属设施：支座、伸缩缝、排水系统、栏杆等。根据检测报告，给予更换，以提高和完善桥梁运营功能，改善桥面行车服务水平。（2）根据桥梁加固维修设计方案，结合结构构造特点及场地条件，采取合理的加固措施和施工工艺，方便施工。（3）进行多方案比较，保证桥梁加固效果和工程造价的经济性。

3.3桥台变位加固措施

由检查报告知，桥台处为四氟板支座，但是支座缺乏润滑油，则四氟板支座摩擦系数μ=0.12，当四氟板支座存有润滑油时，μ=0.06；则确保支座处于润滑状态对桥台受力有益。建议改善支座工作状态，使得四氟板支座保持润滑状态时（μ=0.06），桥台受力得到很大改善，经计算知，减小支座摩阻系数对桥台和桩基受力有益。目前本桥桥台变位较大，夏季时桥台背墙已与梁端顶紧，且在耳墙处已出现病害裂缝；冬季时桥台背墙与梁端有1cm左右间隙。若病害继续发展，可能危及桥梁正常运营及结构安全。根据检测结果进行分析研究，拟定加固处理方案。首先凿除原背墙，然后新建背墙，同时并预留5cm结构缝。通过新建背墙并预留较大结构缝，不但消除了目前背墙可能断裂的隐患，也为结构正常伸长预留了足够空间，具体见图2。本方案的优点：施工简单，对道路通行影响小。本方案动作小，解决了本桥最明确的问题：伸缩缝顶死、背墙断裂。本方案的缺点：桥台前后的软基不平衡附加荷载，对桥台将会继续作用。随软土的固结、蠕动，桥台仍可能发生倾斜、伸缩缝顶死等现象。建议在加固后，继续观测桥台、伸缩缝宽度变化，根据实测绿色交通数据的分析，另行判断是否需要采取台后置换轻质土的方案。

3.4主梁加固措施

3.4.1主梁和横隔板加固措施

由于裂缝的产生、发展及长期存在，使得潮湿空气进入结构内部，从而引起结构内部钢筋的锈蚀，最终导致结构的承载能力降低，影响到结构的正常运营甚至安全运营。因此，对结构目前存在的裂缝进行相应的处理及控制非常必要。（1）主梁加固措施：①结构性加固措施：由计算可知，上部结构工字梁整体受力可以满足超20级活载要求，则在荷载水平未超过超20级以前，无需采用结构性加固措施。②耐久性维护措施：由于裂缝的产生、发展及长期存在，使得潮湿空气进入结构内部，从而引起结构内部钢筋的锈蚀，最终导致结构的承载能力降低，影响到结构的正常运营甚至安全运营。因此，对结构目前存在的裂缝进行相应的处理及控制非常必要。由病害可知，因主梁端部腹板和横隔梁位置存在裂缝，建议近期开展耐久性加固措施，确保施工界面裂缝不继续发展、扩大。③控制桥梁整体位移、扩大伸缩缝由计算可知，桥台病害、伸缩缝顶死，主要原因是上部结构的伸缩缝宽度不足，建议采取措施控制桥梁整体位移。由计算及检测知，桥梁在温度低时，桥梁伸缩缝处于正常状态，建议在冬季采取措施。（2）横隔板加固措施：横隔板裂缝的成因主要与其构造和受力有关，在构造上，横隔板厚为20cm，较薄；在受力上，结构已施工多年，已封闭又开裂，表明除收缩徐变外的作用影响大一点，且裂缝较多。因此，横隔板裂缝的处理采用粘贴钢板的加固方案。本方案先将横隔板清理干净，对裂缝进行封闭处理，再按设计图下料钢板，采用M12螺栓固定钢板，将钢板四周密封，从灌胶孔压力灌胶，常温固化不少3d，钢板防锈施工，验收。该方案的优点是，施工简单，质量易保证，可与梁肋加固的钢板焊连成整体。

3.4.2梁体限位加固措施

由于上部梁跨结构在各种因素影响下发生的纵向和横向的整体移动，是本桥的伸缩缝挤压和错位、橡胶带拉裂、防撞墙错位、支座滑移等病害的主因。而上部梁体的纵、横向移动根源是由下部桥墩基础决定的，因此，广发大桥各项病害治理的重点应该是下部结构。为防止上部梁跨结构在营运期间继续整体产生较大的纵向、横向移动，除在两端桥台处进行加固处理外，还需要考虑措施进行桥梁横向位移的限制。为此，初步建议采取如下措施：（1）梁体顺桥向位移的控制措施：增设纵向限位挡块，防止梁体纵向位移。（2）梁体横桥向位移的控制措施：在每一联桥跨的三个桥墩盖梁顶面安装横向限位装置，从而限制上部结构梁体的横向滑移。

3.5盖梁的加固措施

由计算可知，某些墩盖梁裂缝宽度不满足正常使用极限状态要求，需采取结构性加固措施。但因目前活载水平未达到超20级水平，仅个别盖梁显现出裂缝病害。盖梁裂缝少，性质十分明确，裂缝成因主要与受力有关。因此，加固思路是增加结构承受外荷载的能力。加固中，先将盖梁裂缝区（墩顶区段）清理干净，对裂缝进行封闭处理，再按设计图下料钢板，采用M12螺栓固定钢板，将钢板四周密封，从灌胶孔压力灌胶，常温固化不少于3d，钢板防锈施工，验收。加固设计见图3。

4结语

桥梁加固技术是目前桥梁工程中一个新的研究领域，选择合理的加固方案是保证桥梁加固效果、质量及减少成本的重要前提。本文根据对广发大桥长期观察和检测得到的检测报告，广发大桥主要病害是桥台纵向位移、立柱倾斜、部分梁体纵向和横向位移、梁体横隔板开裂，结合该桥的现场检测结果，对其成因进行了分析，并提出针对该桥具体病害的加固方案，为同类桥梁的加固和改造提供一定参考。

作者:杨福斌 单位:广东交通实业投资有限公司西部沿海分公司

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