廣發大橋加固設計探究的論文范文
橋梁是公路交通的重要組成部分，其使用功能的好壞直接影響公路交通的通暢。隨著我國經濟的飛速發展，我國的公路橋梁事業也取得了長足的進步和發展，橋梁建設技術逐步向世界先進水平看齊，并正由橋梁大國向橋梁強國邁入。然而，由于勘察設計和施工技術水平的參差不齊，有些工程盲目追求進度和效益，使得我國在橋梁建設過程中存在許多問題亟待解決，許多橋梁在運營之后出現了大大小小的質量問題，使用壽命偏低、維護成本較大，維修加固設計已經成為了近年來的熱點問題[1~10]。本文以廣發大橋為工程背景，對橋梁在建設以及后期檢測過程當中的檢測結果進行綜合分析，針對橋梁的的具體病害問題，分析其形成原因，并提出相應的加固措施。
1工程概況
廣發大橋是廣東西部沿海高速公路（珠海-陽江）臺山段上的一座大橋，起點里程樁號K24+517.75，終點里程樁號K25+222.25，全長705m，其中跨三夾河流域220m。該橋上部構造均采用預應力混凝土先簡支后結構連續的工字梁，跨徑分別為20、30、40m，全橋32跨，橋跨組合為：（珠海岸）2×（7×20）m＋（30+2×40+30）m+2×（7×20）m（陽江岸），全橋共5聯。橋梁左右幅分離，左、右幅橋寬均為11.848m，兩幅間距為0.304m，全橋寬度24.00m。全橋20m跨徑有28孔，30m、40m跨徑各有2孔。該橋下下部構造橋臺采用雙肋式橋臺，鉆孔灌注樁基礎；橋墩采用雙柱式墩，鉆孔灌注樁基礎。經檢測，廣發大橋主要病害是橋臺縱向位移、立柱傾斜、橋臺背墻與梁段已頂緊、橋臺背墻和耳墻有裂縫、部分梁體縱向和橫向位移、梁體橫隔板開裂，該橋被定為三類橋。
2橋梁主要病害及原因分析
廣發大橋全長705m，上部結構采用預應力混凝土先簡支后連續工字型梁橋，下部結構基礎為鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計。由于該橋位于軟基路段，在施工期間，由于軟基作用，該橋發生位移變形、橋臺開裂，后經加固處理。通車以來，該橋病害有進一步發展的趨勢，主要存在橋臺縱向位移、立柱傾斜、部分梁體縱向和橫向位移、梁體橫隔板開裂等病害。
2.1梁體移位
梁體位移主要包括梁與支座之間的橫向位移和縱向位移。病害原因分析：①梁與支座之間出現橫向滑移的病因主要是：伸縮縫寬度過小，導致高溫時伸縮縫異型鋼頂死，隨著溫度繼續升高，各聯梁頂緊，橋臺對梁縱向變形約束，梁體縱向變形能聚集，該變形能聚集達到一定量時，必將通過梁體變形而釋放，梁向下受到橋墩支座約束，向上受到梁體自重平衡，而梁體位于墩頂支承處采用的為四氟滑板橡膠支座，橫向約束不足導致梁體側移；②梁與支座之間出現縱向滑移的病因主要是：a.橋臺縱向位移產生了推力，廣發大橋地處軟土路段，土質松軟，成分復雜，物理力學性能差，樁為摩擦樁，橋臺位于不穩定的軟弱土質內。橋臺地基的淤泥層達20m深，樁頂周圍土體對樁基側向約束較弱，在施工期間就已經發生了橋臺位移現象。運營后，橋臺在前后不同的填土壓力作用下，軟土固結程度不同，導致土顆粒間有效壓力不同，進而對臺及樁的側土壓力不同，在軟土壓縮沉降、固結排水等作用下橋臺產生位移，繼而對梁產生了水平推力。b.梁體受溫度膨脹產生推力，根據該橋的結構型式和環境條件估算，橋跨結構的梁體存在著較大的縱向伸縮變形，以7m×20m聯為例，其溫度伸縮變形可達約3.5cm，其伸縮變形量較大，在各聯間預留伸縮寬度不夠的情況下，溫度作用下，梁體膨脹對橋臺產生了反向水平推力。c.車輛荷載的沖擊作用，橋頭引道路基和橋臺伸縮裝置的不平順將對橋臺產生較大的沖擊荷載作用，沖擊荷載作用對橋臺產生豎向和水平向的推力。
2.2主梁腹板病害
檢查發現，大部分工字梁端頭腹板存在短細的豎向以及斜向裂縫，其裂縫主要集中在梁體端部濕接頭與預制梁接縫處，其裂縫形式主要有：①梁端腹板頂部的斜向裂縫；②梁端腹板的豎向裂縫；③梁端腹板底部局部剝落露筋或混凝土崩裂。病害原因分析：檢查發現端頭腹板出現豎向及斜向裂縫，主要集中在梁體端部濕接頭與預制梁接縫處。而設計資料顯示，連續工字梁墩頂處的濕接頭是將預制梁外伸的普通鋼筋通過綁扎焊接以及現澆橋面板鋼筋相連接。由于后澆的梁端濕接頭混凝土的收縮造成的開裂，致使梁端接縫處新老混凝土連接較差，在此位置抗剪承載力受到極大的削弱，是造成開裂的主要原因。
2.3橫隔板病害
橫隔板主要存在的缺陷為豎向開裂。病害原因分析：①本橋梁間距較大，梁的縱橫向移動、支座摩阻作用、同跨各工字梁在活載作用下的不同撓曲等，均使橫隔梁產生設計一般不考慮的應力。②本橋橫隔梁采用現澆施工，橫隔梁的現澆混凝土一般未考慮受支座約束時的收縮影響。
2.4蓋梁病害
蓋梁豎向裂縫已作封閉處理，大部分裂縫的修補質量良好，未見病害發展，僅有少數的裂縫修補后開裂。墩頂蓋梁混凝土表面開裂、局部剝落露筋。主要是墩柱處蓋梁側面的豎向裂縫，以及蓋梁側面部分混凝土剝落露筋。病害原因分析：①蓋梁側面部分混凝土剝落露筋可能是由于受力影響和混凝土實際保護層厚度不夠；②因為蓋梁裂縫主要是墩柱處蓋梁側面，此處為蓋梁懸臂段最大受力區。初步有限元計算表明，墩頂區應力較大，在懸臂根部最大主拉應力已達到2.6MPa，普通鋼筋混凝土處于帶裂縫工作狀態。
2.5墩臺病害
橋臺病害基本特征：①夏天溫度高時，梁體與臺背頂死；冬天溫度低時，梁體與臺背有約1cm的縫隙寬度。②因梁體限制，臺背受較大推力，使得耳墻與擋塊連接處出現明顯結構性裂縫。橋臺裂縫原因探討：由裂縫位置可見，裂縫產生在背墻與擋塊交接面，則說明主要是因為臺背（高度140cm）與臺帽受力的不一致產生的。有可能造成裂縫產生的原因主要有以下幾種：①單一作用：梁體升溫伸長、頂推橋臺臺背，使得臺背受到較大的梁體頂推力；②單一作用：橋臺下軟基蠕動，但橋臺臺背因受到梁體限制，無法與臺身一致的轉動，進而出現裂縫；③共同作用：梁體升溫伸長頂推臺背與橋臺下軟基蠕動使得橋臺整體旋轉共同作用，造成出現結構裂縫。
3加固設計方案
3.1加固設計原則
�。�1）設計標準（設計荷載、抗震、通航等級等）維持不變。
�。�2）以JTJ023-85橋規為標準，對現有結構進行加固設計，使現有結構在補強后能滿足規范和正常運營的要求。
�。�3）維修加固施工過程中，必須考慮對原橋梁結構的損傷盡可能降到最低。
�。�4）應綜合考慮技術可靠性、結構耐久性、后期養護方便和養護費用低廉等。
3.2主要加固思路
總的加固設計思路是：根據橋梁的檢測結果，通過對結構病害分析，針對橋梁出現的損傷情況，分析損傷病理，提出相應的加固技術思路。
（1）根據病害原因有針對性的提出加固方案：①針對已確定為影響結構安全的病害，或是病害主要由原結構強度和承載力不足所產生，則采取結構加固措施，確保結構安全。本橋橋臺變位及橋墩變位已影響到橋跨結構安全及結構正常使用耐久性；梁端部腹板裂縫和橫隔板裂縫會影響到橋跨結構使用壽命和結構安全，均采取相應加固措施。②針對不危及橋梁安全的病害，但會直接影響結構的正常使用耐久性，主要是施工缺陷和運營中的破壞等因素所引發，則采取結構復原、缺陷修復為主的維修措施。本橋梁體的縱橫向位移、支座滑移變形、伸縮縫擠壓錯位及橡膠帶拉裂等。③對病害不會引發安全問題，也不會直接影響結構的使用質量的情況，將采取維護維修設計，如一般的結構裂縫等。④對目前還不能確定病因，但一旦病因確定會造成結構安全的，將建議目前加強監測，確診病因后，根據實際情況再采取相應的加固對策。對橋梁附屬設施：支座、伸縮縫、排水系統、欄桿等。根據檢測報告，給予更換，以提高和完善橋梁運營功能，改善橋面行車服務水平。
�。�2）根據橋梁加固維修設計方案，結合結構構造特點及場地條件，采取合理的加固措施和施工工藝，方便施工。
�。�3）進行多方案比較，保證橋梁加固效果和工程造價的經濟性。
3.3橋臺變位加固措施
由檢查報告知，橋臺處為四氟板支座，但是支座缺乏潤滑油，則四氟板支座摩擦系數μ=0.12，當四氟板支座存有潤滑油時，μ=0.06；則確保支座處于潤滑狀態對橋臺受力有益。建議改善支座工作狀態，使得四氟板支座保持潤滑狀態時（μ=0.06），橋臺受力得到很大改善，經計算知，減小支座摩阻系數對橋臺和樁基受力有益。目前本橋橋臺變位較大，夏季時橋臺背墻已與梁端頂緊，且在耳墻處已出現病害裂縫；冬季時橋臺背墻與梁端有1cm左右間隙。若病害繼續發展，可能危及橋梁正常運營及結構安全。根據檢測結果進行分析研究，擬定加固處理方案。首先鑿除原背墻，然后新建背墻，同時并預留5cm結構縫。通過新建背墻并預留較大結構縫，不但消除了目前背墻可能斷裂的隱患，也為結構正常伸長預留了足夠空間，具體見圖2。本方案的優點：施工簡單，對道路通行影響小。本方案動作小，解決了本橋最明確的問題：伸縮縫頂死、背墻斷裂。本方案的缺點：橋臺前后的軟基不平衡附加荷載，對橋臺將會繼續作用。隨軟土的固結、蠕動，橋臺仍可能發生傾斜、伸縮縫頂死等現象。建議在加固后，繼續觀測橋臺、伸縮縫寬度變化，根據實測綠色交通數據的分析，另行判斷是否需要采取臺后置換輕質土的方案。
3.4主梁加固措施
3.4.1主梁和橫隔板加固措施
由于裂縫的產生、發展及長期存在，使得潮濕空氣進入結構內部，從而引起結構內部鋼筋的銹蝕，最終導致結構的承載能力降低，影響到結構的正常運營甚至安全運營。因此，對結構目前存在的裂縫進行相應的處理及控制非常必要。
�。�1）主梁加固措施：①結構性加固措施：由計算可知，上部結構工字梁整體受力可以滿足超20級活載要求，則在荷載水平未超過超20級以前，無需采用結構性加固措施。②耐久性維護措施：由于裂縫的產生、發展及長期存在，使得潮濕空氣進入結構內部，從而引起結構內部鋼筋的銹蝕，最終導致結構的承載能力降低，影響到結構的正常運營甚至安全運營。因此，對結構目前存在的裂縫進行相應的處理及控制非常必要。由病害可知，因主梁端部腹板和橫隔梁位置存在裂縫，建議近期開展耐久性加固措施，確保施工界面裂縫不繼續發展、擴大。③控制橋梁整體位移、擴大伸縮縫由計算可知，橋臺病害、伸縮縫頂死，主要原因是上部結構的伸縮縫寬度不足，建議采取措施控制橋梁整體位移。由計算及檢測知，橋梁在溫度低時，橋梁伸縮縫處于正常狀態，建議在冬季采取措施。
�。�2）橫隔板加固措施：橫隔板裂縫的成因主要與其構造和受力有關，在構造上，橫隔板厚為20cm，較��；在受力上，結構已施工多年，已封閉又開裂，表明除收縮徐變外的作用影響大一點，且裂縫較多。因此，橫隔板裂縫的處理采用粘貼鋼板的加固方案。本方案先將橫隔板清理干凈，對裂縫進行封閉處理，再按設計圖下料鋼板，采用M12螺栓固定鋼板，將鋼板四周密封，從灌膠孔壓力灌膠，常溫固化不少3d，鋼板防銹施工，驗收。該方案的優點是，施工簡單，質量易保證，可與梁肋加固的鋼板焊連成整體。
3.4.2梁體限位加固措施
由于上部梁跨結構在各種因素影響下發生的縱向和橫向的整體移動，是本橋的伸縮縫擠壓和錯位、橡膠帶拉裂、防撞墻錯位、支座滑移等病害的主因。而上部梁體的縱、橫向移動根源是由下部橋墩基礎決定的，因此，廣發大橋各項病害治理的重點應該是下部結構。為防止上部梁跨結構在營運期間繼續整體產生較大的縱向、橫向移動，除在兩端橋臺處進行加固處理外，還需要考慮措施進行橋梁橫向位移的限制。為此，初步建議采取如下措施：
�。�1）梁體順橋向位移的控制措施：增設縱向限位擋塊，防止梁體縱向位移。
�。�2）梁體橫橋向位移的控制措施：在每一聯橋跨的三個橋墩蓋梁頂面安裝橫向限位裝置，從而限制上部結構梁體的橫向滑移。
3.5蓋梁的加固措施
由計算可知，某些墩蓋梁裂縫寬度不滿足正常使用極限狀態要求，需采取結構性加固措施。但因目前活載水平未達到超20級水平，僅個別蓋梁顯現出裂縫病害。蓋梁裂縫少，性質十分明確，裂縫成因主要與受力有關。因此，加固思路是增加結構承受外荷載的能力。加固中，先將蓋梁裂縫區（墩頂區段）清理干凈，對裂縫進行封閉處理，再按設計圖下料鋼板，采用M12螺栓固定鋼板，將鋼板四周密封，從灌膠孔壓力灌膠，常溫固化不少于3d，鋼板防銹施工，驗收。加固設計見圖3。
4結語
橋梁加固技術是目前橋梁工程中一個新的研究領域，選擇合理的加固方案是保證橋梁加固效果、質量及減少成本的重要前提。本文根據對廣發大橋長期觀察和檢測得到的檢測報告，廣發大橋主要病害是橋臺縱向位移、立柱傾斜、部分梁體縱向和橫向位移、梁體橫隔板開裂，結合該橋的現場檢測結果，對其成因進行了分析，并提出針對該橋具體病害的加固方案，為同類橋梁的加固和改造提供一定參考。
作者:楊福斌 單位:廣東交通實業投資有限公司西部沿海分公司
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