旧桥检测与加固技术研究

2023-09-26覃宇鹏

建材与装饰 2023年28期

覃宇鹏

（广州市市政工程试验检测有限公司，广东广州 510520）

0 引言

从1980 年开始，我国加大了在基础建设上的投入，各式各样的道路桥梁的建成给我国经济发展提供了巨大动力，充实的交通基础建设也为人民的生活带来便利。我国桥梁建造技术发展迅猛，以港珠澳大桥等各式大跨度桥梁建成彰显我国在基础建设上的辉煌成绩。桥梁是现阶段我国交通运输的重要部分，在生活中随处可见，皆是交通运输重点区域的枢纽，和周边的居民生活以及地域经济发展紧密相联。然而运营的时间增长以及早期建设技术和经济条件的不成熟，让现阶段的旧桥不能够符合使用要求；，面对日益增长的交通流量和自然环境的侵蚀等外部不良影响，旧桥结构老化以及病害加剧，让旧桥的使用性能越来越低，存在安全上的隐患。目前部分在运营的市政桥梁已出现异响、开裂等病害问题，这也是市政旧桥承载能力下降，部分已在超负荷不良状态下使用，潜在的安全隐患引起居民的担忧。大部分市政旧桥均处于交通运输重要区域，若直接拆除该类不符合承载能力使用要求的市政旧桥，不仅拆除重建的工作困难、程序复杂、时间长耗费高，同时会对该区域造成巨大的经济损失和周边居民生活困扰[1]。旧桥加固修复是未来重要方向，如何快速有效地修复桥梁病害，提高旧桥的承载能力，满足交通运输的使用要求，对我国以后基础建设发展极为关键，有着可观的发展前景。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

本次加固修复的桥梁位于广州增城区中心区域，跨径总长为37.7m，桥面总宽为60.8m。桥梁跨径组合为2×10.15m+2×8.7m，桥面横向布置为0.40m（护栏）+6.6m（人行道）+19.0m（左行车道）+4.7m（中央分隔带）+15.1m（右行车道）+7.7m（人行道）+0.40m（护栏）。桥面铺装为沥青混凝土。

1#～2#跨左右幅加宽桥上部结构为普通钢筋混凝土T 梁，1#～2#跨中幅桥为石砌拱桥，3#～4#跨为钢筋混凝土连续箱涵。1#～2#跨左右幅加宽桥下部结构采用钢筋混凝土桩柱式墩台，1#～2#跨中幅桥下部结构采用重力式石砌墩台，3#～4#跨钢筋混凝土薄壁式墩台。T 梁桥部分采用板式橡胶支座，基础形式不详。其中该桥的设计荷载为汽车-20 级、挂-100，人群荷载为3.5kN/m2。

1.2 桥梁病害调查

经调查发现，该旧桥存在以下病害。

（1）桥面系病害。桥面系主要病害是桥面铺装的纵裂、横裂、网裂以及坑槽；全桥伸缩缝普遍泥沙堵塞。其中左幅第4 跨桥面铺装层横向裂缝，L=5.00m，δ=1.00mm。该旧桥桥面系结构状况评估等级为D。

（2）上部结构病害。上部结构的主要病害有拱桥拱上侧墙砌石多处局部掏空，第2 跨拱桥拱上侧墙砌体变形；箱梁顶板出现多条横向超限裂缝。第2 跨拱桥拱上侧墙砌体严重变形，L=1.60m，δ=5.00cm。第3 跨顶板跨中横向裂缝，L=3.50m，δ=0.20mm。该旧桥桥面系结构状况评估等级为D。

（3）下部结构病害。下部结构主要病害有墩身多处蜂窝麻面，3#墩大桩号面存在竖向贯通裂缝，3#墩大桩号面竖向贯通裂缝，δ=0.30mm。该旧桥桥面系结构状况评估等级为B。

1.3 病害分析

该旧桥技术状况评估等级综合评估为D 级不合格状态（检测评估后进行局部中修、大修或加固工程）。

1.3.1 桥面系病害

（1）各墩顶桥面横向裂缝可能是桥面铺装层承受负弯矩的作用受拉开裂，跨中处横向裂缝可能是由于温度应力导致，除此之外，还有沥青桥面铺装发生的疲劳裂缝。

（2）桥面纵向裂缝主要是该桥新旧桥连接处的不均匀沉降，造成桥面纵向裂缝。

（3）桥面铺装网裂，坑槽主要是早期裂缝经表层水渗透、冲刷、唧浆，从而产生的以缝为中心的下陷形变，同时产生新的裂缝甚至碎裂破坏形成坑槽，发展网状裂缝[2]。

1.3.2 上部结构病害

根据检测报告，顶板横向裂缝主要集中跨中区域，多条横向超限裂缝开裂，结合计算分析可知，原结构的承载力安全富余储备不高，而且存在车辆载重已超过桥梁的设计荷载的情况，因此在活载加载过程中，顶板跨中区域正应力过大，致使顶板出现横向裂缝[3]。拱上侧墙裂缝由混凝土收缩引起，在长期受水汽侵入影响以及车辆荷载的作用下致使混凝土脱落，形成掏空。顶板龟裂由混凝土收缩引起。

1.3.3 下部结构病害

一般墩身竖向裂缝分布规律不明显，裂缝宽度均较小，分析为非受力裂缝，主要由混凝土收缩引起。

2 加固方案

2.1 整体加固建议

根据该旧桥的病害调查结果及桥梁评定等级，并且旧桥的病害分析，要求通过加固，修复旧桥关键承重构件的原承载能力，并预留一定的安全储备。处治裂缝抑制病害开展，提高耐久性。

2.2 桥面系病害处理

采用沥青混凝土分层回填切割面层区域，并用压实机械进行碾压，表面应平整、密实，略高于原路面。若桥面整体化层还存在裂缝，采用改性乳化沥青灌缝，最好采用热压缩空气吹去缝隙中的堵塞物，以保持裂缝内干燥和缝壁适当的温度，并且及时将灌缝材料灌满缝隙[4]。

2.3 上部结构病害处理

根据检测报告，顶板横向裂缝主要集中于跨中区域，含多条横向超限裂缝，结合计算分析可知，为保证结构的安全性，提高桥梁的承载力安全储备，需进行加固处理。推荐采用粘贴钢板法加固。加固内容如下。

箱涵顶板粘贴厚6mm、宽30cm 的Q355B 钢板，钢板间距60cm，锚固采用M12-130 锚栓。

对加固后的顶板最不利结果进行验算，根据原桥结构计算分析及检测报告裂缝显示，粘贴钢板采用植入M12×130mm 防开裂化学锚栓作为反力加压措施，粘贴钢板按照规范要求设置压条。

2.4 下部结构病害处理

（1）混凝土裂缝修补。①裂缝宽度＞0.15mm 的结构受力裂缝和非结构受力裂缝，均做灌浆处理。②裂缝宽度≤0.15mm 的结构受力裂缝和非结构受力裂缝，均做封闭处理。

（2）混凝土缺陷修补完全凿除并且除锈处理焊接相同钢筋，砂浆修补平整。

（3）伸缩缝处理清理伸缩缝内泥砂，伸缩缝有橡胶条拉裂病害的，直接更换橡胶条。

（4）耐久性防护全桥加固后，表面进行防护涂装，以封闭表面空隙，增加桥梁耐久性[5]。

3 有限元建模分析

Midas 软件是工程领域常用的分析软件，用中文常称作迈达斯，其作为一种有限元分析软件，其涉及的专业领域包含了分为建筑、桥梁、岩土、仿真4 个方向，其中桥梁检测相关的迈达斯软件主要又Midas Civil、Midas Smart BDS、Civil Designer。对于Midas Civil模型分析软件，主要用于结构上的分析，能够针对常见的箱涵、箱梁桥、空心板桥作计算分析，同样能够对悬索桥、斜拉桥等较为复杂的桥梁结构形式作计算分析，迈达斯主要功能包材料非线性分析、静力弹塑性分析等广阔的功能内容。该软件操作方便，上手简单，能够让桥梁检测从业者高效完成桥梁模型计算工作。

3.1 采用Midas 有限元软件进行建模

采用Midas Civil 软件对修复的旧桥作模拟，并且根据《公路桥涵设计通用规范2015》来布置车辆荷载，模拟计算旧桥的承载能力，能否承担最不利承载能力组合，并对比分析修复前后旧桥的承载能力，全桥模型如图1 所示。软件计算确定钢板加固能否提高旧桥的承载能力，同时根据最不利承载能力组合的内力值，作相对应试验值的动静载试验方案，通过桥梁动静载实际试验旧桥载在修复后的承载能力。根据对比模型计算出的试验应变值和挠度值，分析验证结构模型的能力。

图1 全桥模型

3.2 加固钢板模拟

与梁底黏贴的碳纤维布不同，本次修复采用的是加固钢板，钢板自身的力学刚性大，抗扭抗弯能力强。因此采用实体单元来模拟梁底的加固钢板较为合适。由于梁侧加固钢板修复形式复杂，通过钢板交叉加固并配和螺栓固定的方式来加固，为便于模拟，该部分的钢板以分布刚度的方式分配到模型中。在迈达斯软件的材料定义模块中输入钢板性能数据并且根据现场情况加固面的边界条件，来真实模拟加固钢板与被修复旧梁的相互关系。选择连接方式，确保软件模型软件在计算分析受荷载时，达到加固钢板和修复梁紧密联系的理想情况。并且在实际桥梁静动载下，安排检测人员在桥底观察加固板和梁体之间的贴合情况，是否出现异响等问题出现。对加固后的顶板最不利结果进行验算，参照规范《城市桥梁结构加固技术规程》（CJJ/T 239—2016）中的有关规定。根据原桥结构计算分析及检测报告裂缝显示，对梁底粘贴宽30cm，厚6mm 的钢板，钢板净距30cm。粘贴钢板采用植入M12×130mm 防开裂化学锚栓作为反力加压措施，粘贴钢板按照规范要求设置压条。桥梁计算抗力如表1 所示。

表1 桥梁计算抗力

3.3 桥梁承载力动静载试验

试验过程中静载试验采用偏载方式，主要测点位于加载车辆左侧，测量仪器位于中间绿化带区域，挠度数据采集位于人行道区域。整个试验过程基本在围蔽的区域内安全进行。约凌晨3：30 动载试验在围蔽通道内进行，跑车在通道口等待，在通道无车基本安全的情况下跑车。数据采集位于人行道区域进行。本次试验：桥下观测2 人，交通围蔽及指挥3 人，现场试验4 人。本次试验进行顺利，试验过程未见桥梁异响，挠度下沉过大等异常情况。实际裂缝发展情况回去与试验前照片做对比。现场发现部分梁跨中有裂缝，上去看了应该是梁腹部份修复的水泥灰老化导致的，并非结构受力导致的裂缝。已拍关键受力梁跨中现状照片，在试验时实时比照，观察跨中是否出现裂缝或者梁的裂缝加剧的情况出现，确定裂缝未发展。