工程案例
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漢施公路某橋病害分析及處理措施
發布時間：2014-07-15
1、概述武漢市漢施公路某橋為一座大斜度斜交橋，斜交角達。主橋為四跨一聯的普通鋼筋混凝土箱梁，橋跨布置為(29+35+35+29)m，橋梁總長為132 m，主梁結構上、下行兩幅完全分離，斷面為單箱單室。該橋于1989年動工，1992年竣工驗收并交付使用。
最近幾年，公路養護部門發現主橋梁端與橋頭搭板間有橫向錯位現象，并且這種情況逐年在加劇。使用部門組織相關單位對主橋進行了全面的檢查。
2、病害情況介紹
該橋主橋的病害缺陷主要表現在以下幾個方面：
(1)梁體錯位。主梁梁端與橋臺之間錯位，這是該橋最為明顯的破壞形態。從橋面上看，梁體相對于橋頭搭板向主梁的銳角方向錯位。施崗側的錯位較漢口側嚴重，上、下游梁的橫向錯位均達11．2cm。漢口側上游梁的橫向錯位為3．3 cm，下游梁的橫向錯位為4．6 cm。見圖1。
(2)支座橫向偏移。現場調查發現，兩梁端橋臺處的支座發生了嚴重的橫向偏移。梁體相對于橋臺，發生了明顯的向主梁銳角側的偏移，導致設置在橋臺處的盆式橡膠支座因位移量過大而破壞。各支座的破壞情況是：漢口岸上游梁上、下游支座的偏移量均為3 cm；漢口岸下游梁上、下游支座的偏移量為6 cm，由于偏移量過大，兩支座限位鋼裙被剪切破壞；施崗側上游梁上、下游支座的偏移量均為5cm；施崗側下游梁上、下游支座的偏移量為6 cm，由于偏移量過大，兩支座限位鋼裙也被剪切破壞。具體見圖2。
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(3)橋頭搭板位移。根據現場觀測，橋頭搭板相對于橋臺有向河中偏移的傾向。以工程竣工時搭板支腳的中心線為基準點測量，漢口側上下游橋頭
搭板相對于橋臺向河中的位移量分別為6，5 cm；而施崗側上下游橋頭搭板相對于橋臺向河中的位移量分別為4，5 cm。
(4)主梁裂縫。主橋主梁發現許多裂縫，主要分布在腹板、底板及頂板上，尤以腹板最多，且超過0．2 m m的裂縫也多位于腹板上。腹板裂紋主要是剪切區(跨支座1/4跨范圍)剪切斜裂紋，正彎矩區(跨中1/2跨范圍內)的豎向彎曲裂紋和支座附近負彎矩區的豎向裂紋(發源于腹板位置)，另外，剪切區還有一些豎向裂紋。底板裂紋相對較少，寬度也較小。頂板裂紋數量較多，但一般都比較細小，絕大多數裂紋的寬度在0．15 mm 以內，一般局限于距腹板1．5 m 的范圍內，但在中間兩跨的跨中附近，有幾條裂紋從腹板一直延伸到外邊緣，且有滲水現象，寬度均在0．2 mm 以上。
(5)兩端伸縮縫被雜物堵死，已經失去伸縮性能。
(6)梁體外觀。下游第2跨(從漢口岸數起)底板有大面積露筋現象，鋼筋銹蝕，混凝土脫落或變粉。這是由于此處底板沒有有效地設置鋼筋保護層，有些地方甚至沒有保護層，而有些部位保護層太薄。此種現象顯然是施工時保護層墊塊失效導致鋼筋直接放置在模板上造成的。在下游第3跨底板上有局部混凝土松散層，松散混凝土呈灰褐色，似碎樹葉，用小錘即可輕輕敲掉。
(7)橋面狀況。由于橋面有裂紋，導致橋面防水功能的降低，特別是下游梁橋面裂紋寬度較大，雨水滲過橋面防水層侵蝕梁體。下游梁橋面鋪裝層己喪失防水能力。
(8)其他。梁上欄桿與搭板上的欄桿之間有與梁端相似的錯位，而且，因兩者抵觸，接縫處欄桿已破壞。欄桿的病害原因與引起梁端錯位的原因是一致的。
3、主梁結構的空間受力計算
本橋為大角度斜交橋，斜交角度達41。，并且結構構造復雜(例如：在支承位置不僅設置了斜隔板，而且還在每道斜隔板兩端各加設了1道直隔板)，普通的直橋設計、分析理論已不能滿足要求。在受力方面，與一般的正交橋相比，斜交橋有如下的差別：① 縱向彎矩(主彎矩)減小；② 反力分布不均勻；③橫向彎矩變化幅度較正交橋大；④ 扭矩變化劇烈，且與抗扭剛度有關；⑤ 在橋面平面內有位移(爬動、蠕動)。而目前有關斜橋的實用計算分析方法還很不完善，為了對結構能夠盡量做到精確分析，從而得出橋跨結構受力的正確結果，為病害整治提供依據，為此利用SAP通用程序對主梁結構進行空間受力分析計算。計算模型說明如下：
(1)模型沿縱橋向取上游幅全橋計算，即129m，按縱橋向(斜向"")平均1m 的間距劃分單元。全橋模型的節點數為9 486個；單元數為4 986個。
(2)坐標系。總體坐標原點設在橋梁上翼緣銳角處邊沿線與此處橫梁外邊沿線的交點；以向橋跨跨中方向為z軸正方向；以橫橋向向模型方向為軸正方向；豎直向上為Y軸正方向。
(3)采用三維8節點塊單元，即Super SAP91中規定的第五類單元；采用非協調位移模式；依據所劃分單元的規則程度，按中等扭曲程度的單元模式計算。
(4)材料按C50混凝土考慮，不考慮普通鋼筋的作用；將梁體看成理想均質各向同性線彈性材料；不考慮混凝土的開裂影響；彈性模量E=3．5×10MPa，容重，""。，泊松比u=0．167，剪切模量G=1．51×10 MPa，線膨脹系數口a=1．0×10。
(5)邊界條件。按實際設置支座的性質，將各支座模擬成邊界元，各邊界元的性質為：除3號墩處支點為固定邊界元(但各方向的轉動釋放)，其余各墩、臺均只約束重力方向，其他方向自由度均釋放。
(6)加載工況(共7個工況)。
為了判斷結構在運營及加固施工階段的受力特性，進行了以下的工況加載：工況1，恒載+活載及恒載單獨作用下結構的應力分布情況；工況2，恒載+結構升、降溫35℃ ，用來判斷升、降溫時結構的位移變化情況；工況3，恒載+結構降溫2O℃ ，用來模擬結構混凝土的收縮。
施工階段的計算工況有以下：工況4，1號橋臺處支點起頂2 cm；工況5，1號橋臺及2號橋墩處支點均起頂2 cm；工況6，1號橋臺，2號、3號橋墩處支點均起頂2cm；工況7，1號橋臺，2號、3號、4號橋墩處支點均起頂2 cin。分別計算工況4～7時結構各部分的應力分布，以判斷起頂量的合適與否。
4、病害原因分析
4．1 梁體錯位
這是本橋最明顯、直接的破壞形態，其他破壞情況均與此有或多或少的關系。梁體錯位產生的原因是復雜的，通過對本橋的空間計算分析，可以認為是下面的因素：
本橋為一大角度的斜交橋，從前面可知，與一般的正交橋相比，斜交橋在平面內有位移(爬動、蠕動)的特性，本橋梁體錯位的病害形態充分地說明了這一特點。
根據有關的資料，引起斜橋在平面內位移和轉動的原因主要有如下幾種：
縱向制動力；
橫向風力；
溫度變化，混凝土伸縮、徐變。
通過對前面有關計算結果的分析，可以得知其中的溫度變化是引起斜橋在平面內位移和轉動的最主要原因。這與養護部門反映的梁體的橫向錯位在夏季的升溫季節發展最快的觀察報告是一致的，因此可以判斷梁端錯位與溫度變化有關。模擬結構溫度變化的空間分析計算結果見圖3。
4．2 梁體裂紋
在箱梁結構中，腹板的受力是最復雜的，所以也最容易出現問題。對鋼筋混凝土箱梁，腹板上最易出現裂紋。本橋也是腹板開裂最為嚴重。從受力上來看，腹板不僅主要承擔剪力，同時還要承擔部分彎矩，腹板會因彎剪作用產生主拉應力而開裂。腹板上的大部分斜向裂紋和跨中附近的豎向裂紋主要是由于梁體受彎剪或單獨受彎產生的，由于豎向剪力的作用使得裂紋從跨中豎直向兩側逐漸變成傾斜。溫度應力也是引起腹板開裂的重要因素，有時甚至是主要因素。另外，施工期間的施工臨時荷載或支架下沉，亦或由以上各因素的聯合作用，也會引起梁體開裂。
從梁體上裂紋分布來分析，腹板上的大部分裂紋是由于梁體受彎剪產生的，由于豎向剪力的作用使得這些裂紋從跨中豎直向兩側逐漸變成傾斜，而溫度等非荷重因素的影響，會加劇開裂或改變這些裂紋的方向和長度。
底板上的裂紋大部分是因梁抗彎底板受拉產生的，底板上也有一些非受力原因產生的裂紋，這些裂紋與腹板上的非受力裂紋應是同時產生的。頂板上的主要裂紋顯然不是受力裂紋，因為這些裂紋主要集中在頂板受壓的正彎矩區，受壓的頂板是不會產生這些橫向裂紋的，因此可認為這些裂紋產生的原因與時間同腹板上非受力裂紋是一致的。
4．3 伸縮縫破壞
原設計伸縮量過小是導致伸縮縫破壞的主要原因。與正交橋不同的是，引起斜橋在平面內位移的原因主要有以下幾種：① 縱向制動力和縱向地震力(H。)；② 橫向風力和橫向地震力(Vo)；③ 溫度變化，混凝土收縮、徐變(￡ 和￡ )。因此，位于伸縮縫處的縱位移應包括：① 由H。、 產生的位移 、；② 由溫降，混凝土收縮、徐變引起的位移；③ 由于以上兩項引起的平面轉動，從而產生的銳角處的位移。
5、病害整治
5．1 主梁橫向位移糾偏
主梁糾偏的關鍵是如何起頂主梁。1號、5號橋臺均有千斤頂布置位置，而2號、3號、4號橋墩沒有，因此，2～ 4號橋墩成為起頂主梁的關鍵，從安全、經濟的角度考慮，推薦采用特制矮千斤頂直接起頂。
由于原設計沒有考慮更換支座時普通千斤頂的布置位置，梁底至帽梁頂的間距一般只有18 cm 左右，而普通千斤頂的高度一般均要> 18cm，為此必須采用特制的千斤頂。特制千斤頂的高度均不得超過18cm，其有效起頂高度能夠達到6 cm 即可。
在主梁起頂過程中，起頂是頂推性且對稱進行的，即從1號橋臺開始起頂主梁，然后是5號橋臺，接下來依次4號、2號橋墩，最后是3號橋墩。采用此起頂方式的原因是：主梁在恒載作用下，在各支點處是頂板承受負彎矩，底板為正彎矩，其受力形態便表現為頂板受拉，底板受壓，而頂推對稱起頂各支點對支點處主梁有卸載作用。起頂時，控制每次的起頂量不超過1 cm。循環多次，使主梁整體抬高，最終落梁在各墩臺處的四氟板墊塊上。
在布置好橫向水平千斤頂(包括頂推和限位兩類)后，就可利用水平千斤頂橫移梁體。橫移時，應該注意觀察梁體橫移的變化，保證其位移變化是緩慢的，可以采取循環多次的方法。
5．2 裂縫修補及粘貼碳纖維布
由于主梁梁高偏低，導致主梁各部位均有大量的裂縫出現，且有一部分裂縫為深度較深、縫寬較寬的長裂縫。裂縫修補分腹板裂縫修補、頂板及底板裂縫修補。為防止裂縫的繼續發展及提高主梁的剛度，確定在箱梁底板和腹板粘貼高強度碳纖維布。由于在粘貼碳纖維布的工序中，包含有封閉裂縫的工序，故各部位的裂縫的處理分別為：
(1)腹板及底板裂縫修補。對裂縫>0．15 mm的應進行灌漿處理。
(2)頂板裂縫。頂板底面裂縫及底板底面縱向裂縫采用灌漿或表面封閉的辦法(> O．15 mm 的灌漿，<O．15 mm 的封閉)。
5．3 支座修復及更換
修復及更換支座是在梁體橫移到位后進行的，此時梁體仍然支承在四氟板墊塊上。必須更換的支座有4個，即1號、5號橋臺處被破壞的支座。其他支座必須嚴格做進一步檢查，請生產廠家參與，對現有支座的性能進行判斷，對可以繼續使用的支座根據廠家意見進行整修；更換損壞的支座擋板；糾正被頂歪的擋板；對支座及擋板重新油漆；對無法繼續工作的支座要更換。
5．4 下游幅主梁橋面鋪裝層防水性能改造下游幅主梁橋面鋪裝層必須進行防滲處理。為防止雨水對主梁的侵襲，橋面防水混凝土面上應涂刷防水涂料。
5．5 伸縮縫改造
鑒于目前的伸縮縫已被雜物堵死，影響主梁的自由伸縮，伸縮縫改造選用鋼制梳齒型伸縮縫。經過計算，伸縮量設置為170 mm。
5．6 主梁外表防腐涂裝
待其他加固工作完成后對主梁外表進行防腐涂裝，以封閉主梁外側細微裂縫，阻隔空氣中的有害氣體對主梁的侵蝕。涂層構成：環氧防銹封閉漆1道，厚25 m，環氧厚漿中間漆2道，厚2×25 m；氯化橡膠調和膩子1道，厚25 m；氯化橡膠面漆2道，厚2×25 m。涂層總厚150 cm。
5．7 設置橫向擋塊
由于斜交橋在水平面內有橫向位移的必然趨勢，故在兩橋臺側必須設置橫向擋塊，以限制結構的側向位移。
6、結論
本橋出現各種病害的最直接的原因是在兩端橋臺處未設置橫向限位結構，而最根本的原因是對斜交橋的基本特性不了解(在橋面平面內有位移是斜交橋的基本特性之一)，由此提醒我們，在設計各種非常規結構時，必須深入了解其特性。
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