汉施公路某桥病害分析及处理措施
1、概述
武汉市汉施公路某桥为一座大斜度斜交桥，斜交角达。主桥为四跨一联的普通钢筋混凝土箱梁，桥跨布置为（29+35+35+29）m，桥梁总长为132 m，主梁结构上、下行两幅完全分离，断面为单箱单室。该桥于1989年动工，1992年竣工验收并交付使用。
最近几年，公路养护部门发现主桥梁端与桥头搭板间有横向错位现象，并且这种情况逐年在加剧。使用部门组织相关单位对主桥进行了全面的检查。
2、病害情况介绍
该桥主桥的病害缺陷主要表现在以下几个方面：
（1）梁体错位。主梁梁端与桥台之间错位，这是该桥最为明显的破坏形态。从桥面上看，梁体相对于桥头搭板向主梁的锐角方向错位。施岗侧的错位较汉口侧严重，上、下游梁的横向错位均达11．2cm。汉口侧上游梁的横向错位为3．3 cm，下游梁的横向错位为4．6 cm。见图1。
（2）支座横向偏移。现场调查发现，两梁端桥台处的支座发生了严重的横向偏移。梁体相对于桥台，发生了明显的向主梁锐角侧的偏移，导致设置在桥台处的盆式橡胶支座因位移量过大而破坏。各支座的破坏情况是：汉口岸上游梁上、下游支座的偏移量均为3 cm；汉口岸下游梁上、下游支座的偏移量为6 cm，由于偏移量过大，两支座限位钢裙被剪切破坏；施岗侧上游梁上、下游支座的偏移量均为5cm；施岗侧下游梁上、下游支座的偏移量为6 cm，由于偏移量过大，两支座限位钢裙也被剪切破坏。具体见图2。
（3）桥头搭板位移。根据现场观测，桥头搭板相对于桥台有向河中偏移的倾向。以工程竣工时搭板支脚的中心线为基准点测量，汉口侧上下游桥头
搭板相对于桥台向河中的位移量分别为6，5 cm；而施岗侧上下游桥头搭板相对于桥台向河中的位移量分别为4，5 cm。
（4）主梁裂缝。主桥主梁发现许多裂缝，主要分布在腹板、底板及顶板上，尤以腹板最多，且超过0．2 m m的裂缝也多位于腹板上。腹板裂纹主要是剪切区（跨支座1/4跨范围）剪切斜裂纹，正弯矩区（跨中1/2跨范围内）的竖向弯曲裂纹和支座附近负弯矩区的竖向裂纹（发源于腹板位置），另外，剪切区还有一些竖向裂纹。底板裂纹相对较少，宽度也较小。顶板裂纹数量较多，但一般都比较细小，绝大多数裂纹的宽度在0．15 mm 以内，一般局限于距腹板1．5 m 的范围内，但在中间两跨的跨中附近，有几条裂纹从腹板一直延伸到外边缘，且有渗水现象，宽度均在0．2 mm 以上。
（5）两端伸缩缝被杂物堵死，已经失去伸缩性能。
（6）梁体外观。下游第2跨（从汉口岸数起）底板有大面积露筋现象，钢筋锈蚀，混凝土脱落或变粉。这是由于此处底板没有有效地设置钢筋保护层，有些地方甚至没有保护层，而有些部位保护层太薄。此种现象显然是施工时保护层垫块失效导致钢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层，松散混凝土呈灰褐色，似碎树叶，用小锤即可轻轻敲掉。
（7）桥面状况。由于桥面有裂纹，导致桥面防水功能的降低，特别是下游梁桥面裂纹宽度较大，雨水渗过桥面防水层侵蚀梁体。下游梁桥面铺装层己丧失防水能力。
（8）其他。梁上栏杆与搭板上的栏杆之间有与梁端相似的错位，而且，因两者抵触，接缝处栏杆已破坏。栏杆的病害原因与引起梁端错位的原因是一致的。
3、主梁结构的空间受力计算
本桥为大角度斜交桥，斜交角度达41。，并且结构构造复杂（例如：在支承位置不仅设置了斜隔板，而且还在每道斜隔板两端各加设了1道直隔板），普通的直桥设计、分析理论已不能满足要求。在受力方面，与一般的正交桥相比，斜交桥有如下的差别：① 纵向弯矩（主弯矩）减小；② 反力分布不均匀；③横向弯矩变化幅度较正交桥大；④ 扭矩变化剧烈，且与抗扭刚度有关；⑤ 在桥面平面内有位移（爬动、蠕动）。而目前有关斜桥的实用计算分析方法还很不完善，为了对结构能够尽量做到精确分析，从而得出桥跨结构受力的正确结果，为病害整治提供依据，为此利用SAP通用程序对主梁结构进行空间受力分析计算。计算模型说明如下：
（1）模型沿纵桥向取上游幅全桥计算，即129m，按纵桥向（斜向）平均1m 的间距划分单元。全桥模型的节点数为9 486个；单元数为4 986个。
（2）坐标系。总体坐标原点设在桥梁上翼缘锐角处边沿线与此处横梁外边沿线的交点；以向桥跨跨中方向为z轴正方向；以横桥向向模型方向为轴正方向；竖直向上为Y轴正方向。
（3）采用三维8节点块单元，即Super SAP91中规定的第五类单元；采用非协调位移模式；依据所划分单元的规则程度，按中等扭曲程度的单元模式计算。
（4）材料按C50混凝土考虑，不考虑普通钢筋的作用；将梁体看成理想均质各向同性线弹性材料；不考虑混凝土的开裂影响；弹性模量E=3．5×10MPa，容重，。，泊松比u=0．167，剪切模量G=1．51×10 MPa，线膨胀系数口a=1．0×10。
（5）边界条件。按实际设置支座的性质，将各支座模拟成边界元，各边界元的性质为：除3号墩处支点为固定边界元（但各方向的转动释放），其余各墩、台均只约束重力方向，其他方向自由度均释放。
（6）加载工况（共7个工况）。
为了判断结构在运营及加固施工阶段的受力特性，进行了以下的工况加载：工况1，恒载+活载及恒载单独作用下结构的应力分布情况；工况2，恒载+结构升、降温35℃ ，用来判断升、降温时结构的位移变化情况；工况3，恒载+结构降温2O℃ ，用来模拟结构混凝土的收缩。
施工阶段的计算工况有以下：工况4，1号桥台处支点起顶2 cm；工况5，1号桥台及2号桥墩处支点均起顶2 cm；工况6，1号桥台，2号、3号桥墩处支点均起顶2cm；工况7，1号桥台，2号、3号、4号桥墩处支点均起顶2 cin。分别计算工况4～7时结构各部分的应力分布，以判断起顶量的合适与否。
4、病害原因分析
4．1 梁体错位
这是本桥最明显、直接的破坏形态，其他破坏情况均与此有或多或少的关系。梁体错位产生的原因是复杂的，通过对本桥的空间计算分析，可以认为是下面的因素：
本桥为一大角度的斜交桥，从前面可知，与一般的正交桥相比，斜交桥在平面内有位移（爬动、蠕动）的特性，本桥梁体错位的病害形态充分地说明了这一特点。
根据有关的资料，引起斜桥在平面内位移和转动的原因主要有如下几种：
纵向制动力；
横向风力；
温度变化，混凝土伸缩、徐变。
通过对前面有关计算结果的分析，可以得知其中的温度变化是引起斜桥在平面内位移和转动的最主要原因。这与养护部门反映的梁体的横向错位在夏季的升温季节发展最快的观察报告是一致的，因此可以判断梁端错位与温度变化有关。模拟结构温度变化的空间分析计算结果见图3。
4．2 梁体裂纹
在箱梁结构中，腹板的受力是最复杂的，所以也最容易出现问题。对钢筋混凝土箱梁，腹板上最易出现裂纹。本桥也是腹板开裂最为严重。从受力上来看，腹板不仅主要承担剪力，同时还要承担部分弯矩，腹板会因弯剪作用产生主拉应力而开裂。腹板上的大部分斜向裂纹和跨中附近的竖向裂纹主要是由于梁体受弯剪或单独受弯产生的，由于竖向剪力的作用使得裂纹从跨中竖直向两侧逐渐变成倾斜。温度应力也是引起腹板开裂的重要因素，有时甚至是主要因素。另外，施工期间的施工临时荷载或支架下沉，亦或由以上各因素的联合作用，也会引起梁体开裂。
从梁体上裂纹分布来分析，腹板上的大部分裂纹是由于梁体受弯剪产生的，由于竖向剪力的作用使得这些裂纹从跨中竖直向两侧逐渐变成倾斜，而温度等非荷重因素的影响，会加剧开裂或改变这些裂纹的方向和长度。
底板上的裂纹大部分是因梁抗弯底板受拉产生的，底板上也有一些非受力原因产生的裂纹，这些裂纹与腹板上的非受力裂纹应是同时产生的。顶板上的主要裂纹显然不是受力裂纹，因为这些裂纹主要集中在顶板受压的正弯矩区，受压的顶板是不会产生这些横向裂纹的，因此可认为这些裂纹产生的原因与时间同腹板上非受力裂纹是一致的。
4．3 伸缩缝破坏
原设计伸缩量过小是导致伸缩缝破坏的主要原因。与正交桥不同的是，引起斜桥在平面内位移的原因主要有以下几种：① 纵向制动力和纵向地震力（H。）；② 横向风力和横向地震力（Vo）；③ 温度变化，混凝土收缩、徐变（￡ 和￡ ）。因此，位于伸缩缝处的纵位移应包括：① 由H。、 产生的位移 、；② 由温降，混凝土收缩、徐变引起的位移；③ 由于以上两项引起的平面转动，从而产生的锐角处的位移。
5、病害整治
5．1 主梁横向位移纠偏
主梁纠偏的关键是如何起顶主梁。1号、5号桥台均有千斤顶布置位置，而2号、3号、4号桥墩没有，因此，2～ 4号桥墩成为起顶主梁的关键，从安全、经济的角度考虑，推荐采用特制矮千斤顶直接起顶。
由于原设计没有考虑更换支座时普通千斤顶的布置位置，梁底至帽梁顶的间距一般只有18 cm 左右，而普通千斤顶的高度一般均要> 18cm，为此必须采用特制的千斤顶。特制千斤顶的高度均不得超过18cm，其有效起顶高度能够达到6 cm 即可。
在主梁起顶过程中，起顶是顶推性且对称进行的，即从1号桥台开始起顶主梁，然后是5号桥台，接下来依次4号、2号桥墩，最后是3号桥墩。采用此起顶方式的原因是：主梁在恒载作用下，在各支点处是顶板承受负弯矩，底板为正弯矩，其受力形态便表现为顶板受拉，底板受压，而顶推对称起顶各支点对支点处主梁有卸载作用。起顶时，控制每次的起顶量不超过1 cm。循环多次，使主梁整体抬高，最终落梁在各墩台处的四氟板垫块上。
在布置好横向水平千斤顶（包括顶推和限位两类）后，就可利用水平千斤顶横移梁体。横移时，应该注意观察梁体横移的变化，保证其位移变化是缓慢的，可以采取循环多次的方法。
5．2 裂缝修补及粘贴碳纤维布
由于主梁梁高偏低，导致主梁各部位均有大量的裂缝出现，且有一部分裂缝为深度较深、缝宽较宽的长裂缝。裂缝修补分腹板裂缝修补、顶板及底板裂缝修补。为防止裂缝的继续发展及提高主梁的刚度，确定在箱梁底板和腹板粘贴高强度碳纤维布。由于在粘贴碳纤维布的工序中，包含有封闭裂缝的工序，故各部位的裂缝的处理分别为：
（1）腹板及底板裂缝修补。对裂缝>0．15 mm的应进行灌浆处理。
（2）顶板裂缝。顶板底面裂缝及底板底面纵向裂缝采用灌浆或表面封闭的办法（> O．15 mm 的灌浆，<O．15 mm 的封闭）。
5．3 支座修复及更换
修复及更换支座是在梁体横移到位后进行的，此时梁体仍然支承在四氟板垫块上。必须更换的支座有4个，即1号、5号桥台处被破坏的支座。其他支座必须严格做进一步检查，请生产厂家参与，对现有支座的性能进行判断，对可以继续使用的支座根据厂家意见进行整修；更换损坏的支座挡板；纠正被顶歪的挡板；对支座及挡板重新油漆；对无法继续工作的支座要更换。
5．4 下游幅主梁桥面铺装层防水性能改造下游幅主梁桥面铺装层必须进行防渗处理。为防止雨水对主梁的侵袭，桥面防水混凝土面上应涂刷防水涂料。
5．5 伸缩缝改造
鉴于目前的伸缩缝已被杂物堵死，影响主梁的自由伸缩，伸缩缝改造选用钢制梳齿型伸缩缝。经过计算，伸缩量设置为170 mm。
5．6 主梁外表防腐涂装
待其他加固工作完成后对主梁外表进行防腐涂装，以封闭主梁外侧细微裂缝，阻隔空气中的有害气体对主梁的侵蚀。涂层构成：环氧防锈封闭漆1道，厚25 m，环氧厚浆中间漆2道，厚2×25 m；氯化橡胶调和腻子1道，厚25 m；氯化橡胶面漆2道，厚2×25 m。涂层总厚150 cm。
5．7 设置横向挡块
由于斜交桥在水平面内有横向位移的必然趋势，故在两桥台侧必须设置横向挡块，以限制结构的侧向位移。
6、结论
本桥出现各种病害的最直接的原因是在两端桥台处未设置横向限位结构，而最根本的原因是对斜交桥的基本特性不了解（在桥面平面内有位移是斜交桥的基本特性之一），由此提醒我们，在设计各种非常规结构时，必须深入了解其特性。
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