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桁架拱橋的常見病害與維修加固

發布時間：2014-08-05

摘要：對桁架拱橋常見病害的成因進行分析，并提出維修加固方法
關鍵詞：桁架拱橋；病害；維修加固

阜陽市于20世紀70年代初開始引進鋼筋混凝土桁架拱橋，至今已建成使用的桁架拱橋達30多座。隨著時間的推移，經濟的發展帶來交通流量的大幅增長，特別是超載運輸車輛的通行，早期修建的荷載標準低的桁架拱橋出現了不同程度的病害和損傷。為適應公路交通運輸的需要，阜陽市公路局近幾年來先后對出現病害的幾座大型桁架拱橋，如臨泉泉河大橋（7 X 30 m）、界首潁河大橋（6 X 30 m）、阜陽茨淮新河大橋（6 X 54 m）、太和穎河二橋（6 X50 m）、臨泉人民大橋（3X30 m）等進行了維修加固工作，積累了一定的經驗，現介紹如下。

1、桁架拱橋的常見病害及產生原因
  （1）下弦桿拱腳處橫向裂縫。主要原因是橋臺、墩基礎出現不均勻沉降，使拱腳處出現豎向剪切應力，導致拱腳下弦桿件出現裂縫。
  （2）弦桿端部節點裂縫。主要原因是橋臺、墩基礎出現不均勻沉降，造成上弦桿端部凸桿與橋臺、墩柱搭接扣死，使該節點出現豎向剪切應力，導致節點出現裂縫。
  （3）橫系梁、橫拉桿、橫隔板豎向開裂。主要原因是由于原行架拱橋設計標準較低，橫向聯系較薄弱，而近10年來交通量大而且超載車輛比例大，造成桁架豎向變形量大，使橫向聯系的梁、桿、板出現豎向裂縫，甚至斷裂。
  （4）橋面板裂縫、破碎。主要原因是橋面板設計標準低，微彎板或拱波厚度不足，混凝土強度低，橋面鋪裝層薄弱，造成橋面剛度不足，隨著交通量的大幅增加，特別是超載車輛的破壞作用，致使橋面鋪裝層和微彎板開裂，如不及時維修，部分微彎板發生破碎，形成橋面坑洞而影響行車安全。
  （5）伸縮縫損壞。主要原因是桁架拱橋設計時不設伸縮裝置或僅設置簡易伸縮縫，混凝土強度設計較低，橋面接縫處混凝土損壞嚴重，逐漸開裂、破碎，使接縫處面積逐漸擴大而影響橋梁的安全使用。
  （6）人行道變形、下垂。主要原因是桁架拱橋的人行道設計一般采用在邊桁片上弦桿上置挑梁承托人行道板的方法。隨著人群荷載的增加，挑梁受超載而彎矩過大，致使下垂變形，如不及時進行加固，可能發生人行道垮塌事故。
  （7）位于兩跨接縫處人行道和拉桿橫向裂縫。主要原因是設計時在該處未考慮斷開，并設置伸縮縫裝置，橋兩跨的振動破壞形成裂縫。
2 維修加固方法
2.1 上弦桿端部節點和下弦桿拱腳處裂縫的維修加固方法
    因橋梁臺、墩不均勻沉降產生的桁架上、下弦橋節點處的裂縫已基本穩定，不再發展。可采用環氧樹脂灰漿在其兩面或三面粘貼鋼板的方法進行維修加固，如圖1所示

加固時，首先將構件混凝土的表面鑿毛，如節點處混凝土剝落嚴重，應將混凝土保護層鑿除再粘貼鋼板，粘貼鋼板要進行除銹處理。其次要先處理裂縫，即對裂縫先進行灌漿（環氧灰漿）處理，然后再粘貼鋼板。第三，由于拱腳處常處于水位以下，為防鋼板銹蝕，粘貼鋼板后要立模澆筑外包混凝土。
2.2橫系梁、橫拉桿、橫隔板開裂的維修加固方法
    因桁架拱橋設計標準低，橫向聯系薄弱而不能適應大交通量或重載交通時，應考慮對全橋的橫向聯系系統進行整體加固。一方面可采取加大截面法加固橫拉桿和橫系梁，同時還應適當增加全橋的橫向聯系桿件，如增加剪刀撐、橫系梁等。
  （1）加大截面法。加大橫系梁、橫拉桿截面，要先進行加筋的焊接處理，要鑿開節點處的鋼筋保護層將需要增加的鋼筋按設計焊接到接點處。采用吊模法澆注混凝土。混凝土中應適當摻加膨脹劑。
  （2）剪刀撐、橫系梁的施工采用預制安裝即掛籃施工、流水作業的方法，其重點是濕接頭的施工。
    濕接頭施工包括接頭鋼筋的焊接和混凝土的澆注兩個方面。接頭鋼筋焊接主要是桁架節點處鋼筋保護層的鑿除要慎重，即要露出鋼筋便于焊接，更要注意不要鑿的太深、太大，防止損傷桿件。混凝土的澆注在于立模要規范，嚴防漏漿；拆模時要對濕接頭混凝土及時進行整修和養生，確保接頭混凝土強度達到設計標準。
2.3 橋面微彎板及鋪裝層裂縫、破碎的維修加固
    因微彎板混凝土強度不足而產生的橋面鋪裝層裂縫、破碎，應撤換微彎板和鋪裝層；因橋面鋪裝層混凝土強度低而微彎板尚未損壞產生的橋面裂縫可撤換鋪裝層。為適應現今大交通量和重載交通需求，采用鋼纖維鋼筋混凝土加固橋面系的方法，簡易、可靠，可大幅增強橋面系的整體抗載抗裂能力，效果顯著。設計時，橋面鋪裝層的布筋也要適當增加。
    鋼纖維混凝土的施工工序與普通混凝土基本一樣，關鍵是鋼纖維混凝土的拌和和攤鋪時的振搗。前者應先干拌再加水濕拌，保證鋼纖維在混合料中均勻分布；后者應避免鋼纖維聚集。
2.4伸縮縫損壞的維修方法
    設置簡易伸縮裝置及不設伸縮裝置的桁架拱橋已不能適應現在交通安全的需要。因此，采用型鋼伸縮裝置或鋼板伸縮裝置改造桁架拱橋伸縮縫簡便、可靠。特別是與橋面鋪裝層同時改造時效果更加明顯：即采用伸縮縫混凝土與鋪裝層混凝土統一澆筑的方法一次成型，竣工后的伸縮縫與橋面鋪裝層高度一致，表面顏色一致，不存在斷縫（施工縫），整體性強，平整度好，行車舒適。
    （1）采用型鋼或鋼板伸縮裝置改造桁架拱橋伸縮縫時要注意兩點：一是錨固鋼筋的埋置要牢固，不能松動；二是混凝土強度設計要適當提高并確保現澆混凝土的質量達到設計標準。
    （2）如與橋面鋪裝層同時改造時，伸縮縫混凝土的澆筑應與橋面鋪裝層同步進行，即采用整體澆筑，一次成型工藝施工：先將型鋼或鋼板裝置按設計標準安裝就位，然后與橋面鋪裝層同時立模，澆筑鋼纖維混凝土。
2.5人行道下垂、變形及接縫處裂縫的維修加固
    在邊桁片上弦桿上置挑梁承托人行道板，因懸臂過長，設計人群荷載偏低及其他原因引起人行道下垂、變形的病害可采用立鋼斜支承或體外補筋法加固。體外補筋法即在橋面鋪裝層中增加兩側挑梁的橫向抗拉鋼筋。原橋兩跨接縫處人行道板未分開的要進行人行道與攔桿分離設計，使之適應橋面系行車變形。
  （1）人行道挑梁的維修加固施工要先拆除欄桿和人行道板，后對挑梁進行加固。采用槽鋼打斜支撐時要注意支撐下端固接鋼板與上弦桿的粘貼施工，包括箍筋的安裝等。如同時維修橋面鋪裝層時，可采用埋置鋼筋作抗拉筋以增強兩側人行道的橫向聯系。施工要點主要是增設鋼筋與挑梁鋼筋的聯接（焊接）要緊密，有條件時可適當施加預應力。

  （2）人行道極斷開施工要注意在上弦桿端頭增設的人行道挑梁的安裝施工，注意其穩定性和安全性。
3 加固實例
3.1橋梁及病害基本情況
    潁河大橋位于界首市，為 6 X 30 m桁架拱橋，全長 206 m，寬 10.9 m，設計荷載汽車一13級，建成于1979年。該橋下部結構為柱式墩，組合式橋臺，橋墩及北橋臺為鉆孔灌注樁基礎，南臺為擴大基礎，上部構造每跨由6片桁架組成，每片桁架分兩塊預制，預埋鋼板焊接，無支架纜索吊裝，桁架閘由橫系梁、橫拉桿、橫隔板相聯接。
主要病害有：
（l）1號～5號孔桁架拱頂下撓變形。其中2號孔最為嚴重，拱頂相對沉降達9 cm，而且該孔動載效應明顯；
（2）所有橋墩上部“門”形立柱及橫梁斷裂（橫梁作為桁架的上支撐點）。立柱裂縫位于根部，與立面呈 30°～45°，縫寬1～5 mm，橫梁裂縫一般位于1／3～l／2處，2～3條，縫寬0，2～lmm不等；
（3）1號孔 6片桁架的北端上弦桿節點混凝土開裂；
（4）橋面鋪裝層和微彎板嚴重裂縫破損；
（5）橋面伸縮縫全部毀壞（原設計為自然縫）；
（6）部分人行道挑梁混凝土開裂下垂，人行道欄桿毀壞；
（7）北橋臺帽梁及側墻開裂，縫寬5mm。
3.2 病害成因分析
（1）超載破壞。
    該橋設計荷載標準較低。隨著交通流量的增長，特別是超載運輸車輛的增多，橋梁不堪重負。另外，桁架的橫向聯系系統，在當今的車輛荷載作用下顯得薄弱，已不能滿足桁架的協同受力工作，即剛度不足。
（2）基礎不均勻沉降。
該橋南臺為擴大基礎，其他墩臺均為鉆孔灌注樁基礎，所以墩臺沉降是不均勻的。如南臺與相鄰橋墩的相對高差達4cm，由于桁架是超靜定結構，不均勻沉降產生的過大內力導致l號孔桁架端部節點全部開裂損壞，以及墩上“門”形立柱根部產生裂縫。
（3）部分結構施工處理不當。
    該橋每跨桁架的上弦桿端部搭接在墩臺上，施工時未斷開而形成聯接扣死，伸縮縫成假縫，改變了橋體的受力體系，使部分桁架上弦桿端部節點產生裂縫。
3.3 加固方法
  （1）在橋梁每孔端部、L／4處各增設一道剪刀撐和一道上橫系梁；拱頂處增設一道橫隔板。剪刀撐采取預制安裝，橫系梁及橫隔板采，澆方法施工。
  （2）對所有墩上斷裂的“門”形柱采用擴大截面法加固：即先用環氧樹脂砂漿修復裂縫，然后在墩上橫梁跨中新增立柱，以減小橫梁跨度，新增立柱采用微膨脹混凝土現澆，以使新老構件結合。
  （3）對桁片上弦桿端部節點裂縫采用環氧樹脂灰漿粘貼鋼板法加固修復。
  （4）對橋面系進行全面加固：拆除更換已裂縫破損或不規則的微彎板，以及全橋鋪裝層，新做11cm厚鋼纖維鋼筋混凝土鋪裝層，同時增設7道型鋼伸縫裝置，以提高橋面系的整體承載能力。
  （5）對人行道進行加固：拆除人行道上損壞的微彎板和所有攔桿，采用體外補筋法加固人行道挑梁后再安裝人行道板和欄桿。
  （6）拆除北橋臺損壞的帽梁和側墻，用20號鋼筋混凝土澆筑修復，并按原樣式進行表面修飾。
  （7）在所有墩臺上的拱腳處增設鋼筋混凝土防震擋塊，增強拱腳處的防震功能。
4 結語
    該橋維修加固后，驗收時進行了動靜載試驗檢測表明，該橋加固后剛度明顯加強，在汽車一15級動載作用下，橋體仍然處于彈性狀態。因此一次性通過了竣工驗收，被評為優良工程，并被省交通廳評為2000～2001年度全省優秀養護項目。

上一條混凝土裂縫注膠施工工藝
下一條特大橋預應力連續橋梁加固技術

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