混凝土桥梁下部结构病害分析与加固

混凝土桥梁下部结构病害分析与加固
发布时间：2022-08-30T03:25:10.613Z 来源：《工程建设标准化》2022年第37卷第8期作者：杨芬
[导读] 下部结构是混凝土桥梁的重要组成结构，决定了桥梁的整体稳定性及传荷能力。

杨芬
(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉430051)
摘要：下部结构是混凝土桥梁的重要组成结构，决定了桥梁的整体稳定性及传荷能力。

根据下部结构的常见形式对病害类型及产生机理进行分析。

以武汉某桥梁为研究对象，通过对该桥梁进行定期检查，确定桥梁下部结构存在病害类型及部位，对该桥梁技术状况进行评分计算为66分，属于3类桥梁，需要对下部结构进行加固处置。

采用粘贴钢板法以及套箍加固法对下部结构进行加固，提高了桥梁下部结构的耐久性。

关键词：混凝土桥梁，下部结构，病害分析，加固措施
1 引言
随着我国公路工程建设的不断发展，我国已经建成的公路桥梁总数超过35万座[1]。

虽然公路桥梁建设的速度快、数量多，但是由于桥梁建设较早有些桥梁已经出现了一些病害，影响了桥梁的整体性及耐久性[2]。

下部结构是桥梁主要的承重结构，包括桥墩、桥台以及基础组成，下部结构材料多为钢筋混凝土材料，在车辆活载和桥跨恒载的共同作用下，导致桥梁结构在使用过程中出现大量病害，严重降低耐久性[3]。

由于桥梁结构组成复杂，下部结构病害产生的原因较多，且产生机理复杂，因此需要对桥梁下部结构病害产生机理及加固方式进行研究[4]。

本文以武汉某桥梁为例，根据桥梁下部结构的组成及分类，研究下部结构病害存在的类型及部位，确定下部结构病害产生的机理。

通过对该桥下部结构进行定期检查，确定该桥梁的病害类型及数量，根据调查结果对该桥梁下部结构进行技术状况评定，依据评定结果，针对相应病害提出该桥梁下部结构加固措施。

2 混凝土桥梁下部结构病害及产生机理
混凝土桥梁下部结构病害的产生主要包括两方面原因。

一方面是内因，主要由于混凝土桥梁在勘察设计以及施工方面存在问题导致桥梁下部结构提前出现病害，需要进行加固处理。

另一方面是外因，桥梁结构整体暴露在环境当中，由于环境因素包括土基地质、温度、风力以及行车活载导致桥梁下部结构耐久性下降，出现裂缝、麻面以及地基不均匀沉降等病害。

其中不同的结构形式产生的主要病害也大不相同。

2.1桥墩病害
2.1.1重力式桥墩病害
（1）下沉移位
桥墩的作用为承受上部结构恒载以及行车活载并将荷载传递至基础，重力式桥墩自重较大，当地基承载力不足时，基础出现不均匀沉降，导致桥墩下沉移位，严重的造成桥墩自身开裂。

（2）墩身开裂
重力式桥墩材料多为混凝土，避免不了会产生裂缝。

墩身产生的裂缝形式可以分为水平裂缝、竖向裂缝和网状裂缝。

因为桥墩为大体积混凝土结构，在进行混凝土浇筑时，为了满足墩身使用要求，需要设置水平或竖向灌注接缝。

因此，浇筑时施工不当导致墩身出现水平或竖向裂缝。

竖向裂缝的发展是由下向上开展，从基础向墩顶发展，裂缝形状表现为下宽上窄，竖向裂缝由于不良地基或基础不均匀沉降造成。

网状裂缝主要由于施工不当产生，施工过程中由于混凝土水化热和内外温差、温度变化以及混凝土收缩徐变的影响，混凝土内部产生温度应力导致墩身出现网状裂缝。

（3）墩顶混凝土破损
墩顶混凝土破损主要与桥梁支座有关，支座尺寸过小桥跨恒载及行车活载通过支座传递时，在桥墩顶部出现应力集中现象，导致墩顶混凝土破损。

（4）钢筋锈蚀
桥墩由钢筋混凝土材料构成，混凝土主要承受压应力，钢筋主要承受拉应力。

当混凝土存在微裂缝时，环境中的侵蚀介质沿着裂缝进入混凝土内部。

对于跨海大桥，海水中的氯离子通过微裂缝进入墩身混凝土保护层，直至到达钢筋所在的位置。

此后钢筋会在氯离子的作用下导致钢筋锈蚀，钢筋混凝土体积膨胀造成混凝土保护层破裂。

2.1.2柱式桥墩病害
柱式桥墩由盖梁与立柱两部分组成，盖梁的作用为支承桥梁上部结构并将桥跨恒载与行车活载传递至立柱。

（1）盖梁病害
盖梁出现裂缝主要有自上而下的盖梁负弯矩区的垂直裂缝、顺桥向横贯盖梁的水平裂缝及自下而上的斜剪裂缝。

局部受压破坏，由于支座尺寸过小或重载交通的影响，使得支座处混凝土的局部应力过大,混凝土压碎。

挡块挤压开裂，盖梁上的挡块主要为了防止梁体产生横向移动而脱离下部桥墩而设置。

因为主梁在温度作用下或施工误差导致挡块与梁体间距预留空隙不够，在汽车荷载的作用下产生了横向变形，挡块被挤压开裂。

渗水、钢筋锈蚀，由于盖梁一般都是位于上部结构的伸缩缝处，桥面上的水会通过伸缩缝渗入，导致盖梁处于浸湿的状态。

（2）立柱病害
盖梁下的立柱也会出现露筋、混凝土剥落、钢筋锈蚀等病害。

一般立柱还会出现竖向裂缝以及环向裂缝。

前者主要是因为荷载过大、基础不均匀沉降、钢筋混凝土保护层过厚引起。

而对于后者,因桩基分布在路堤断面的不同位置,在同一路堤断面中,堤中水平侧向位移比堤边的要大,使立柱间顶面的水平位移出现差异,在盖梁上就产生了扭转,从而导致立柱上产生环向裂缝。

2.2桥台病害
2.2.1桥台开裂
台身开裂主要是因为台后填土不良、基础下沉引发。

由于基础不均匀沉降、台身与基础混凝土收缩徐变差异、填土积水使得台身出现
竖向裂缝。

而在台后土压力和车辆荷载反复压力的作用下，侧墙翼尾顶部会出现较大幅度的变形位移，导致前墙与侧墙交汇转角处应力过大，发生开裂现象。

桥台浇筑一般属于大体积混凝土浇筑,施工后内部水化热较大、收缩徐变明显，致使台身产生网状裂缝。

2.2.2桥台位移
桥台倾斜和不均匀沉降主要由基础下存在不良地基、基础不均匀沉降、流水冲刷引起。

而桥台滑移多在软土地基上出现，当软土含水量提高或出现塑性流动时，台背所受填土主动土压力增大，以致超过桥台抗滑能力,进而出现滑移现象。

2.3基础病害
2.3.1基础沉降
由于在施工后，基础上部结构传来的荷载，尤其是汽车活载，会导致地基土被压缩、不断排水固结，进而引发基础下沉，甚至会出现基础各处沉降不一致，严重时可导致墩台开裂。

然而大多数桥梁结构肯定是会出现基础下沉的，但只要沉降值在合理的范围内则不需做出处理。

2.3.2基础滑移倾斜
受流水频繁冲击的影响，基础可能会产生滑移。

而由于河床变迁等原因，桥台前墙侧的上覆土减少，使得其对桥台产生的抗滑力减小，在台后填土的作用下，桥台基础将会滑移。

当台后填土过高或其含水量增加，会导致在软土地基中的桥台基础受到的主动土压力增大，超过了其抵抗能力，基础也将产生滑移和倾斜。

2.3.3基础冲刷
在桥梁设计时，通过选择与上部结构相适应的一般冲刷及局部冲刷深度值来控制基础埋深，以减少或避免基础受流水冲刷。

然而，由于施工时基础埋深不足，桥梁所跨河流常年开采砂石，或者河床变迁，都会导致基础遭受流水的直接冲刷。

随着长期的流水冲刷,基础下地基被掏空,进而引发其他桥梁病害。

2.3.4基础开裂
因墩台设计不合理，使得基础受力不均，导致其局部应力过大,以致基础产生裂缝。

同时在外荷载或冻害作用下，也会使基础因出现过大应力而产生开裂。

3工程案例
3.1工程概况
武汉某桥梁全长69.08m，如图1所示，采用4孔16m的预应力混凝土空心板桥，桥梁全宽57m，整幅桥布置，布置尺寸为∶4.5米（人行道）+6米（非机动车道）+36米（机动车道）+6米（非机动车道）+4.5米（人行道）。

墩顶处采用桥面连续，桥台处设置D60型伸缩缝。

下部结构采用柱式墩台，钻孔灌注桩基础。

设计荷载：城—A级，人群荷载5KN/m2。

图1 武汉某桥梁立面图
3.2桥梁结构下部病害调查
根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG TH21-2011），对武汉某桥梁进行下部结构定期检查，依据桥梁定期检查结果，得到该桥梁下部结果病害调查表，调查结果如表1所示。

表1 武汉某桥梁下部结构病害调查表
由表1桥梁下部结构调查表可得，该桥梁在柱式桥墩以及桥台处出现了局部病害，其中柱式桥墩损害较为严重，在盖梁处出现2处裂缝，虽然裂缝宽度≤0.3mm，但是裂缝长度较长，在立柱墩身处存在3处蜂窝麻面，累计麻面面积为052m2，属于轻微蜂窝麻面。

桥台台帽处出现2处混凝土剥落病害，剥落累计面积为0.26m2，属于局部混凝土剥落。

经过调查研究，可得该桥梁下部结构存在部分类型病害，需要对桥梁下部结构进行技术状况评定，确定桥梁等级。

3.3桥梁下部结构技术状况评定
通过对该桥梁下部结构进行定期检查，确定下部结构存在的病害类型及数量，需要进行下部结构技术状况评定，依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG TH21-2011）及该桥梁下部病害调查结果，对桥墩、桥台、基础进行评分，评分标准如表2所示。

表2 桥梁下部结构技术状况评定标准
桥梁下部结构计算如式1所示。

式中：SBCI-桥梁下部结构技术状况评分，m-下部结构部件种类数，Wi-第i类部件权重。

计算得出该桥梁下部结构技术状况评分为65分，通过对该桥梁全桥定期检查，确定上部结构评分为70分，桥面系评分为60分，根据式2计算全桥技术状况等级。

式中：Dr-桥梁总体技术状况评分，WD-桥面系权重，WSP-上部结构权重，WSB-下部结构权重。

通过计算得出该桥全桥技术状况评分为66分，属于3类桥梁，需要对下部结构进行主要加固。

4 下部结构加固措施
根据对该桥梁下部结构病害调查，得出病害出现的部位为桥墩及桥台处，病害类型包括竖向裂缝、蜂窝麻面以及混凝土剥落病害。

4.1桥墩加固措施
对盖梁或墩帽出现的各种竖向裂缝和斜裂缝，可在受拉区两侧面采用粘贴钢板或纤维复合材料、施加体外预应力、增加梁高、提高抗弯刚度。

对悬臂或跨度过长的盖梁或墩帽，还可考虑在盖梁或墩帽下加柱等加固，对不等高盖梁角隅局部应力裂缝，可采用灌环氧胶封闭后，两侧粘贴块形钢板，严重开裂时，应钻孔后穿入锚杆锚固。

对墩柱出现的水平裂缝、竖直裂缝及网裂等，如果水平开裂是由于弯曲受扭过大引起的，首先要尽量削减恒活载扭矩，如改变支座设置、释放墩梁固结为横向可活动的支座，在上部结构的腹板侧面纵向张拉体外预应力，改独柱墩为两柱或三柱墩等。

墩柱本身的加固可采用外包钢筋混凝土套箍，外贴多道或全高范围粘贴钢板或纤维复合材料箍及加斜撑、加柱等方式加固。

4.2桥台加固措施
台帽下的裂缝可采用高强度等级水泥浆或砂浆灌注封闭，如果是支座引起的要先更换支座。

对台身前墙竖向裂缝，如是基础横向不均匀沉降引起, 且沉降尚未终止, 应先加固地基, 再用水泥浆或砂浆灌缝封闭后, 采用钢筋混凝土围带、钢箍或增大前墙厚度等方法加固。

对台身大面积开裂、破损、风化、剥落的, 可采用外包钢筋混凝土套箍加固。

5 结论
综上所述，混凝土桥梁下部病害种类较多，产生机理复杂。

以武汉某桥梁为研究对象，通过对该桥梁进行下部结构定期检查，得出在桥墩及桥台处存在裂缝、蜂窝麻面等病害。

根据对全桥技术状况评分进行计算，确定该桥评分为66分，属于3类桥梁，需要对下部结构进行加固处理。

依据桥梁下部结构病害状况，分别采用粘贴钢板以及外包钢筋混凝土套箍措施对桥墩及桥台进行加固处理。

参考文献：
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