棋盘岭大桥具体病害分析与加固设计探讨

关键词：坠石灾害 荷载试验 预应力碳纤维板 体外预应力

　　1 项目概况

　　岳潜高速公路01标棋盘岭大桥位于岳西县黄尾镇严家村北侧，走向与黄尾河基本平行，桥下被交路为县道X084，主线与被交路在此段多次相交，由于被交路外铡边坡地势陡峻，在尽量减少对自然山体破坏的指导思想下，该路段采用桥梁跨越，通过调整跨径减少对被交路的干扰。该桥采用装配式部分预应力混凝土连续箱梁，左幅桥纵向布置为4×30m；右幅桥纵向布置为6×25m+20m+4×30m。下部结构采用桩柱式桥墩，柱式台，钻孔灌注桩基础。设计荷载为公路-Ⅰ级，地震动峰值加速度为0.05g。

　　2009年3月3日，因长达三周的阴雨恶劣气候导致该桥所处路线左侧山体顶面的数颗巨石失稳，并相继从约65m高度的山顶沿坡面（坡度约70o）坠落，对路线左幅路基、右幅箱梁、内侧波型梁护栏底座、外侧防撞护栏造成重大冲击损伤。

　　左幅为路基，坠落到路基上的较大坠石共有4个，其中最大一块呈圆柱体，周长约18m，高度约150cm，水平距离内侧波型梁护栏底座1.20m，因坠石自重及其巨大冲击造成路基沉陷深度最大达55cm，路基外侧挡墙开裂，局部塌陷。

　　

图1 坠石山坡山体概貌

图2 桥面坠石分布现场

　　右幅棋盘岭大桥坠石散落于第5跨桥面，其中较大的共有三块，其中最大一块重约90t（图2中A坠石）。

　　2 桥梁病害分析

　　箱梁是桥梁重要承重构件，也是本次地质灾害中受损最为严重的受力构件。经调查，受损箱梁为第5跨内侧两个梁体（即第3、4号梁），其中第3号梁病害最严重，受损部位主要位于顶板、腹板，以及箱梁第3、4号梁间的湿接缝处。

　　（1）湿接缝

　　A坠石在桥面上第一撞击点位于第5跨第3、4号箱梁跨中区的顶板与湿接缝接缝处，该处已经砸穿，雨天有漏水现象（见图3）。

　　（2）腹板

　　第5跨第3、4号箱梁的腹板损伤严重，3号梁出现大量发散裂缝，裂缝形状有水平向、竖向、斜向，斜向裂缝最长达296cm，裂缝最大宽度为0.9mm，均为坠石产生的受力裂缝（见图4）。

　　

图3 坠石在第一撞击区湿接缝病害

图4 内侧第二片箱梁腹板斜向裂缝

　　（3）桥面

　　右幅桥面尚未摊铺沥青面层，第5跨桥面铺装受坠石撞击后损伤严重，撞击损伤概貌如图5、6所示。

　　

图5 桥面铺装撞击损伤现场

图6 湿接缝处桥面铺装及顶板砸穿

　　3 荷载试验

　　为了了解结构体系在试验荷载作用下的实际工作状态，为科学地评价结构在受损后使用阶段的工作状况提供强度、刚度和变形等方面的资料，本次对比荷载试验选择受损的第5跨和相邻未受损的第4跨进行了对比荷载试验，为下一阶段的加固设计提供依据。

　　本桥在试验荷载作用下损伤跨第5跨跨中截面应变校验系数最高为1.2，挠度校验系数最高为0.95，而相邻跨第4跨跨中截面应力校验系数最高为0.9，挠度校验系数最高为0.87。

　　预应力混凝土桥梁的结构校验系数一般为0.7～0.9，但不得超过1.05。本桥损伤跨结构应变校验系数已远远超过常值范围，桥梁实际应力状态偏离理论设计，承载力已经没有安全储备。桥梁挠度校验系数也较高，桥梁实际刚度小于理论设计刚度，存在安全隐患。

　　建议尽快采用主动加固方式对本桥进行加固处理，以改善受力状态并满足现行规范要求。

　　4 桥梁加固设计方案

　　桥梁加固设计工作根据上述病害情况、静载实验结果及结构计算分析，将本次加固分为上部主体结构加固、现浇及预制桥面板及横梁加固三部分。

　　（1）病害：箱梁腹板出现较多斜向裂缝，现浇及预制桥面大面积损伤。

　　（2）病害及结构分析：通过结构计算，原箱梁结构承载能力可以满足要求，但由于箱梁受到突然冲击后，腹板出现较多比较宽的斜向受力裂缝，且部分湿接缝连接处发生破坏，结构实际的承载力及应力状况发生变化。在结构计算过程中结合试验数据，对第4跨和第5跨相同工况下结果进行对比，根据结构受损程度考虑将右幅第5跨3号箱梁钢束张拉控制力按0.85系数折减，右幅第5跨4号箱梁钢束张拉控制力按0.9系数折减；由于部分湿接缝和箱梁连接处开裂、混凝土破碎，特别是右幅第5跨第3、4号梁之间湿接缝破坏较严重，梁间横向联系薄弱，形成局部单板效应，结构计算时根据试验实测的最大横向分布系数计算，桥梁的的承载力根据箱梁的病害程度3号梁按0.85的系数折减，4号梁按0.9的系数折减，计算结果如下表所示:

　　表1 正常使用极限状态验算

　　

验算内容 　　 荷载等级	3号梁跨中下缘正应力	4号梁下缘正应力
折减前	折减0.85后	折减前	折减0.9后
公路-Ⅰ级	1.51 MPa	0.48 MPa	0.50 MPa	-0.17 MPa

　　表2 抗弯承载力验算

　　

荷载等级、位置	公路-Ⅰ级
计算参数	3号梁	4号梁
内力组合Mj (kN.m)	4956.3	5342.6
极限承载力Mu (kN.m)	5391.1	5383.0
箱梁承载力折减系数	4582.4	4844.7
承载力验算Mu/Mj(折减前）	1.09	1.01
承载力验算Mu/Mj(折减后）	0.92	0.91

　　（3）加固处理方案

　　由于箱梁跨中坠石部位裂缝超限，考虑到对桥梁结构承载能力的影响，本次维修加固设计采用两种主动加固方案恢复箱梁的承载能力

　　方案一：在箱梁底面张拉预应力碳纤维板。

　　采用施加预应力后的碳纤维加固，既有效地利用了碳纤维的高强度，节约碳纤维用量，又能抑制构件的变形和裂缝的发展，其优势是非常明显的。

　　方案二：在箱梁底面张拉体外预应力钢束。

　　由于钢绞线的强度高，当需要拉杆承受较大内力时，材料面积也不需要很大，施工起来比较方便。钢绞线的柔性好，很容易形成设计形状，施工起来方便。钢绞线的长度长，可以采用连续跨加固，加强了结构的整体性。由于无粘结钢绞线的防腐性能较好，在外观要求不高的情况下，可采取简单的防腐措施，施工比较方便。

　　其它共性处理方案

　　a、裂缝：裂缝宽度≥0.15mm的结构受力裂缝采用压浆法进行修补；非结构受力裂缝和宽度＜0.15mm的裂缝采用封闭法进行修补。

　　b、混凝土局部破损：清理破损区域，露出坚实界面，用改性聚合物水泥砂浆修补；对箱梁湿接缝部分采用拆除破损湿接缝、重新浇注混凝土的处理方法。

　　c、露筋锈蚀：清理露筋区域，对钢筋除锈，用改性聚合物水泥砂浆修补。

　　d、箱梁跨中腹板粘贴条状钢板。

　　（4）预应力碳纤维板加固后结构计算分析结果（方案一）：

　　表3 正常使用极限状态验算

　　

验算内容 　　 荷载等级	3号梁下缘正应力	4号梁下缘正应力
公路-Ⅰ级	1.45 Mpa	0.44 Mpa

　　表4 抗弯承载力验算

　　

荷载等级、位置	公路-Ⅰ级
计算参数	3号梁	4号梁
内力组合Mj (kN.m)	4956.3	5342.592
加固前极限承载力Mu (kN.m)	4582.4	4844.7
加固后极限承载力Muu (kN.m)	5650.1	5910.3
承载力验算Mu/Mj(加固前）	0.92	0.91
承载力验算Muu/Mj(加固后）	1.14	1.11

　　（5）体外预应力加固后结构计算分析结果（方案二）

　　表5 正常使用极限状态验算

　　

验算内容 　　 荷载等级	3号梁下缘正应力	4号梁下缘正应力
公路-Ⅰ级	1.50 Mpa	0.48 Mpa

　　表6 抗弯承载力验算

　　

荷载等级、位置	公路-Ⅰ级
计算参数	3号梁	4号梁
内力组合Mj (kN.m)	4956.3	5342.592
加固前极限承载力Mu (kN.m)	4582.4	4844.7
加固后极限承载力Muu (kN.m)	5510.5	5771.5
承载力验算Mu/Mj(加固前）	0.92	0.91
承载力验算Muu/Mj(加固后）	1.11	1.08

　　（6）方案技术经济比较

　　表7 方案比选表

　　

方案	优 点	缺 点
方 　　 案 　　 一	1、耐腐蚀（气候）性能较好； 　　 2、采用预应力碳纤维板加固，有效地利用了碳纤维的高强度； 　　 3、预应力碳纤维板加固可显著改善受弯构件开裂及屈服荷载，应用于桥梁结构加固能有效抑制构件的变形和裂缝的发展，充分利用碳纤维材料性能。 　　 4、可拆换，方便更换，碳纤维板面积较小，紧贴梁底，充分利用材料。 　　 5、固定端和张拉端采用成品钢齿板，钢齿板尺寸较小，外观较好。	对碳纤维施加预应力将伴随产生初始应变,碳纤维的剩余变形更少，对加固结构延性有影响。
方 　　 案 　　 二	1、采用成品体外索，索体外有PE套管防护。 　　 2、体外索安装在箱内，其它梁相比协调性较好。 　　 3、加固费用花费较少。	1、需要种植较多钢筋浇筑齿板，对原结构损伤较大。 　　 2、预应力布置在箱内，施工空间较小，种植钢筋等施工较困难。 　　 3、齿板较小，混凝土浇筑困难。

　　经过技术经济比较将方案一：预应力碳纤维板加固方案作为推荐方案。

　　5 项目实施情况

　　本桥加固设计方案在专家及业主的一再坚持下，施工时没有选择主动加固设计方案，最终处理措施如下：

　　（1）对该桥右幅第五跨受损箱梁的裂缝进行注浆及封闭。

　　（2）在受损箱梁箱室内粘贴整体钢板，箱室外粘贴条状钢板。

　　（3）凿除该桥右幅第五跨原桥面铺装和受损湿接缝的砼，取消铺装中面层。已凿除的湿接缝、桥面铺装和取消的中面层采用砼整体浇筑，并设置双层钢筋以提高桥梁横向联系。

　　6 结 语

　　本文通过棋盘岭大桥受坠石破坏所造成的病害情况进行分析，同时结合荷载试验结论有针对性地提出两种加固设计方案供比选，最终选择处理方案，从以上桥梁事故及加固案例，提出以下建议供参考：

　　1、在设计和施工中，避免使用不合理的高陡边坡，避免大挖大切，以维持山体的平衡稳定。在岩体松散或构造破碎地段，不宜使用大爆破施工，避免因工程技术上的失误而引起崩塌。较陡斜坡上的岩土体应及时采取清除坡面危石、遮挡、拦截 、支挡、坡面加固等措施避免灾害的发生。

　　2、施加预应力后的碳纤维加固，既有效地利用了碳纤维的高强度，节约碳纤维用量，又能抑制构件的变形和裂缝的发展，其优势是非常明显的，国内外许多研究人员及工程师对此技术进行了大量的研究，以期使预应力碳纤维加固成为传统碳纤维加固及其他加固技术的良好替代技术，加固施工中值得推广。