武宿立交樞紐主線橋病害分析及加固措施

孫建芳

（山西太舊高速公路有限責(zé)任公司工程技術(shù)部，山西 太原 030600）

1 工程概述

1.1 原橋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)

武宿立交樞紐位于太舊高速公路的西段K520+289處，太原市南郊，是連接太舊高速公路、太原東山過(guò)境高速公路、太原南環(huán)高速公路、太榆路、機(jī)場(chǎng)路的重要交通樞紐，上跨石太鐵路，由2.8 km主線和19條匝道（1995年建成15條，2007年續(xù)建成4條）組成。

武宿立交主線橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨度28~40 m，全長(zhǎng)1 082 m。左右分幅，左幅橋合計(jì)1 078.93 m，右幅橋合計(jì)1 073.229 m。單幅橋箱梁采用單箱雙室、三室、四室截面，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝厚15 cm，包括8 cm防水混凝土基層和7 cm瀝青混凝土面層。

除L6#、R7#兩聯(lián)外，主線橋其他各聯(lián)橋均采用支架現(xiàn)澆施工，截面形式為單箱雙室。箱梁梁高2.2 m，每跨設(shè)3道中間橫隔板，頂板、底板、腹板與橫隔板相交處設(shè)倒角。

L6#、R7#兩聯(lián)橋采用頂推法施工。兩聯(lián)橋均采用箱形截面，底板水平，頂板設(shè)2%的橫坡，梁中心線處高2.2 m。L6#橋采用單箱雙室截面，R7#橋采用單箱三室截面。

箱梁內(nèi)均設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力，支點(diǎn)橫隔板內(nèi)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，均采用6—7Φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線束、OVM15—6錨固體系，預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 500 MPa，箱梁內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1050MPa，橫隔板內(nèi)橫向預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1095MPa。主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均為短束，分段布置，錨固在梁端和跨間布置的齒板上。

原橋箱梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，將梁體視為等高度、變截面、變剛度連續(xù)梁，按施工階段和運(yùn)營(yíng)階段兩種情況計(jì)算，其中不均勻沉降按1.0 cm考慮。

1.2 橋梁存在的主要問(wèn)題和維修加固設(shè)計(jì)

1.2.1 存在的主要問(wèn)題

作為太舊高速公路的重要交通樞紐和太原市重要交通出入口，武宿立交長(zhǎng)期承擔(dān)著繁忙的交通任務(wù)，造成橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多種病害和缺損，結(jié)構(gòu)承載力和剛度有不同程度的削弱，并影響到其耐久性，對(duì)安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成嚴(yán)重隱患。根據(jù)2007年8月、2009年5月進(jìn)行的橋梁定期檢查和2009年10月進(jìn)行的專項(xiàng)檢測(cè)，主線橋箱梁腹板出現(xiàn)豎向裂縫和斜裂縫，底板存在橫向裂縫和縱向裂縫，橋墩蓋梁和橋臺(tái)開(kāi)裂，一些支座破損，支座調(diào)坡抗震構(gòu)件與墩帽接觸，主要承重構(gòu)件缺損嚴(yán)重，病害發(fā)展明顯，按重要部件最差的缺損狀況評(píng)定為“三類”橋梁，結(jié)構(gòu)狀態(tài)較差。

2007年9月，西安公路研究所對(duì)L5#橋進(jìn)行了動(dòng)靜載荷載試驗(yàn)。結(jié)果表明，箱梁承載能力有所下降，抗彎承載力安全儲(chǔ)備不足，抗剪強(qiáng)度和剛度難以滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

1.2.2 武宿立交歷年維修加固情況

鑒于以上原因，武宿立交樞紐近些年進(jìn)行了多次的維修加固，主要維修加固項(xiàng)目包括：

2004年：J匝道橋變截面端粘貼鋼板加固維修。

2005年：路面改造維修；A、B、I、H匝道橋變截面處粘貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)；Q2匝道橋加固。

2008年：主線L5#橋箱內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)；B匝道橋和J匝道橋維修；主線橋箱內(nèi)病害處治。L5#橋的加固方法包括在兩個(gè)邊跨內(nèi)布置體外預(yù)應(yīng)力鋼束、兩個(gè)邊跨自梁端一定范圍內(nèi)箱內(nèi)腹板上粘貼豎向抗剪鋼板、兩個(gè)邊跨梁底粘貼碳纖維布等。

2 橋梁病害情況及發(fā)生原因分析

2.1 主線橋主要病害情況

根據(jù)2007年8月、2009年5月進(jìn)行的橋梁定期檢查和2009年10月進(jìn)行的專項(xiàng)檢測(cè)，武宿立交樞紐主線橋出現(xiàn)的主要病害包括：

（1）箱梁腹板跨中附近存在豎向裂縫，最大寬度達(dá)1.5 mm，1/4跨或3/4跨處出現(xiàn)斜向裂縫。

（2）箱梁底板存在橫向裂縫和縱向裂縫，其中橫向裂縫最大縫寬1 mm，縱向裂縫最大縫寬0.53 mm。從2007年到2009年，裂縫數(shù)量、寬度均明顯發(fā)展，且修補(bǔ)后的裂縫均重新開(kāi)裂。

（3）箱梁底板、頂板混凝土存在缺損、麻面、空鼓、露筋、露波紋管等缺陷。

（4）部分橋墩蓋梁存在豎向、斜向裂縫，縫最寬0.5 mm。從2007年到2009年，橋墩蓋梁裂縫無(wú)明顯發(fā)展。

（5）左幅第15跨14#墩2#支座破損，建議更換。

（6）共計(jì)70個(gè)支座調(diào)坡抗震構(gòu)件與墩帽擠死，處于受力狀態(tài)，影響梁自由伸縮。

（7）現(xiàn)場(chǎng)回彈試驗(yàn)測(cè)得一些位置箱梁混凝土強(qiáng)度低于原設(shè)計(jì)值，最低強(qiáng)度為37.4 MPa，不到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度（50#混凝土）的80%。

（8）箱梁碳化深度最大值為4.7 mm，最小值為1.1 mm，平均值為2.7 mm，混凝土碳化對(duì)鋼筋銹蝕有輕微影響。

（9）有15跨箱梁實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度值為5，表明保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的耐久性影響很大，鋼筋易失去堿性保護(hù)，發(fā)生銹蝕；有2跨箱梁實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度值為4，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有較大的影響。

2.2 病害發(fā)生原因分析

（1）各種大噸位車輛大幅增加，在長(zhǎng)期超載超限車輛作用下，導(dǎo)致底板橫向裂縫和腹板斜裂縫的出現(xiàn)。

（2）武宿立交于1995年10月建成通車，至今已超過(guò)15年。橋梁檢測(cè)、荷載試驗(yàn)和加固前結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，受長(zhǎng)期混凝土徐變、碳化、開(kāi)裂、預(yù)應(yīng)力損失的影響，一些主梁的抗彎、抗剪承載力及剛度減小，安全儲(chǔ)備不足。

（3）箱梁腹板及底板厚度變化處過(guò)渡段較短，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，利于裂縫開(kāi)展。

（4）主線橋箱梁預(yù)應(yīng)力筋采用短束，多根預(yù)應(yīng)力筋錨固于跨間同一斷面，造成該斷面兩側(cè)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)急劇變化，齒板外側(cè)出現(xiàn)一定拉應(yīng)力。當(dāng)超出混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，將造成箱梁頂、底板出現(xiàn)橫向裂縫。

（5）箱梁普通鋼筋配筋率偏小，主線橋箱梁上、下緣縱向鋼筋采用Φ10的圓鋼筋，間距20 cm；箍筋采用Φ10的圓鋼筋，每個(gè)腹板內(nèi)2肢，間距10~20 cm，不利于裂縫的防止和控制。

（6）在超載重車反復(fù)作用下，箱梁頂、底板橫向裂縫發(fā)展至腹板，形成貫通的U形裂縫。

（7）由于預(yù)應(yīng)力損失、超載重車、施工質(zhì)量等原因，造成腹板抗剪能力不足，在腹板中產(chǎn)生斜裂縫。

（8）箱梁局部保護(hù)層較薄，不利于鋼筋防銹和控制裂縫開(kāi)展。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的箱梁縱向裂縫就是由于波紋管位置偏差，造成混凝土保護(hù)層較薄，由張拉后管道壓漿引起，或?yàn)榛炷另樹(shù)摻罘较虍a(chǎn)生的收縮裂縫。

（9）經(jīng)調(diào)查，由于種種原因，施工過(guò)程中存在控制不良現(xiàn)象，造成局部混凝土質(zhì)量差，個(gè)別地方出現(xiàn)蜂窩麻面及露筋現(xiàn)象；部分預(yù)應(yīng)力筋張拉、錨固、壓漿有問(wèn)題，有些部位普通鋼筋布置未嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)圖紙。這些均對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響，經(jīng)長(zhǎng)期使用在箱梁中出現(xiàn)多種病害。

（10）橋面鋪裝經(jīng)過(guò)多次后期維修、加鋪，實(shí)際鋪裝層厚度已超過(guò)原設(shè)計(jì)厚度較多，箱內(nèi)雜物較多，這些均增加了箱梁的附加荷載，惡化了結(jié)構(gòu)受力狀況。

3 維修措施

3.1 維修設(shè)計(jì)總體思路

根據(jù)主線橋的結(jié)構(gòu)形式和存在的主要問(wèn)題，維修設(shè)計(jì)總體思路為：

（1）在對(duì)箱梁主體結(jié)構(gòu)加固之前，將原橋面鋪裝鑿除，待梁體維修加固完成后，重新進(jìn)行橋面鋪裝。

（2）對(duì)主線橋箱梁頂、底板裂縫較為嚴(yán)重的梁跨，增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力，提高原橋的預(yù)應(yīng)力水平。

（3）對(duì)匝道橋箱梁跨中附近梁底和中支點(diǎn)附近梁頂增設(shè)預(yù)應(yīng)力，提高箱梁的承載能力，改善受力狀況。

（4）在箱梁腹板豎向、斜向裂縫較寬、較多的部位粘貼鋼板，提高截面的抗剪能力。

（5）對(duì)開(kāi)裂較為嚴(yán)重的橋墩蓋梁粘貼碳纖維布，對(duì)裂縫進(jìn)行覆蓋，并控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。由于L6、R7#橋下新建鐵路的電氣化接觸網(wǎng)距主梁梁底較近，以后對(duì)梁底進(jìn)行維修處置將比較困難，對(duì)該兩聯(lián)橋梁底縱向裂縫寬度較大和保護(hù)層厚度偏薄的區(qū)域也粘貼碳纖維布。

（6）對(duì)箱梁和墩臺(tái)的混凝土病害進(jìn)行處治。

（7）對(duì)破損的支座進(jìn)行更換，切割與墩臺(tái)蓋梁擠死的支座調(diào)坡抗震構(gòu)件。

3.2 混凝土缺陷處置

對(duì)箱梁和墩臺(tái)上的混凝土裂縫，大于等于0.15 mm的裂縫采用壓力注膠法修補(bǔ)，小于0.15 mm的裂縫采用表面封閉法修補(bǔ)。

混凝土缺損部位應(yīng)鑿除松散混凝土，然后用聚合物水泥砂漿（混凝土）或改性環(huán)氧砂漿（混凝土）填充補(bǔ)平。

混凝土露筋部位應(yīng)鑿除松散混凝土，并清除鋼筋銹跡，噴涂阻銹劑，然后用聚合物水泥砂漿（混凝土）或改性環(huán)氧砂漿（混凝土）填充補(bǔ)平。

3.3 主線橋箱梁體外預(yù)應(yīng)力加固

鑒于原橋箱梁頂、底板出現(xiàn)多條橫向裂縫，為提高原橋的預(yù)應(yīng)力水平，減小箱梁內(nèi)力，提高其承載能力，在箱梁內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力，方法是在箱內(nèi)靠近腹板位置布置體外預(yù)應(yīng)力鋼筋，在跨中范圍靠近底板布置，在中支點(diǎn)附近彎起，在箱梁中支點(diǎn)橫隔板上部鉆孔，預(yù)應(yīng)力筋穿過(guò)橫隔板進(jìn)入下一跨箱梁，依次通過(guò)各梁跨，一聯(lián)內(nèi)連續(xù)布置，直至本聯(lián)箱梁端部進(jìn)行錨固。每束鋼束的鋼絞線根數(shù)為7根、9根或12根，每個(gè)箱室內(nèi)布置2束。在各聯(lián)箱梁內(nèi)靠近梁端位置布置鋼筋混凝土錨固塊，用以錨固新設(shè)的體外預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束采用兩端或單端張拉。鋼束自梁底向梁頂豎彎位置設(shè)置鋼筋混凝土轉(zhuǎn)向塊，自梁頂向梁底豎彎位置設(shè)置鋼轉(zhuǎn)向塊，并在其中布置轉(zhuǎn)向鋼管。鋼束遇跨間橫隔板開(kāi)孔通過(guò)，鋼束張拉后在鉆孔內(nèi)填充橡膠隔振材料，并在較長(zhǎng)自由鋼束中間位置設(shè)混凝土定位塊，對(duì)鋼束起定位、隔振作用。

主線梁箱梁箱內(nèi)連續(xù)體外預(yù)應(yīng)力筋維修加固范圍為除了2007年已進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固的L5#橋兩個(gè)邊跨之外的其余左、右幅各跨，包括左幅橋（R1~R7#橋）31跨，右幅橋（L1#~L6#橋）31跨，共62跨。

3.4 箱梁粘貼抗剪補(bǔ)強(qiáng)鋼板加固

根據(jù)箱梁腹板開(kāi)裂情況，在主線橋箱梁外腹板內(nèi)側(cè)和內(nèi)腹板兩側(cè)、A匝道橋箱梁腹板外側(cè)粘貼豎向抗剪鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以提高截面的抗剪能力，控制腹板裂縫的開(kāi)展。主線橋共在31跨箱梁腹板上粘貼抗剪補(bǔ)強(qiáng)鋼板，A匝道橋共在22跨箱梁腹板上粘貼抗剪補(bǔ)強(qiáng)鋼板。

3.5 箱梁、橋墩蓋梁粘貼碳纖維布

L6、R7#橋下的鐵路建成后，其電氣化接觸網(wǎng)距主梁梁底較近，以后對(duì)梁底進(jìn)行維修處置將比較困難。因此，此次對(duì)該兩聯(lián)橋維修施工時(shí)，在箱梁底板縱向裂縫寬度大于0.2 mm和保護(hù)層厚度偏薄的區(qū)域混凝土表面粘貼碳纖維布，控制裂縫的開(kāi)展，阻止鋼筋銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，具體范圍包括L6、R7#橋的第1、2跨箱梁底板。

部分橋墩蓋梁在定期檢查中發(fā)現(xiàn)多條裂縫，且裂縫寬度在0.2 mm以上。在對(duì)裂縫進(jìn)行處置后，對(duì)蓋梁表面采用粘貼碳纖維布，對(duì)裂縫進(jìn)行覆蓋，并控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

3.6 重做橋面鋪裝

為改善本次維修加固后的行車條件且更好地發(fā)揮加固改造效果，減輕梁體加固時(shí)的有效荷載，在對(duì)主體結(jié)構(gòu)加固之前，將主線橋原混凝土調(diào)平層和瀝青混凝土鋪裝鑿除。待梁體維修加固完成后，在頂板上植筋，設(shè)置鋼筋網(wǎng)，采用C45鋼纖維混凝土基層＋瀝青混凝土面層重新進(jìn)行橋面鋪裝，改善橋面鋪裝和梁體的共同受力，增加箱梁的承載能力，提高橋面鋪裝的使用性和耐久性，增加橋上行車的舒適性。

主線橋原設(shè)計(jì)橋面鋪裝為8 cm防水混凝土基層＋7 cm瀝青混凝土面層，總厚度15 cm。由于武宿立交橋面已多次維修、加鋪，實(shí)際鋪裝厚度比設(shè)計(jì)厚度要大，鑿開(kāi)實(shí)測(cè)主線橋橋面鋪裝約為19 cm。為保證維修后橋面與武宿立交樞紐其他部分連接平順，并維持原白＋黑橋面結(jié)構(gòu)，基層采用水泥混凝土，面層采用瀝青混凝土，便于施工找平和設(shè)置防水層。在本次設(shè)計(jì)中，主線橋橋面鋪裝總厚度均采用目前的實(shí)際厚度，分別為19 cm和16 cm，主線橋橋面鋪裝構(gòu)造為11 cmC45鋼纖維混凝土防水混凝土基層＋防水層＋8 cm瀝青混凝土面層。

3.7 支座更換與維修

根據(jù)2009年定期檢查報(bào)告，主線橋共計(jì)70個(gè)支座調(diào)坡抗震構(gòu)件與墩帽擠死影響箱梁的自由伸縮，需予以切割分離。

3.8 混凝土表面涂裝

在對(duì)箱梁病害進(jìn)行處置后，采用粘結(jié)力強(qiáng)、具有較好耐候、耐水、耐酸堿性能及良好施工性能的混凝土表面專用涂料對(duì)箱梁外露部位進(jìn)行涂裝，對(duì)箱梁表面起到長(zhǎng)期的保護(hù)作用，并同時(shí)達(dá)到裝飾美化效果。

4 其他

（1）為保證維修效果，并重新對(duì)橋面進(jìn)行鋪裝，在橋梁維修施工期間封閉交通。

（2）施工前，應(yīng)對(duì)照實(shí)橋和施工圖認(rèn)真測(cè)量放樣，同時(shí)對(duì)病害進(jìn)行復(fù)核。

（3）維修施工應(yīng)采用本設(shè)計(jì)配合本橋原設(shè)計(jì)圖實(shí)施，如發(fā)現(xiàn)實(shí)際構(gòu)造與原設(shè)計(jì)存在較大出入，應(yīng)及時(shí)通知業(yè)主和設(shè)計(jì)單位。

（4）若維修施工期間發(fā)現(xiàn)新的病害，應(yīng)及時(shí)通知業(yè)主和維修設(shè)計(jì)單位。

（5）本說(shuō)明未盡事宜，應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行施工。

（6）因橋梁病害情況復(fù)雜，在施工階段需根據(jù)實(shí)際情況加強(qiáng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，對(duì)病害進(jìn)行根本性處治。

（7）雖然在加固設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了活載超載，但從延長(zhǎng)橋梁使用壽命、提高結(jié)構(gòu)耐久性、確保運(yùn)營(yíng)安全等方面考慮，在未來(lái)的公路運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)超載、超限車輛的管理力度，禁止超標(biāo)車輛過(guò)橋，減小對(duì)橋梁的破壞。