预应力混凝土桥梁下部结构病害及加固方法

张　坤１ꎬ芦白茹２ꎬ吕雪瑞１ꎬ杨战社１ꎬ雷志君１

(１.西安石油大学基建处ꎬ陕西　西安　７１００６３ꎻ２.西安欧亚学院人居与环境学院ꎬ陕西　西安　７１００６１)

摘　要:预应力混凝土旧桥维修加固已引起学者的广泛关注ꎬ本研究详述预应力混凝土桥梁常见病害及机理ꎬ针对桥梁下部结构不同部位提出加固方法ꎬ为类似旧桥加固提供指导及建议ꎮ

台因推力产生向台后滑动或倾斜ꎬ可根据现场地形及地质情况ꎬ加厚两侧墙ꎬ所加厚部分要与原台身牢固结合ꎬ但同时也增加自重ꎻ或在两侧墙后端增设钢筋混凝土挡板ꎬ以增大侧墙与土体的接触面ꎬ提高土抗力ꎮ如果跨径不大ꎬ桥下空间关键词:预应力ꎻ桥梁ꎻ下部结构ꎻ病害ꎻ加固技术中图分类号:ＴＵ３６１

文献标志码:Ａ

文章编号:１６７２－４０１１(２０１９)０１－０１５３－０３

０　ＤＯＩ:前１０􀆰　３９６９言

/ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１６７２－４０１１􀆰２０１９􀆰０１􀆰０８０

近年来ꎬ随着国内外交通事业的迅猛发展ꎬ运输量的大幅度提高ꎬ车辆载重量的日益增加ꎮ长期在自然环境(大气腐蚀、温度、湿度变化等)和使用环境(荷载作用频率的增加、材料与结构的疲劳等)的作用下ꎬ许多桥梁已渐渐不能适应现代交通的要求ꎬ直接威胁着人民生命财产的安全[１－４]

此ꎬ对桥梁结构的维修、加固和修复等方面的研究已经引起ꎮ因

了广泛的关注[５

－６]

个方面ꎬ本研究对桥梁下部结构病害进行研究分析ꎮ桥梁下部结构包括桥台、桥墩ꎬ、提出适基础三

合旧桥加固关键技术ꎬ为类似旧桥加固提供指导性建议ꎮ

１　桥　台

１.１　重力式桥台

重力式桥台一般指圬工砌体或片石混凝土的Ｕ形桥台或埋置式桥台等ꎬ由于体积较大ꎬ一般较少采用钢筋混凝土ꎮ台身的作用是既能把上部结构的恒活载传至地基ꎬ又要能挡１住台后路堤填土.１.１　常见病害ꎮ

桥台的前墙向桥孔前倾ꎬ两侧与侧墙连接处出现由上至下的竖向裂缝ꎬ也有可能两侧墙向外倾斜ꎬ特别是高桥台较易出现这种病害ꎮ主要原因是台内土压力过大ꎮ台帽下的前墙上产生斜裂缝ꎬ主要是活动支座失灵或支座下的台帽中未设置扩散应力的钢筋网ꎬ砌筑质量差ꎬ或台帽受到过大冲击力所致ꎮ台身前墙出现竖向裂缝ꎬ大致在中部ꎬ由上至下的开裂ꎬ一般是横向两端的下沉量比中间大ꎬ由下至上的开裂则相反ꎮ台身出现大面积网裂、风化、剥落、缺损ꎬ一般１为材料强度不高.１.２　可选加固方法

、砌筑质量不好造成的ꎮ

对台身前墙前倾ꎬ视倾斜程度及发展情况ꎬ可采用全部或部分填料ꎬ最好是在破坏棱体范围内挖出台后填料ꎬ更换为砂砾石、碎石或干砌、浆砌片石等侧压力较小的材料ꎬ或者增加或加长搭板ꎻ或者加厚前墙ꎬ或者在台后增加桥孔ꎮ拱桥在换填料时ꎬ应采取措施保持拱推力对桥台的平衡ꎬ如在桥孔设临时拉杆或台后设临时支撑承受水平力ꎮ对拱桥桥

收稿日期:２０１８－０７－０９

作者简介:张坤(１９８６－)ꎬ男ꎬ陕西西安人ꎬ博士ꎬ工程师ꎬ主要研究方向:混凝土结构、生土结构基本理论及其应用ꎮ

又许可时ꎬ可在墩台之间设置钢拉杆ꎬ承受部分水平推力ꎬ限制或阻止水平位移ꎮ对于多孔拱桥ꎬ应注意各孔之间的推力平衡ꎮ如果台后不能开挖而台前有条件ꎬ可在台前增设支撑墙、支撑肋、支撑杆等ꎬ有条件时可改成埋置式桥台ꎬ还可在台身上设置一至多道钢筋混凝土水平Ｕ形箍ꎬ锚固在台身上ꎮ

台帽下的裂缝可采用高强度等级水泥浆或砂浆灌注封闭ꎬ如果是支座引起的要先更换支座ꎮ对台身前墙竖向裂缝ꎬ如是基础横向不均匀沉降引起ꎬ且沉降尚未终止ꎬ应先加固地基ꎬ再用水泥浆或砂浆灌缝封闭后ꎬ采用钢筋混凝土围带、钢箍或增大前墙厚度等方法加固ꎮ对台身大面积开裂、破损、风化、剥落的ꎬ可采用外包钢筋混凝土套箍加固ꎮ１.２　轻型桥台

轻型桥台的形式很多ꎬ如各种埋置式桥台、薄壁桥台、Ｕ形桥台、背撑式桥台、箱型桥台等ꎬ一般采用钢筋混凝土浇筑ꎬ其重量轻、刚度小ꎬ有一定的弹性变形ꎮ桥台大致分为柱、墙、梁、板、框架等钢筋混凝土构件ꎬ各种钢筋混凝土构件所具有的病害ꎬ它们也可能有ꎬ加固方法大致相同ꎮ１.２.１　常见病害

柱式桥台的台帽或盖梁向桥孔前倾ꎬ台背处的伸缩缝被顶紧ꎬ或支座严重歪斜ꎮ柱式桥台虽然一般采用埋置式ꎬ即有前锥坡ꎬ但如果台高、柱又少的话ꎬ台后土压力仍会将桥台推斜ꎮ如果没有前锥坡ꎬ台帽下的挡土墙可能前倾或开裂ꎬ台柱出现水平裂缝ꎬ严重时挡墙还会局部坍塌ꎮ桥台盖梁出现竖向裂缝ꎬ这要根据裂缝发展的方向、上部结构的受力情况、盖梁跨度或悬臂长度、基础是否有不均匀沉降等因素ꎬ判断裂缝是由于受力引起的还是基础下沉引起的ꎮ柱式桥台如果设有两侧墙挡土ꎬ作为独立的挡土墙ꎬ也会出现因土压力过大引起外倾、开裂等现象ꎮ

１.２.２　可选加固方法

对于桥台向桥孔前倾的情况ꎬ可类似于加固重力式Ｕ形台前墙前倾那样ꎬ更换台后破坏棱体长度内的填料为砂砾石、碎石或干砌、浆砌片石ꎮ有前锥坡的桥台应挖到前锥坡顶面偏下附近ꎬ没有前锥坡的应挖到台底面处ꎮ还可增设或加长搭板ꎮ当路堤高而坡度大时ꎬ可考虑改路堤为桥孔ꎬ或者在台后增设一挡土墙ꎬ高度视有无前锥坡而定ꎬ或者在台前加斜支撑梁、支撑肋等ꎮ针对桥台盖梁出现的竖向开裂ꎬ如果是基础不均匀沉降引起的ꎬ应先加固地基ꎮ盖梁的加固采用粘贴钢板或纤维复合材料、体外预应力、增大截面高度、中间加柱等方式加固ꎮ针对柱式桥台挡土墙的倾斜、开裂等ꎬ应视病害程度ꎬ可类似于重力式Ｕ形台身的加固ꎬ但由于各挡墙相对独立ꎬ可考虑重建ꎮ

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２　桥　墩

２.１　重力式桥墩

重力式桥墩体积大、自重大、抗推刚度也大ꎬ一般采用圬工砌体或片石混凝土ꎮ由于材料价廉ꎬ地基好时常用ꎮ２.１.１　常见病害

墩身竖向裂缝ꎬ一般是基础横向不均匀沉降引起ꎬ若裂缝由下而上ꎬ说明基础中部的沉降大于两端ꎻ若裂缝由上而下ꎬ说明基础两端的沉降大于中部ꎮ墩身水平裂缝ꎬ对梁式桥ꎬ一般是砌筑质量或混凝土浇筑质量不良引起ꎮ对于拱式桥ꎬ也有可能是相邻两跨的水平力相差过大引起ꎮ若墩身出现网裂ꎬ主要是砌缝砂浆不饱满或砂浆强度降低引起ꎬ也可２.２.２　可选加固方法

对盖梁或墩帽出现的各种竖向裂缝和斜裂缝ꎬ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ꎻ对悬臂或跨度过长的盖梁或墩帽ꎬ还可考虑在盖梁或墩帽下加柱等加固ꎻ对不等高盖梁角隅局部应力裂缝ꎬ可采用灌环氧胶封闭后ꎬ两侧粘贴块形钢板ꎬ严重开裂时ꎬ应钻孔后穿入锚杆锚固ꎮ对于墩柱歪斜ꎬ如果是地基引起的ꎬ应首先加固地基ꎬ而后无论何种原因引起的歪斜ꎬ都可采用增大墩柱截面修正ꎬ增加新的墩柱、增加斜撑ꎬ替换等方式加固ꎮ对墩柱出现的水平裂缝、竖直裂缝及网裂等ꎬ如果水平开裂是由于弯曲受扭过大引起的ꎬ首先要尽量削减恒活载扭矩ꎬ如改变支座设置、释放墩梁固结为横能是日照温差应力或水位频繁涨落引起ꎮ墩帽中部出现纵向裂缝ꎬ或支座四周出现放射形裂缝主要是墩帽尺寸不够ꎬ特别是厚度或边缘宽度不足ꎬ或墩帽水平钢筋网配置不足ꎬ混凝土强度降低ꎬ在局部压应力大时引起开裂ꎮ２.１.２　可选加固方法

对墩身竖向开裂ꎬ如果是基础横向不均匀沉降引起ꎬ沉降未停止ꎬ应先加固地基ꎬ再用水泥浆或砂浆灌缝封闭后ꎬ采用封闭型钢筋混凝土围带ꎬ或型钢箍ꎬ或外包钢筋混凝土加大墩身截面加固ꎮ对墩身水平裂缝ꎬ如果开裂不严重并已基本稳定ꎬ可灌注高强度水泥浆封闭ꎻ如果开裂严重或仍在发展的ꎬ除了灌浆封闭外ꎬ还应外包钢筋混凝土ꎮ对大面积网裂也是如此ꎮ墩帽出现的裂缝ꎬ视缝宽的大小ꎬ采用环氧胶或环氧砂浆灌缝ꎬ如果开裂严重ꎬ则需要墩帽加封闭形钢筋混凝土围带或钢箍ꎮ２.２　轻型桥墩

轻型桥墩的形式很多ꎬ特别是城市立交桥的桥墩花样更多ꎬ如薄壁墩、柱式墩、Ｔ形墩、Ｖ形墩、柔性排架墩、空心墩等ꎮ墩身一般采用钢筋混凝土ꎬ如果桥较宽ꎬ墩帽或盖梁常采用预应力混凝土ꎮ轻型墩刚度小ꎬ可有一定的弹性变形ꎮ桥墩可大致分为柱、梁、墙、斜撑等钢筋混凝土构件ꎬ柱、梁、墙、斜撑为偏心受压构件ꎬ一般作为墩身ꎬ墩帽或盖梁可作为简支梁、悬臂梁或连续梁ꎮ２.２.１　常见病害

桥墩盖梁的跨中出现由上而下的竖向裂缝ꎬ一般为基础横向不均匀下沉引起ꎮ如果盖梁的受拉区出现竖向开裂ꎬ说明盖梁抗弯能力不足ꎻ如果墩柱附近出现斜裂缝ꎬ则说明抗剪能力不足ꎮ盖梁一般较宽ꎬ很少会出现斜裂缝ꎬ但如果盖梁承受剪力较大ꎬ斜筋配置不足时也可能出现ꎮ不等高盖梁或墩帽的内角隅处出现竖向裂缝ꎬ严重时部分混凝土剥落露筋ꎬ主要是盖梁水平配筋不足ꎬ截面尺寸不合理ꎬ由局部应力所致ꎮ墩柱歪斜ꎬ一般是基础发生了水平位移ꎬ如基础受单侧软基挤压ꎬ相邻两跨上部结构的水平力严重不平衡ꎬ车、船撞击等原因造成的ꎮ墩身出现水平裂缝ꎬ一般是墩身承受较大弯矩所致ꎬ如相邻两孔上部结构水平力严重不平衡ꎬ特别是独柱固结墩在荷载偏心或上部结构为弯桥受扭时ꎬ传给墩柱的横向弯矩过大引起ꎮＴ形墩的墩帽中部上方出现竖向裂缝ꎬ或墩帽出现斜裂缝ꎬ主要是墩帽悬臂过长ꎬ或预应力施加不足ꎬ造成抗弯、抗剪能力不够所致ꎮ墩身出现竖向裂缝并伴有沿缝破碎现象ꎬ一般是主钢筋生锈所致ꎮ如果墩身出现网裂、脱皮等ꎬ是日照温差应力或水位频繁涨落及腐蚀引起ꎮ

􀅰１５４􀅰

向可活动的支座ꎬ在上部结构的腹板侧面纵向张拉体外预应力ꎬ改独柱墩为两柱或三柱墩等ꎮ墩柱本身的加固可采用外包钢筋混凝土套箍ꎬ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ꎮ

３　基　础

３.１　扩大基础

扩大基础是在地质情况较好或地基满足承载力及位移要求时采用的浅基础ꎬ施工最方便ꎬ造价最低ꎬ被较多应用于墩、台基础ꎮ可直接放在天然地基上ꎬ或岩石上ꎬ也可经换填土或加固地基后置于人工地基上ꎬ关键是可利用的地基要浅ꎬ适合开挖ꎮ基础的病害是墩台及上部结构有些病害的３病根.１.１　ꎮ

常见病害

基础产生滑动、倾斜或沉降过大ꎬ主要原因是地基不稳定、摩擦力小、承载力不够ꎬ引起不均匀沉降ꎬ或由于桥台前河床冲刷或台后填土水平压力过大ꎻ地质情况不好时ꎬ地基容易失稳ꎬ产生塑性流动ꎬ推动台身带动基础滑动和倾斜ꎻ也可能台后竖向压力过大ꎬ挤压基础一侧ꎬ导致滑动和倾斜ꎬ而往往是两者同时作用下使基础发生位移ꎮ对于拱桥桥台ꎬ可能出现拱脚推力大于台后填土水平抗力及基础摩阻力的情况ꎬ使台身及基础向路堤滑动和倾斜ꎮ基础下被水冲刷而掏空ꎬ严重时发生倾斜ꎬ或使基础受力不均ꎬ引起基础横向、竖向开裂或局部塌陷等ꎮ这主要是基础埋置深度不够ꎬ或不适３用采用浅基础.１.２　可选加固方法

ꎬ或人为在河中采砂石所致ꎮ

力过大的情况１)对桥台基础滑移和倾斜的情况ꎬ造成桥台基础向桥孔方向位移ꎬ如果是因台后土压ꎬ设法减轻台后土侧压力或增加抵抗台后土侧压力的能力ꎮ对单孔小跨径梁式桥可以像有支撑梁的轻型桥台那样ꎬ在两桥台基础之间增设钢筋混凝土支撑梁或浆砌片石支撑板ꎬ支撑顶面不应高于河床不足和变形大引起的２)对墩台基础下沉过大的情况ꎮ

ꎬ可采用扩大基础底面积加固ꎬ如果是因地基承载力

ꎬ新增大的部分应与原基础牢固结合ꎬ增大的底面积由地基承载力及变形计算来确定ꎮ新基础的开挖深度一般紧换原基础底面ꎬ那种随意将开挖深度沿基础边缘下挖很多的做法是无工程经验的理想表现ꎬ因为原基础下一定宽度及深度范围内的地基土都是应力扩散范围ꎬ将此范围的土体哪怕部分挖出ꎬ在墩台基础压力作用下ꎬ原基底土体失去约束会被挤出引起坍塌ꎬ特别是砂性土最易发生ꎬ实际工程中无人敢随意下挖ꎮ如果单靠扩大基础底面积还难于满足要求ꎬ可在新基础下增

补桩基ꎬ如打入预制桩或小直径的钻孔桩ꎮ对于桥台基础ꎬ若台前无锥坡ꎬ有容许开挖时ꎬ可在单侧扩大基础ꎮ也可在新增基础上增设墩柱、盖梁及支座ꎬ形成一个仅靠原桥台的辅助墩ꎮ采用这些措施时ꎬ应注意两个问题ꎬ一是如果采用大直径桩基ꎬ要看桥下空间及场地是否容许施工ꎬ或者上部结构能否穿孔ꎻ二是改变上部结构支撑点位置后ꎬ要看梁(板)的受力能否满足要求ꎮ对于拱桥桥台ꎬ采用上述方法时ꎬ可结合主拱圈增大截面加固ꎬ将新增加的截面支撑在新增台身及基础上ꎮ当拱桥桥台水平位移较大、拱顶下沉使拱轴线变形较大时ꎬ可采用在台后顶推的方法ꎬ或在跨径不大ꎬ桥下许可时ꎬ在两拱脚间设钢拉杆调整基础水平位移ꎮ

至承台下静压注浆ꎬ或在桩周围钻孔后采用直径２５０ｍｍ左右的树根桩或砂桩ꎮ树根桩可垂直、斜向或放射状布置ꎬ但能垂直的应尽量垂直ꎬ以提高桩周土体的密实度或新增多根微型桩ꎮ对摩擦桩最好不要采用高压旋喷桩加固ꎬ因施工期间会对土体产生较大扰动ꎬ破坏土体原有的平衡ꎬ在此期间桩侧土的摩阻力会部分丧失ꎬ可能会导致桩基新的下沉或倾斜ꎮ而对柱桩ꎬ主要是桩底受力ꎬ桩侧影响不大ꎬ但桩侧土固结后ꎬ将可大幅提高摩阻力ꎬ同时可解决露筋、缩颈等病害问题ꎬ也适合采用高压旋喷桩加固ꎮ

３)对桩基四周靠地面或地面以上部分由空洞、露筋、缩

２)对桩基下沉或倾斜ꎬ也可采用人工地基加固ꎬ可钻孔

么损害３)ꎬ在桥墩台基础沉降过大且沉降基本稳定时ꎬ可对上部结构整体或单孔顶升ꎬ但对上、下部结构没造成什

ꎬ再增加或调整垫块高度ꎬ复原支座标高ꎻ或者解除装配式简支梁的全部横向联系ꎬ将主梁逐一移位ꎬ加厚盖梁ꎬ重新安装主梁及恢复横向联系ꎬ主要适合沉降较大的中小跨径装配式简支梁地基带来较大负担４)ꎮ

大量增加桥墩台身体积ꎬ应慎重考虑ꎬ从而扩大基础的方法ꎬ验算地基能否满足要求ꎬ会给

ꎮ当基础因水深、通航等因素不宜开挖时ꎬ可采用对原地基钻斜孔静压灌浆或灌注树根桩ꎬ在尽量少扰动原地基土的同时加固地基ꎬ提高地基承载力ꎮ如果想用高压旋喷注浆或粉喷桩加固地基ꎬ由于高压旋喷对地基扰动大ꎬ且钻斜孔旋喷又施工难度大范围不大５)对基础下被冲刷掏空的情况ꎬ对扩大基础来说一般是在基础周边钻孔旋喷ꎬ可视施工水位情况ꎬ用混凝土或编织袋装干拌混ꎬ如果河床较稳定ꎬ冲刷

ꎮ

凝土填塞冲空部分ꎬ甚至做围堰后ꎬ灌注水下混凝土或采用石笼抛石护基ꎮ或在基础四周填入砂砾石ꎬ水位不高时可上铺浆砌片石封闭ꎬ水位高时可用有空隙的麻袋或塑料编织袋装入干拌水泥混凝土人工铺砌封闭ꎬ再往砂砾填层中钻孔静压注入水泥浆ꎬ使其固结后护基ꎮ如果河床不稳定ꎬ基础埋置较浅ꎬ冲刷范围较大ꎬ河床不宽时可用砂砾石回填冲刷后ꎬ３在全宽范围内用浆砌块石或混凝土预制块铺砌面层防护.２　桩基础

ꎮ

３.２.１　常见病害

桩基下沉过大在摩擦桩中较易出现ꎬ主要是桩侧摩阻力小ꎬ承载力不足引起ꎻ但往往柱桩也出现下沉过大的现象ꎬ主要是施工造成的ꎬ如清孔不符合要求ꎬ桩底未支撑在岩层中等ꎬ也有地质资料不正确的原因ꎮ桩基倾斜主要是软土地基中桩侧土体在其他因素影响下出现不平衡压力产生侧向塑性流动ꎬ向一侧推挤桩基造成ꎬ或高桩承台ꎬ受外力撞击所致ꎮ其他施工期间易发生的缺陷ꎬ如打桩时ꎬ桩身受损坏ꎻ灌注混凝土时发生局部塌孔而未作处理ꎬ桩身部分空洞露筋ꎬ３缩颈或断桩等.２.２　可选加固方法ꎮ

桩ꎬ并将扩大的承台与原承台牢固结合１)对桩基下沉、倾斜或断桩ꎬ可采用增设钻孔桩或打入

ꎮ对单排桩可考虑在原承台纵向两侧骑桩ꎬ即增加新桩ꎬ成为三排桩基础ꎮ增设新桩时ꎬ如果桥下施工空间不够ꎬ还得开凿桥面ꎬ上部结构为

空心板、箱梁时ꎬ有一定损伤和麻烦ꎮ若在原两桩之间插桩ꎬ还要凿开盖梁ꎬ而原两桩之间的上部结构都要拆除ꎬ更是麻烦ꎬ最好不用ꎮ至于加桩是在原承台的横向还是纵向加ꎬ还是纵、横向都加ꎬ要视桩基的病害情况、现场条件、费用高低、施工难度及地质条件等决定ꎮ

颈等ꎬ也可视水深情况ꎬ采用钢护筒或钢筋混凝土护套作围３堰抽水或不抽水.３　沉井基础

ꎬ浇筑混凝土ꎬ增大桩基直径加固ꎮ

３.３.１　常见病害

基础下沉过大ꎬ往往是持力层承载力较低ꎬ沉降过大引起ꎮ基础下沉不均ꎬ或桥台后高填土受地基土侧向流动压力ꎬ或由于井身一侧软土受附近开挖河道或基坑或填土等产生侧向塑性流动推压井身ꎬ引起滑移或倾斜ꎬ也有因水冲空３基底一部分引起的倾斜.３.２　用加固桩基础的方法１)沉井基础一般基底较深可选加固方法ꎮ

ꎬ如加桩和人工地基ꎬ出现上述病害可类似地采

ꎮ对于加桩ꎬ如果条件许可ꎬ可在沉井内往下钻孔ꎬ这涉及到沉井顶面空余面的大小、桥下净空高度ꎬ上部结构能否开孔等ꎬ否则只有从沉井外围加桩浅ꎬ且施工水位较低时２)如果因疏通河床ꎬ并作新承台与沉井牢固结合在一起ꎬ除上述加桩方法外、采砂、采石使得沉井基底埋置变

ꎮ

ꎬ还可采用人工地基的方法从沉井顶面钻竖孔或从四周钻斜孔静压注浆或灌注树根桩ꎮ沉井周边钻孔后ꎬ采用高压旋喷桩加固ꎮ

４　结　论

行讨论１)ꎬ本研究对预应力混凝土桥梁桥台分析病害形成的原因ꎬ病害的机理、ꎬ桥墩可为旧桥检测提、基础病害进

供依据加固方法２)ꎮ

本研究详细阐述现今混凝土预应力桥梁加固技术及

ꎬ结合桥梁病害机理分析ꎬ可为旧桥加固关键技术提选提供参考ꎮ

[ＩＤ:００７１５１]

参考文献:

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