浅谈水口施工大桥水上结构病害及维修方法

浅谈水口施工大桥水上结构病害及维修方法
朱 艳 华 卢 旻
【摘 要】本文对水口施工大桥检测情况进行介绍，并对水上部分维护加固工程病害分析、加固方案、施工要点进行论述。
【关键词】 桥梁加固 裂缝处理 碳纤维布

1 工程概况
水口电站是以发电为主，兼有航运、过木等综合效益的大型水力枢纽，主要由混凝土重力坝、坝后式厂房、一线三级船闸、一线垂直升船机、220kV开关站、500kV升压站等组成。电站装机总容量1400MW。电站坝址以上集水面积52438km2，水库总库容26.0亿m3，为不完全季调节水库。
水口电站闽江施工大桥位于闽江水口电站下濮坝址下游1750米处，跨越闽江干流。全桥长350米。上部结构：主孔2×132米空腹式等截面悬链线薄壁箱拱，边孔为2×20米钢筋砼T梁。主孔横向由6片M-400拱箱组成，拱矢度为1/8，拱轴系数m＝1.347，拱圈总宽度为10.24米,拱箱高度2.2米，边箱宽1.82米，中箱宽1.65米。桥面净宽为净10+2×1.50米人行道。拱上建筑为M-300砼立柱，上架砼盖梁及M-300空心板，边孔横桥向由七片钢筋M-300砼T梁组成，梁高1.60米，梁宽1.90米。人行道由外挑盖梁及托梁和双π型板组成，均为预制安装。下部构造：主孔墩为腰形墩身沉井基础，桥台为重力式台身扩大基础，边孔为柱式墩，井桩基础。主桥设计荷载为：计算荷载双列汽-40级，验算荷载以双列汽-40级，其中一辆换算为62.595吨重车及挂车-200级两种方式，人群荷载350公斤/平方米。桥梁设计洪水频率为三百年一遇，通航标准为三级通航。
平面布置图(单位：cm)

 

2 2008年大桥检测情况
2.1 检测项目
（1）根据施工设计图纸，对该桥现有桥面系、上部结构和墩台等目所能及的部位进行外观检查。
（2）根据结构受力特性，对桥跨结构的受力控制截面进行静载试验，测定试验荷载作用下控制断面的应变、挠度和裂缝变化情况。
（3）在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和阻尼比，以分析桥跨结构自振特性。
（4）采用载重汽车分别以20km/h和30km/h车速通过桥跨结构，测试桥跨结构在行车荷载作用下的动挠度和冲击系数。
2.2 检测结果
2.2.1 箱拱
（1）外观检查结果表明：箱拱底板、箱拱顶板、拱上立柱、立柱底梁、立柱盖梁、墩顶及台帽等部位多处出现裂缝，箱拱腹板多处出现网裂，桥面多处出现纵向开裂，多处出现横向开裂；桥面1处坑槽，伸缩缝局部被砂土堵塞。3号墩身冲刷破损比较严重，左侧裂缝存在长达6.9m的裂缝，钢筋网外露，右侧也存在2.7m长的裂缝，左侧裂缝深度较大，最深达到1m以上，且存在裂缝内部横向发展，形成中空层。该箱拱的总体技术状况评定为三类桥。此次外观检查经与2004年的检查比较：箱拱新增3处裂缝渗水、流白灰，5条纵向裂缝，最大缝宽从原来的0.4mm增大至0.6mm；拱上立柱新增6条水平向及环向裂缝，最大缝宽从原来的0.24mm增大至0.40 mm；立柱底梁新增8条纵向裂缝，最大缝宽没有变化（0.30mm）；台帽最大缝宽从原来的2.00mm增大至3.00 mm。比较表明，箱拱与立柱底梁的纵向裂缝和拱上立柱的水平向与环向裂缝有增多，部分裂缝有开展趋势。
（2）静载试验结果表明：试验荷载作用下, 箱拱拱顶截面桥面挠度的校验系数为0.60～0.65，箱拱L/4桥面挠度的校验系数为0.49，低于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定的常值范围（0.8-1.0），相对残余挠度小于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定20%；拱顶截面、L/4截面和拱脚截面的应变校验系数为0.32～0.98，低于或处于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定的常值范围（0.7-1.0），相对残余应变小于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定20%；且在试验荷载作用下未见明显裂缝开展现象。
（3）动载试验结果表明：该箱拱桥实测横向和竖向1阶自振频率分别为1.414 Hz和1.478Hz，大于理论计算值1.269 Hz和1.279Hz，表明结构的动刚度满足要求。在行车速度20km/h和30km/h无障碍行车情况下，实测得的箱拱冲击系数分别为1.19～1.27，换算成标准车列的冲击系数为1.05～1.07，稍大于《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）计算的冲击系数为1.05。
2.2.2 T梁
（1）外观检查结果表明：T梁腹板出现587条竖向裂缝（新增120条），其中42条（新增8条）缝宽超规范限值0.25mm，最大缝宽0.52mm；26条延伸至马蹄底，最大缝宽0.20mm；16条经马蹄贯穿至另一侧腹板，最大缝宽0.26mm；T梁马蹄底出现47条（新增32条）横向微裂缝；桥面多处出现纵向开裂，多处出现横向开裂；桥面1处坑槽，电站台（左岸）伸缩缝1处橡胶条缺失；伸缩缝局部被砂土堵塞。该T梁桥的总体技术状况评定为三类桥。
（2）静载试验结果表明：试验荷载作用下, T梁跨中截面梁底挠度的校验系数为0.55～0.70，实测值均小于理论计算值，处于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定的常值范围（0.5～0.9）；相对残余挠度小于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定20%；T梁跨中截面梁底应变的校验系数为0.48～0.63，实测值均小于理论计算值，处于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定的常值范围（0.4～0.8）；相对残余应变小于《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988年1月）规定20%；且在试验荷载作用下未见明显裂缝开展现象。
（3）动载试验结果表明：在行车速度20km/h和30km/h无障碍行车情况下，实测得的T梁冲击系数分别为1.17和1.14，换算成标准车列的冲击系数为1.08和1.06，在计算值1.29容许的范围。
2.3 缺陷成因分析
（1）T梁腹板竖向裂缝与长期行车荷载作用和温度应力有关；
（2）拱上立柱的水平向与环向裂缝主要由受剪或立柱偏心受压有关；
（3）台身侧墙沿砌缝开裂与台背填土不密实、雨水冲刷作用和桥台不均匀沉降有关；
（4）箱拱底板、顶板纵向开裂与拱片间受力不均衡和温度应力有关，箱拱腹板斜向裂缝与温度应力有关；
（5）墩上横墙水平向裂缝与墩不均匀沉降和温度应力有关；
（6）桥面铺装层多处裂缝、伸缩缝破损与长期荷载作用和养护不到位有关；
2.4 主要结论
水口施工大桥桥跨的箱拱和T形梁结构目前尚能满足公路I级设计荷载正常行车使用要求。但由于该桥存在一定的病害，特别是T梁主体结构（四类）和3号墩及基础（四类）具有严重的病害
3 设计
3.1箱拱处理
（1）虽然目前裂缝对结构的安全使用没有影响，但部分裂缝仍有进一步发展的可能，如果不对裂缝进行整治处理，将降低结构的刚度，不仅影响结构的质量，而且随着时间的推移，结构长期受周围环境的影响，这些裂缝的存在可能使钢筋产生锈蚀，造成梁体承载能力下降，影响结构的耐久性和正常使用，故应该对该桥裂缝进行封闭处理，并加强桥梁整体刚度，提高其承载能力。裂缝处理时视裂缝大小及发展情况，分别采取下列措施：
a.裂缝范围在容许范围内（<0.2mm），用专用的改性环氧树脂胶沿裂缝涂刷进行封闭处理。
b.当裂缝宽度大于规定值时（>0.2mm），采用压力灌注聚合物水泥砂浆进行封闭处理。
（2）对箱拱渗水流白灰处清除表面松散混凝土，用聚合物水泥砂浆进行修补；对接头钢板外露且生锈处需先除锈，再修复保护层。
3.2 T梁处理
（1）裂缝封闭
裂缝处理时视裂缝大小及发展情况，分别采取下列措施：
a.裂缝范围在容许范围内（<0.2mm），用专用的改性环氧树脂胶沿裂缝涂刷进行封闭处理。
b.当裂缝宽度大于规定值时（>0.2mm），采用压力灌注聚合物水泥砂浆进行封闭处理。
（2）在裂缝封闭的基础上再采用碳纤维布对T梁进行补强和防护。
3.3拱上立柱、立柱底梁、台身侧墙、墩上横墙处理
对裂缝缝宽小于0.2mm的裂缝进行封闭处理，对缝宽大于0.2mm的裂缝采用压力灌浆法灌注环氧树脂胶处理。
3.4桥面铺装层处理
车辆的碾压和风雨的侵蚀等都会造成桥面的开裂和破损，桥面的破损会使交通荷载的冲击力增大，使降水侵入桥梁内部，侵蚀桥梁构件。根据现有桥面铺装层的情况，应重新对全桥进行桥面铺装，翻新伸缩缝，减少行车振动对桥梁结构的冲击影响；并对国道侧桥台处桥面的排水进行改造。
3.5国道侧主桥桥台桥面排水处理
根据现场踏勘，国道侧桥台处的桥面没有安装泄水管，导致桥面排水不畅，因此为保证排水顺畅，应根据设计图纸中泄水管的安装位置拆除原人行道，待安装新泄水管后再按原规格还原人行道板。
4主要维修加固项目施工技术要点
4.1裂缝处理
裂缝按其宽度分别采用表面涂刷封闭和灌注封闭两种方法进行处理。裂缝表面涂刷封闭需先将裂缝附近混凝土表面的污物清理干净，然后用专用的环氧树脂胶沿裂缝进行涂刷，阻断水和空气进入裂缝的通道。裂缝灌注封闭采用压力灌浆法进行施工，前期准备工作与涂刷封闭相同，在灌注时对灌浆料始终保持一定的压力将修补材料能充分注入到裂缝末端，从而确保修补质量。
压力灌浆法施工细则：
（1）表面处理
a. 用钢丝刷沿裂缝走向清理宽约5cm范围的混凝土表面，使混凝土表面保持清洁；
b. 用锤子和钢钎凿除两侧疏松的混凝土块和砂粒，露出坚实的混凝土面；
c. 用略潮湿的抹布清除表面的浮尘，并彻底晾干，用丙酮清除表面的油污，如缝内潮湿，要等其充分干燥，必要时可用喷灯烘干。
（2）粘结注入座和密封裂缝
a. 调制好封口胶，搅拌均匀，用抹刀将少许胶刮在注入座底面的四边，将注入座固定在混凝土上；
b. 注入座的布置应掌握以下原则：沿缝的走向，每米约布置3个，裂缝分岔处的交叉点应设注入座，选混凝土表面平整处设置，避开剥落部位，对贯通缝，可在一侧布置注入座，另一侧完全封闭，缝宽较大且内部通畅时，可以按每米2个的密度来布置；
c. 用封口胶将裂缝密封，与注入座衔接的地方要特别注意。
（3）封口胶的固化
a. 密封完成后，让封口胶自然固化，注意固化过程中防止其接触水；
b. 固化时间：约12小时（气温20℃时）、约6小时（气温30℃时）。
（4）注胶：
将注入器内注满灌注胶，然后对准注入咀，确保与注入咀之间紧密连接后松开注入器的阀门。让胶在注入座自身产生的压力下缓缓向缝内渗透。当注入器器内残留的胶不再减少时，方可取下注入器。
4.2粘贴碳纤维布
4.2.1施工流程
放设施工线→基面处理→刷抹漆底胶→刮腻子→粘贴碳纤维布→养护→涂刷碳纤维专用漆。
4.2.2施工步骤
（1）依据设计文件进行施工范围内的放线作业。
（2）将施工区域内用角磨机对基面进行磨平处理，磨平时要见混凝土光面，并用空气压缩机将粉尘吹干净，直至用手触摸不粘灰为止。
（3）将底胶按比例配制并搅拌均匀。用短毛滚刷均匀涂抹在磨平部位，静置5—7小时，至手触摸不沾手方可进行下一道工序。底胶拌和量每次不宜过多，应做到随用随拌，不得使用失效的环氧树脂，拌和器具应干净清洁，不得使用已浸过溶剂的毛滚。
（4）待底胶干燥后，按比例拌和环氧腻子，并调和均匀，用腻子刮平工作面的坑槽，养生5—7小时。
（5）粘贴碳纤维布 ：
a. 用砂纸打磨一遍工作面，并用棉丝将粉尘擦拭干净。
b. 施放作业边界线。
c. 按比例将积层树脂进行拌和均匀后，用短毛滚均匀涂抹于工作面上。
d. 将碳纤维布按顺序依次粘贴于工作面，并用消泡滚反复滚压碳纤维布表面，使碳纤维布与工作面紧密结合，不至有气泡存在。
e. 静置30—60分钟在碳纤维表面再均匀涂一层浸渍树脂。涂抹浸渍树脂时，不得使粘贴的碳纤维布卷起。
（6）碳纤维在粘贴后，养护24小时，不宜使碳纤维布受潮、受震，也不得受荷载直接冲撞碳纤维布表面。
（7）待树脂初期硬化后，在碳纤维布表面涂刷一层碳纤维专用漆，其颜色和原来结构相同。

 

主桥T梁横断面
4.2.3施工中应注意的事项
（1）施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。
（2）在表面处理和粘贴碳纤维布前，应按加固设计部位放线定位。
（3）树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌所用的容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。
（4）粘贴前板底首先要打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出结构新面，混凝土表面应清理干净并保持干燥；钢筋露出部位须做防锈处理，如损坏程度严重，须采取其它措施，以确保安全；转角粘贴处要进行倒角处理打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。
（5）按比例准确配制好底胶并搅拌均匀，注意一次调和量在可使用时间内用完，超过时间的绝对不能使用，以确保粘接质量；底胶硬化后，在表面有凸起部分时，要用磨光机或砂纸打光。
（6）粘贴碳纤维布时要从中间向两侧进行粘贴，可避免施工时产生气泡影响加固效果。
（7）碳纤维布配套树脂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。
（8）树脂的配置和使用场所，应保持通风良好，现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施。
（9）涂刷碳纤维专用漆必须等树脂初期硬化后再施做，如表面上仍有不平，用环氧树脂砂浆作细部找平后再涂刷碳纤维专用漆。
（10）碳纤维布的施工应由熟悉施工工艺的专业施工队伍完成，并应精心组织、精心施工。
5 结语
经维护加固后的大桥极大提高了安全性能，但在今后的营运中要注意加强对桥跨结构各受力控制截面等重要部件的检查与观测，建立永久性控制检测点，定期观测桥面挠度以及桥墩沉降；严禁超限、超载车辆通行。
参考文献：
[1] 林建凡、陈朝慰等 水口水电站厂区施工大桥安全性评价及鉴定报告，2008。
[2] 福建省路翔工程设计有限公司 水口大桥上部结构维修加固设计说明，2009。

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