九江长江大桥公路桥正桥病害现状及原因分析
2017-09-18
1工程概况
九江长江大桥位于江西、湖北、安徽三省交界,座落在江西省九江市和湖北省黄梅小池口的长江上,是两千多公里的京九铁路大干线上跨越长江的一座现代化的特大公铁两用桥梁。大桥全长13941m,其中铁路桥全长7675m,公路桥全长4460m,正桥钢梁1806m,上层为公路,下层为铁路,铁路为双线,公路设双向四车道和两侧人行道。九江长江大桥1973年12月26日正式动工修建,1992年5月全桥钢梁合拢, 1992年底公路桥工程完成, 1993年1月公路桥建成通车,1994年铺通双股无缝线路, 同年10月1日开通铁路,通过工程列车,1996年9月1日正式开通运营。
大桥正桥总体布置见图1所示,横断面布置如图2所示。
九江长江大桥自建成通车以来已有十多年历史,在此段时间内,我国的公路和铁路交通运输业得到了空前的发展,运输量成几何级数增加,大桥为此做出了很大的贡献。但与此同时,大桥也承受了超负荷的作用,遭受了自然的侵蚀、车辆对桥面结构的撞击、船舶对桥墩的撞击,发生了桥枕失效、公路横梁加劲肋下腹板产生裂纹、正桥公路桥桥面破损、混凝土行车道板与纵梁脱空、混凝土行车道板底面崩裂破损、公路桥伸缩缝损坏、部分吊杆TMD减振器失效等多种病害,有的病害还相当严重,在全桥各处普遍都有发生。
2 病害现状
2007年,相关部门对九江长江大桥公路桥进行全面检测和评估,认为大桥整体结构目前状态良好,但因超载车辆的作用,部分行车道板、桥面铺装、伸缩缝等构件损伤较为严重,急需进行维修加固。大桥公路正桥病害主要表现在以下几个方面。
2.1钢横梁
公路正桥钢横梁的主要病害为在公路钢纵梁支承处加劲板下端位置的腹板出现了一些裂缝,裂缝区域如图3所示,全桥共发现该种横梁加劲板下端腹板裂缝的病害151处。
根据检测报告对全桥主桁内钢横梁出现腹板裂缝的病害进行统计发现:小型伸缩缝位置处的钢横梁出现病害占绝大多数,全桥共有48片横梁出现腹板裂缝,其中44片横梁位于小型伸缩缝位置;全桥共有151处加劲板区域的横梁腹板出现裂缝,其中146处位于小型伸缩缝位置处的钢横梁。
2.2行车道板与纵梁间垫层
公路正桥混凝土行车道板与公路纵梁之间有一混凝土垫层,公路正桥混凝土行车道板搁置在该垫层之上,并通过预埋在混凝土行车道板中的螺栓,将混凝土行车道板与公路纵梁连在一起。
混凝土行车道板与公路纵梁之间的垫层为素混凝土结构,该垫层的宽度与公路纵梁上翼板一致,设计厚度分2.3cm、3.9cm和4.0cm三种。混凝土行车道板与公路纵梁支承部位病害表现为:混凝土垫层松动、破碎、脱落,继而导致混凝土行车道板与公路纵梁之间的连接螺栓松动、局部脱空,行车道板局部横向开裂。普查时发现车辆驶过局部脱空处时,行车道板局部下挠、跳动。
就病害程度而言,绝大部分垫层病害都是处于“一般”程度,即是局部垫层开裂、松动和破裂,“一般”病害占所有垫层病害的85%。另外,行车道板支承垫层病害主要出现在主桁内侧的钢纵梁处。
2.3行车道板及湿接缝
公路正桥行车道板在纵梁支撑处(单向板负弯矩处)普遍存在渗水(下雨时)现象,在三大拱的第7、8、9孔和连续梁的第10、11孔的2#、3#和4#纵梁支撑处较为严重。因行车道板支撑处渗水,导致公路钢纵梁上翼板顶面严重锈蚀,顶面露出部分已完全看不到油漆涂装的痕迹,有的部位显露出纵梁上翼板顶面钢板层状锈蚀,上翼板侧面有层状剥落,纵梁下翼板有明显的因行车道板顶面开裂渗水流下的锈迹和污迹,下翼板和腹板的油漆涂装受到严重损害。车道板支承处渗水病害主要出现在主桁内侧的钢纵梁处
行车道板下表面存在混凝土崩裂、剥落,剥落处横向受力钢筋裸露,有的横向受力钢筋存在明显弯折和变形。另外,正桥各孔行车道板底部混凝土保护层普遍偏薄,在一些行车道板底面位置,出现露筋和钢筋锈蚀。行车道板底表面存在横桥向裂缝。横向裂缝一般都位于行车道板梗腋处或靠近梗腋处,裂缝宽度都较细,一般在0.2mm以下。行车道板底面都有大量的网状裂缝,这些网状裂缝在性质上属于收缩裂缝,网状裂缝分布和长短较为随机,在行车道板底面各处都有发生,网状裂缝的宽度一般都在0.2mm以下。检测发现:混凝土剥落、露筋、裂缝等病害基本分布在1#和5#公路纵梁两侧的行车道板下表面。
同时,行车道板纵向湿接缝和横向湿接缝普遍存在空洞、坑洼、错台、开裂、露筋等病害,以及有渗水流过遗留的锈迹,部分湿接缝部位还存在钢筋外露、弯折变形等。在载重车驶过时,纵向湿接缝开裂处下挠量较大,有较明显的折角现象和外露钢筋塑性弯折变形现象。
2.4桥面铺装及泄水系统
公路正桥桥面桥面铺装结构层为:三大拱外侧为4cm中粒式沥青混凝土+3cm细粒式沥青混凝土;其余均为5cm粗粒式沥青混凝土+4cm中粒式沥青混凝土+3cm细粒式沥青混凝土,如图4所示。
桥面铺装层的病害表现为:高低差、变形、磨损、破裂和裂缝。正桥各孔都有大面积龟裂、纵横向裂缝、车辙、桥面下陷以及防水层漏水等病害。泄水系统主要病害为泄水孔局部堵塞和泄水管锈蚀,桥面积水现象严重。
2.5伸缩缝
公路正桥伸缩缝分为两种,其一为各联之间的梳形铸钢伸缩缝,一共有5条。其二为各桥孔中的公路桥面系之间的RG-80型钢伸缩缝,一共有49条(其中正桥47条,正桥与引桥连接区域的梳型伸缩缝外侧各1条)。
各种伸缩缝装置一般具有的缺陷往往表现在伸缩缝本身的破坏损伤、锚固件损坏、橡胶件剥离及损坏、接头周围部位后铺筑料的剥落、凹凸不平等。
2.6人行道等附属设施
公路正桥其它病害主要包括人行道、交通信号、标志、标线、照明设施等。人行道构件包括人行道板、栏杆、栏杆基座、护栏等,其中人行道板和栏杆基座为混凝土结构,栏杆和护栏为钢结构,公路正桥人行道构件的状况直接与行人的安全和适用性相关。检查发现,没有构件发生断裂和缺件,整体结构保存完好,能够发挥正常的功能,钢结构表面油漆和混凝土保护层状态良好,没有因质量和风化而剥落的现象。公路正桥人行道构件的主要病害为个别地方有破损或露筋的现象,一些配电设施安全性较差。
2.7病害综述
九江长江大桥公路桥的主要病害为:
(1)钢横梁在纵梁支承位置处加劲板下端的横梁腹板局部区域有横桥向裂缝。
(2)行车道板与公路纵梁间的水泥砂浆垫层破损。
(3)行车道板在纵梁位置的支承处存在渗水现象。
(4)行车道板下表面存在混凝土崩裂、破损、露筋、横向裂缝和网状裂缝。
(5)行车道板的施工接缝存在错台、开裂、破损、露筋。
(6)部分行车道板有下挠现象。
(7)纵梁垫块支座存在锈蚀,滑动支座丧失滑动能力。
(8)桥面铺装层存在破损、开裂、不平整、积水等。
(9)伸缩缝存在钢构件锈蚀、断裂、破损,螺栓缺失,橡胶老化等。
3病害原因分析
3.1个别分析
(1)公路正桥横梁加劲板下端的横梁腹板裂缝
该病害主要分布在RG-80型伸缩缝处的横梁,是由于车辆超重、伸缩缝处的跳车、支承偏载、应力集中和钢构件疲劳等原因造成的。
(2)公路正桥行车道板与公路纵梁间的垫层
该病害在全桥分布比较广泛,比较严重的主要集中于行车道位置处的纵梁,主要原因是车辆超重、路面不平整致使车辆冲击力增大和垫层本身施工质量等。
(3)公路正桥行车道板间的施工湿接缝
行车道板间的施工湿接缝主要存在混凝土块破损、崩裂、露筋、渗水等病害,产生该类病害的主要原因是车辆超载、模板偏移和施工质量欠缺等。
(4)公路正桥行车道板
行车道板在公路纵梁位置的支承处有渗水现象,主要集中于主桁内侧的纵梁位置;行车道板的下表面普遍存在网状、横向裂缝和局部混凝土崩裂、露筋等病害,该类病害在全桥分布比较广泛,特别是纵桥向施工接缝两侧的区域。主要病害原因是施工接缝由于施工质量致使行车道板的连接区较弱,导致行车道板在车辆荷载作用下的受力与设计不符,另外车辆超重、桥面渗水也是关键的因素。
(5)公路正桥公路纵梁支座
纵梁支座主要存在锈蚀,滑动支座丧失滑动能力。主要是由于桥面板渗水和缺少养护造成的。
(6)桥面铺装
公路正桥部分的桥面铺装普遍存在损伤,如开裂、不平整、积水等。主要原因是由于过桥车辆流量大、载重车过多及车辆超重等。
(7)伸缩缝
伸缩缝的病害比较严重,如钢构件锈蚀、断裂、螺栓缺失、橡胶老化等。主要是由于车辆的超重引起。
3.2概括分析
(1)车辆超载
九江长江大桥公路桥原设计标准为汽-20级,即一个车队中只能有一辆车载重可达30T,其它均等于或小于20T,而当前桥跨实际承受的公路活载远远超出该标准。例如从大桥收费管理中心的过桥车辆称重数据看,24小时的过桥车辆中有60%的车辆超过30T,而且绝大部分车辆的重量都在20T～50T,每日都有重量超过80T的车辆通过。根据车辆超重对桥跨构件(公路钢横梁、行车道板等)的影响分析,超载导致了公路钢横梁在加劲板下端横梁腹板区域开裂、行车道板上缘拉应力超限、垫层局部压应力过大等。
(2)疲劳效应
主要是指公路横梁的裂缝,由于端横梁存在车辆偏载效应,端横梁在设计汽车活载的偏载下并不会产生拉应力,但在重型车辆作用下,会出现拉应力超标,特别是端横梁一直承受着因车辆产生的反复反向疲劳荷载作用使得横梁局部区域腹板裂缝扩展。
(3)新老规范的差异
该桥设计和建设开始时间较早,于1973年动工。老规范对于混凝土保护层的厚度规定偏低,导致了部分行车道板出现混凝土崩裂、露筋和锈蚀。
(4)施工质量
此处的施工质量主要是指行车道板间现场浇注的混凝土施工接缝问题。由于行车道板施工接缝是在现场立模浇注混凝土,限于当时的模板和施工技术,施工接缝普遍存在错台、开裂、渗水等,导致行车道板的整体连接性能下降和整体受力性能降低,甚至改变了行车道板的受力模式和内力分布模式。
(5)病害的循环作用
由于上述几个因素造成了公路横梁腹板开裂、垫层破损、铺装层破损、行车道板损伤、伸缩缝损坏等,从而导致公路桥面的整体受力性能降低、局部开裂渗水,造成钢筋和部分钢构件的锈蚀,这些反过来又影响到路面车辆的行驶,使得车辆的冲击效应增加,形成恶性循环。
特别说明的是,车辆超载、超限是公路正桥出现病害的最主要原因。一次特殊超重车辆即可引发公路横梁腹板开裂、垫层压碎、行车道板开裂,结构一旦损伤即不可恢复。结构开裂处会发生应力重分布,导致局部应力大和应力集中,引发新的裂缝出现,经常性的超载又导致病害的不断出现。
4总结
通过对九江长江大桥公路桥正桥检测、病害统计及其原因分析,有助于全面掌握大桥运营多年后的实际状态,可以对其安全性、适用性和耐久性进行评估,并及时做出养护维修等决策,使大桥继续安全可靠的发挥作用。
参考文献:
[1]中华人民共和国交通部.公路工程技术标准(中华人民共和国行业标准,JTG B01-2003)[S].北京:人民交通出版社,2004.
[2]日本混凝土工程协会.混凝土工程裂缝调查及补强加固技术规程[S].北京:地震出版社,1992.
[3]中华人民共和国铁道部.铁路钢桥保护涂装(中华人民共和国铁道行业标准,TB/T 1527-2004)[S].
[4] 《九江长江大桥公路和铁路正桥检测报告》(2007年第(024)号)[R].中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司,2007年5月.
