橋梁加固的常見方法及其機理
前言
隨著我國國民經(jīng)濟的日益發(fā)展，交通運輸量的迅速增長，道路上的行車密度以及車輛的軸重不斷加大，勢必造成公路橋梁負(fù)荷日趨加重，加之舊橋部分老化、破損或受原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的限制，已不能適應(yīng)現(xiàn)代交通運輸?shù)囊?。截止?000年，我國危橋總長已達2萬余延米。若將其拆除重建，不僅要耗費大量資金，而且工期也較長；若有計劃、有步驟的對現(xiàn)有舊橋進行加固改造，恢復(fù)、提高其承載力，不僅能滿足新時期公路交通運輸?shù)男枰?，而且可以為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟和社會效益。
1、橋梁加固的步驟與基本原則
一般來說，橋梁的加固包括現(xiàn)有橋梁的改造及病害橋梁的修復(fù)。其中，現(xiàn)有橋梁的改造一般是由于現(xiàn)在交通運輸量的增長、設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)的提高、公路路基寬度的拓寬等使一些橋梁已不能滿足當(dāng)前交通運輸?shù)囊蠖M行改造；病害橋梁的修復(fù)一般是由于橋梁材料的老化，運營養(yǎng)護的不當(dāng)?shù)仁挂恍蛄撼霈F(xiàn)了病害而進行維修。橋梁的加固與橋梁的設(shè)計一樣，除了應(yīng)滿足設(shè)計規(guī)范，符合技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、結(jié)構(gòu)安全的原則外，還必須經(jīng)過一定的程序和步驟，這就是所謂的加固概念設(shè)計。
1、橋梁結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)失效或損傷經(jīng)評估不能滿足結(jié)構(gòu)安全或正常使用要求時，必須進行加固。加固設(shè)計的內(nèi)容及范圍，應(yīng)根據(jù)評估結(jié)論和委托方提出的要求確定，可以包括整體橋梁，也可以是指定的區(qū)段或特定的構(gòu)件；
2、建立既有橋梁維修、加固、重建的經(jīng)濟分析模型，通過分析比較，選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、對現(xiàn)有交通干擾較小的方案實施，以保證改造后的橋梁能安全運營；
3、根據(jù)需要改造橋梁的評估結(jié)論及經(jīng)濟分析，當(dāng)?shù)弥F(xiàn)有橋梁可以通過加固、維修達到使用要求的結(jié)論后，再提出橋梁加固的設(shè)計方案；
4、對于大橋、特大橋，其主要承重構(gòu)件需要加固補強時，加固設(shè)計方案應(yīng)≮2個，進行方案比選和經(jīng)濟評估，選擇最佳加固方案；
5、加固設(shè)計及施工盡量不損壞原結(jié)構(gòu)，并保留具有利用價值的構(gòu)件，避免不必要的拆除或更換；
6、加固設(shè)計應(yīng)與施工方法緊密結(jié)合，并采取有效措施，保證新老結(jié)構(gòu)連接可*、協(xié)同工作；
7、加固設(shè)計應(yīng)按結(jié)構(gòu)實際損壞情況進行計算；
8、在加固施工中，應(yīng)盡可能減少對橋上和橋下的通行車輛及行人的干擾，采取必要的措施，減少對周圍環(huán)境的污染；
9、在施工過程中，若發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)或相關(guān)工程隱蔽部位的構(gòu)造有嚴(yán)重缺陷時，應(yīng)立即停止施工，會同加固方案設(shè)計者進行研究，待采取有效措施處理后，方能繼續(xù)施工；
10、加固施工中，應(yīng)采取安全監(jiān)測措施，確保人員及結(jié)構(gòu)安全。
總之，在具體的加固設(shè)計中，必需首先明確這種加固原則，才能做到“牢固可*、簡便耐用、經(jīng)濟適用”。
2、橋梁加固的方法
加固，簡單來說，就是通過一定的措施使構(gòu)件乃至整個結(jié)構(gòu)的承載能力及其使用性能得到提高，以滿足新的要求。這些措施包括直接針對整個結(jié)構(gòu)的，如體外預(yù)應(yīng)力，改變了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，使其回到原設(shè)計狀態(tài)或者更適應(yīng)新的要求；有些措施是針對截面的，即通過提高截面某一方面的承載力強度（如抗剪強度），從而改善整個結(jié)構(gòu)的承載力水平。
根據(jù)橋梁的加固原因、加固部位以及現(xiàn)有橋梁本身橋型方案的不同，應(yīng)采用不同的加固方法。目前,橋梁上部結(jié)構(gòu)常用的加固方法有：體外預(yù)應(yīng)力加固法、體系轉(zhuǎn)換加固法、增加構(gòu)件加固法、粘貼鋼板加固法、碳纖維加固法、橋面層補強加固法等；橋梁下部結(jié)構(gòu)常用的加固方法有擴大基礎(chǔ)加固法、高壓旋噴注漿加固法等?，F(xiàn)將以上加固方法一一介紹如下：
2.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)加固
2.1.1體外預(yù)應(yīng)力加固法 體外預(yù)應(yīng)力法的加固原理是在梁的下緣受拉區(qū)設(shè)置預(yù)應(yīng)力材料，通過張拉對梁體產(chǎn)生偏心預(yù)應(yīng)力，在此偏心壓力作用下，使梁體發(fā)生上拱，抵消部分自重應(yīng)力，減小了結(jié)構(gòu)變形和裂縫寬度、改善了結(jié)構(gòu)受力，能夠較大幅度的提高結(jié)構(gòu)承載力。與通常的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，力筋與原結(jié)構(gòu)只在錨固點與梁連接，類似于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。這種方法在自重增加很小的情況下可大幅度的改善和調(diào)整原結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)剛度、抗裂性。此法既適用于通行重車時的臨時加固，也可作為提高橋梁承載力的永久加固措施。
該方法主要適用情況有：當(dāng)混凝土梁中預(yù)應(yīng)力筋或普通鋼筋嚴(yán)重銹蝕及其它病害造成結(jié)構(gòu)承載力下降；需要提高橋梁的荷載等級；用于控制梁體裂縫及鋼筋疲勞應(yīng)力幅度；適用于高應(yīng)力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，尤其是大型結(jié)構(gòu)的加固等情況。
目前常用的體外預(yù)應(yīng)力的方法有下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿加固法和外部預(yù)應(yīng)力鋼絲束加固法。
301國道盤錦立交主線橋和盤錦立交WH匝道橋，采用的都是體外預(yù)應(yīng)力法進行加固，改善了橋梁的整體的使用性能，延長了橋梁的使用壽命。
2.1.2體系轉(zhuǎn)換加固法 改變結(jié)構(gòu)體系加固舊橋通常是指增設(shè)附加構(gòu)件或進行技術(shù)改造，使橋梁的受力體系和受力狀況發(fā)生改變，從而起到減小承重構(gòu)件的應(yīng)力，改善橋梁性能，達到提高承載能力的目的。這種技術(shù)具有提高結(jié)構(gòu)承載力，增大結(jié)構(gòu)剛度，減小撓度等優(yōu)點。
常使用的方法有：拱橋轉(zhuǎn)換為梁拱式拱上建筑法；梁橋轉(zhuǎn)換為梁拱組合體系法；簡支轉(zhuǎn)連續(xù)法；多跨簡支梁轉(zhuǎn)為先簡支后橋面連續(xù)體系法；增加輔助墩法等。以上加固方案形式各異，但加固實質(zhì)相同，即均是為所加固的橋梁加入新的支撐點，縮短梁的計算跨徑，從而提高結(jié)構(gòu)承載力。
福建永安市大溪大橋為20世紀(jì)70年代初修建的9孔雙曲拱橋，橋型為22.10m+25.60m+7×22.10m不等跨連續(xù)拱橋，設(shè)計荷載為汽車-13級，拖車-60，由于交通量的增加，該橋在運營期間產(chǎn)生了較大的病害，荷載等級不能滿足現(xiàn)有交通運輸?shù)囊螅?002年永安市對該橋該橋進行了檢測，檢測結(jié)果表明該橋可以通過采取加固措施，使其達到汽車-20級、掛車-100荷載等級的要求。加固方案采用了把連續(xù)拱橋轉(zhuǎn)化為梁拱式拱上建筑體系的方法。加固改造時，首先拆除側(cè)墻、護拱、拱上填料，對主拱圈進行“卸載”,使主拱和腹拱的拱背完全暴露，其次對主拱圈拱背、拱腳進行布筋，現(xiàn)澆混凝土加大其截面，然后接高腹拱墩，按梁板橋施工簡支橋面板，這樣一來既減輕了主拱圈負(fù)重，又增強了主拱圈承載能力。加固改造后，經(jīng)過幾年來的使用證明,效果非常好。類似的例子還有很多，如2003年加固的湖北鄂州涂家咀連續(xù)拱橋（L0=70m）、2005年加固的福建蔣樂積善連續(xù)拱橋（L0=30m）等等。
2.1.3 增加構(gòu)件加固法 增加構(gòu)件加固法主要是指增設(shè)縱梁提高承載能力或拓寬改建，增加橫隔板加強橫向聯(lián)系。當(dāng)墩臺地基安全性能好，并具有承載能力，上部結(jié)構(gòu)也基本完好，但其承載能力不能滿足要求，同時要求加寬橋面時，一般采用增加承載能力高和剛度大的新縱梁使新舊梁互相聯(lián)結(jié)共同受力。對于要進行拓寬改造的則還需要對墩臺進行拓寬。
常使用的方法根據(jù)增加構(gòu)件及新舊主梁聯(lián)合受力形式可分為：增設(shè)縱梁加固（不拓寬橋面）；增設(shè)邊梁加固；單邊拓寬技術(shù)改造；雙邊拓寬技術(shù)改造；增加輔助橫梁加固。
紹興斗門大橋是20世紀(jì)80年代修建的一座剛架拱橋（L0=40m）,該橋通過20余年的使用,已出現(xiàn)多處病害,特別是重車過橋時,橋梁出現(xiàn)晃動。2004年通過對該橋病害的調(diào)查和分析,發(fā)現(xiàn)橫梁太單薄（原設(shè)計為空心薄壁橫梁）是導(dǎo)致重車過橋晃動的主要原因,加固改造時在每孔主拱腿上增設(shè)8道鋼筋混凝土實心橫梁，斜桿上增設(shè)4道鋼筋混凝土實心橫梁。改造后該橋至今完好無損，重車過橋時橋梁也不再晃動，運行完全正常。
河南南陽桐柏淮河大橋采用了增設(shè)大邊肋進行加固加寬的技術(shù)方案，對上下部結(jié)構(gòu)同時加寬，提高了結(jié)構(gòu)的承載力。該橋加固完成至今，狀況良好，并且有很好的視覺效果。
2.1.4 粘貼鋼板加固法 粘貼鋼板加固是采用粘結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉邊緣或薄弱部位，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體，從而提高梁的承載能力的一種加固方法。若使用錨栓將鋼板錨固在梁體上，則又稱錨栓鋼板法，這時鋼板可適當(dāng)厚一些。鋼板固定于受拉混凝土表面可以增加混凝土結(jié)構(gòu)抗彎剛度，使結(jié)構(gòu)撓度減小，限制了裂縫的發(fā)展。并且施工時可以根據(jù)設(shè)計需要進行裁切鋼板，有效的發(fā)揮粘鋼構(gòu)件的抗彎、抗壓和抗剪的性能，受力均勻，不會在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，除此以外，該方法還具有施工簡便，快速，不影響結(jié)構(gòu)外形，加固費用低，不減小橋梁凈空以及增加荷載不多等優(yōu)點。不足之處是粘結(jié)劑的質(zhì)量及耐久性是影響加固效果的主要因素。
廣州東圃大橋是1998年建成通車的一座跨越珠江的特大橋，主航道橋型為106.6m+2x160m+106.6m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，副航道橋型為51m+3x80m+51m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，2003年發(fā)現(xiàn)主航道橋邊跨梁端腹板存在不同發(fā)展程度的斜裂紋，后來業(yè)主采用了粘貼鋼板加固技術(shù)對其進行了加固。具體措施是對修補部位的混凝土表面進行修鑿，使其平整；用丙酮或二甲苯擦洗修補部位的混凝土表面和經(jīng)過處理的鋼板表面；以除去粘接面的油脂和灰塵；在鋼板和混凝土粘接面上均勻地涂刷環(huán)氧基液粘接劑；用方木、角鋼、和固定螺栓等均勻地進行壓貼鋼板；養(yǎng)生到所要求的時間，拆除壓貼用的材料；在鋼板表面上再涂刷養(yǎng)護涂料。該橋現(xiàn)在加固工程已完成，加固效果良好。
2.1.5 碳纖維加固法 粘貼碳纖維加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)物表面，當(dāng)結(jié)構(gòu)荷載增加時，兩者共同工作，提高構(gòu)件承載力，從而達到加固補強的目的。纖維復(fù)合材料的力學(xué)特點是其應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區(qū)。由于碳纖維具有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異物理力學(xué)性能，以及施工速度快，施工工期短，粘貼質(zhì)量容易得到保證等優(yōu)點，因此是舊橋加固補強的理想材料。碳纖維加固法中粘結(jié)材料的性能是保證碳纖維與混凝土共同工作的關(guān)鍵，也是兩者傳力途徑的薄弱環(huán)節(jié)，因此粘結(jié)材料應(yīng)有足夠的剛度與強度保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞，同時應(yīng)有足夠的韌性，不會因混凝土開裂導(dǎo)致脆性粘結(jié)破壞。與其它加固方法相比，采用碳纖維加固舊橋能最小程度的改變原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，保證在設(shè)計荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力。
廣深高速公路福田互通立交橋現(xiàn)澆異形混凝土空心板梁梁底有多處裂縫，導(dǎo)致板內(nèi)鋼筋銹蝕，橋梁承載能力下降，發(fā)現(xiàn)后采用了粘貼碳纖維布的方案對其進行了加固，具體措施是處理裂縫處的混凝土表面，清除加固表面疏松部分，直至露出混凝土結(jié)構(gòu)層，并打磨平整，應(yīng)用強力吹風(fēng)器或丙酮將表面粉塵徹底清除，使之干燥、干凈；然后嚴(yán)格按照廠商提供的配合比和工藝要求在處理后的混凝土表面涂上底膠，按設(shè)計要求裁剪、粘貼碳纖維布。該橋加固后，恢復(fù)了承載力，后經(jīng)觀察，加固效果良好。類似的例子還有很多，如莘奉金高速公路春申路立交橋加固、107國道（深圳段）洋涌河大橋加固等等。
2.1.6 橋面層補強加固法 橋面補強層加固法是通過在梁頂（橋面）上加鋪一層鋼筋混凝土層，使其與原有主梁形成整體，從而達到增大主梁有效高度和抗壓截面，增加橋面整體剛度，提高橋梁承載能力的一種常用且有效的方法。為了減小補強層增加的恒載，常將原有橋面鋪裝層鑿除，而且能使新老結(jié)合良好，共同受力。
目前，在很多橋梁加固改造中，同一座橋梁，針對不同的部位、不同的構(gòu)件、不同的改造原因同時采用了幾種不同的方法。如宜賓馬鳴溪金沙江大橋的加固，采用了增加構(gòu)件加固法、粘貼鋼板加固法、碳纖維加固法、橋面層補強加固法；西藏尼木大橋的加固，采用了粘貼鋼板加固法、碳纖維加固法、橋面層補強加固法；紹興斗門大橋的加固，采用了增加構(gòu)件加固法、橋面層補強加固法，等等。
2.2橋梁墩臺與基礎(chǔ)加固
2.2.1 擴大基礎(chǔ)加固法 橋梁基礎(chǔ)擴大底面積的加固方法，稱為擴大基礎(chǔ)加固法。此法適應(yīng)于基礎(chǔ)承載力不足或埋置太淺，而墩臺又是磚石或混凝土剛性實體或基礎(chǔ)時的情況。當(dāng)構(gòu)造物基礎(chǔ)具有較大的不均勻沉降，并且地基土質(zhì)比較堅實時，可以采用擴大基礎(chǔ)法進行加固。而對于擴大部分基礎(chǔ)底部的地基承載力不足的問題，可采取在擴大部分基礎(chǔ)下打入一定數(shù)量的樁以提高地基承載力，樁的參數(shù)根據(jù)地基變形計算來加以選定。擴大基礎(chǔ)加固法，施工比較簡單。缺點是它必須使新老基礎(chǔ)連成一體共同承受上部荷載，故其加固費用較高，而且加固效果也不易控制。
2.2.2 高壓旋噴注漿加固法 高壓旋噴注漿，就是先利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆入土層的預(yù)定位置，旋轉(zhuǎn)并以一定的速度提升，同時將漿液或水以高壓流的形式從噴嘴里射出，沖擊破壞土體，高壓流切割并攪碎土層，使其成顆粒狀分散，一部分被漿液和水帶出鉆孔，另一部分則與漿液攪拌混合，隨著漿液的凝固，組成具有一定強度和抗?jié)B能力的固結(jié)體，從而對地基進行加固的一種加固方法。旋噴注漿加固法，用途廣泛，加固地基的質(zhì)量可*而且效果好，成本低，加固效果明顯，且施工便捷，目前已逐漸成為我國常用的對橋梁墩臺基礎(chǔ)處理方法之一。
2.2.3 粘貼鋼板加固法、碳纖維加固法 橋梁墩臺的加固改造也可以采用粘貼鋼板加固法、碳纖維加固法增加墩臺的剛度, 提高墩臺的抗彎、抗壓和抗剪能力,其加固方法、加固機理與2.1.4及2.1.5一致,在此就不再詳述。
3、加固方案的選擇
加固方案與諸多因素有關(guān)，選擇合理的加固方案非常重要，?？紤]下列因素：
1、橋梁結(jié)構(gòu)型式；
2、橋位地形、水文、自然狀況；
3、橋梁現(xiàn)狀分析研究結(jié)論；
4、施工技術(shù)水平；
5、能否封閉交通；
6、預(yù)期加固效果；
7、資金投入量。
若定義：
建議: β＞0.9，進行橋面板加固；
β=0.7-0.8，粘貼鋼板、改變體系加固；
β=0.6-0.7，體外預(yù)應(yīng)力、貼碳纖維加固。
加寬加固同時進行時，宜將加寬部分與原橋連為整體，以充分發(fā)揮新加部分的卸載作用。
上述各種常見加固方法可綜合運用，優(yōu)化組合，更能體現(xiàn)出加固效果及經(jīng)濟效益，但還應(yīng)注意以下幾點：
?。?）不同的加固方法有對應(yīng)的設(shè)計計算方法；
（2）加固后的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力提高幅度受原結(jié)
構(gòu)的制約， 如原結(jié)構(gòu)配筋率、截面尺寸等，不可能無限制地提高承載能力；
（3）對于大跨徑復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的加固計算，一般
要做結(jié)構(gòu)整體分析，有效工具是有限元法，必要時應(yīng)考慮非線性影響。
4、結(jié)語
橋梁的加固維修問題已經(jīng)成為世界普遍關(guān)注的課題，為了規(guī)范、指導(dǎo)橋梁加固技術(shù)的應(yīng)用，交通部在2001年西部交通建設(shè)科技項目中設(shè)定了“公路舊橋檢測評定與加固技術(shù)研究及推廣應(yīng)用 ”項目，旨在通過該課題的研究提出一整套完整的、實用的公路橋梁檢測、評定與加固成套技術(shù)，為我國公路危舊橋的改造提供技術(shù)支持，確保危舊橋的改造工作科學(xué)合理、經(jīng)濟安全。新的舊橋檢測、評定、加固方面的規(guī)范即將出臺，屆時，橋梁加固將會做到“有法可依”。
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