公路橋梁加固原因分析與措施
現(xiàn)有公路橋梁中有一部分因修建年代久遠(yuǎn)、質(zhì)量低、病害嚴(yán)重的老橋，或因設(shè)計(jì)、施工以及使用上的種種原因存在不同損傷的橋梁，承載能力偏低，已不能維持正常使用，因而需采取限重、限速通行措施，甚至不得不關(guān)閉舊危橋梁進(jìn)行加固處理。所以采取有效的加固改造措施，恢復(fù)和提高這些橋梁的承載能力。
1橋梁需要加固的原因
1.1舊橋梁原有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，不能滿足發(fā)展了的車輛通行要求。
1.2由于設(shè)計(jì)及施工的缺陷以及各種不利作用（如碳化、氯離子侵入、酸侵蝕、堿集料反應(yīng)、凍融、鹽害等）使得橋梁結(jié)構(gòu)的混凝土及鋼筋腐蝕嚴(yán)重。
1.3橋梁的使用年限長，接近其使用壽命。我國在20世紀(jì)60～70年代修建的橋梁，大部分仍服役，由于年久失修、失養(yǎng)，已不適應(yīng)交通量日益增長的需要。
1.4外界不利荷載的影響使得橋梁結(jié)構(gòu)安全性下降。在我國，造成此種情況的最大原因是在路上行駛的貨車大多數(shù)超載、超限行駛，致使20%以上的橋梁出現(xiàn)安全隱患。
1.5新建橋梁由于勘察、設(shè)計(jì)及施工的問題而無法滿足使用要求以及新橋的使用功能發(fā)生改變，也是橋梁需要加固的重要原因。
2常用的橋梁補(bǔ)強(qiáng)加固方法
2.1加大截面加固法。
該法是在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上再澆筑一定厚度的鋼筋混凝土，這是對鋼筋混凝土橋加固的一種常用的改造技術(shù)。加大截面加固法一般采用2種方式：一種是加厚橋面板；另一種是加大主梁梁肋的高度和寬度。該法施工工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，并具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，適用于較小跨徑的T梁橋或板橋的加固。采用此法加固后橋梁剛度明顯提高，承載能力也能取得較好的效果。但現(xiàn)場施工的濕作業(yè)時間長，對生產(chǎn)和生活有一定的影響，且加固后的建筑物凈空有一定的減小。
2.2粘貼鋼板加固法。
該法是以樹脂粘接鋼板與混凝土的結(jié)構(gòu)加固法，其施工快速、現(xiàn)場無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè)，對生產(chǎn)和生活影響小，且加固后對原結(jié)構(gòu)外觀和原有凈空無顯著影響。但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平，適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎或受拉構(gòu)件的加固。
2.3粘貼碳纖維增強(qiáng)塑料加固法。
該法采用專門的樹脂將碳纖維粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)受拉表面，碳纖維與原結(jié)構(gòu)形成新的受力整體，碳纖維與鋼筋共同承受荷載，降低了鋼筋應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到了加固和補(bǔ)強(qiáng)效果。其主要特點(diǎn)是：幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重和截面尺寸，不改變凈空高度，施工方便，對原結(jié)構(gòu)幾乎不會造成新的損傷，具有良好的耐腐蝕性、耐久性和抗疲勞性能，根據(jù)受力分析可進(jìn)行多層粘貼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，其方向性也可以靈活掌握。該方法的缺點(diǎn)是彈性模量與強(qiáng)度比值過低;環(huán)氧樹脂在溫度大于60℃時會呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象，而橋梁一般受到陽光直射，橋面溫度大于60℃的可能性很大，不利于采用樹脂膠作粘貼劑。
2.4體外預(yù)應(yīng)力加固法。
該法是指對布置于承載結(jié)構(gòu)主體之外的鋼束張拉而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的后張法。體外預(yù)應(yīng)力體系由體外預(yù)應(yīng)力孔管、漿體、錨固體系和轉(zhuǎn)向塊等部件組成。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)能大大縮短施工工期，能降低被加固構(gòu)件的應(yīng)力水平，不僅使加固效果好，而且還能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力，但加固后對原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響。適用于大跨度或重型結(jié)構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力、高應(yīng)變狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固。但在無防護(hù)的情況下，不能用于溫度在60℃以上環(huán)境中，也不宜用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)。
2.5噴混凝土加固法。
該法是在原有結(jié)構(gòu)上噴涂一層高品質(zhì)的混凝土，以恢復(fù)對鋼筋的保護(hù)，提高已剝離或變質(zhì)的混凝土強(qiáng)度，提供美觀表面的功能，是目前常用的維修加固方法。
2.6置換混凝土加固法。
該法的優(yōu)點(diǎn)與加大截面法相近，且加固后不影響建筑物的凈空，但同樣存在施工的濕作業(yè)時間長的缺點(diǎn)。適用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的梁、柱等混凝土承重構(gòu)件的加固。
2.7有粘結(jié)外包型鋼加固法。
該法也稱濕式外包鋼加固法，特點(diǎn)是受力可靠、施工簡便、現(xiàn)場工作量較小，但用鋼量較大，且不宜在無防護(hù)的情況下用于60℃以上的高溫場所。適用于使用上不允許顯著增大原構(gòu)件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。
2.8錨栓錨固法。
該法適用于混凝土強(qiáng)度等級為C20～C60的混凝土承重結(jié)構(gòu)的改造、加固，不適用于已嚴(yán)重風(fēng)化的上述結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。
2.9增加支承加固法。
該法簡單可靠，但易損害建筑物的原貌和使用功能，并可能減小使用空間。適用于具體條件許可的混凝土結(jié)構(gòu)加固。
2.10繞絲法。
該法的優(yōu)缺點(diǎn)與加大截面法相近。適用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面承載力不足的加固，或需對受壓構(gòu)件施加橫向約束力的場合。
3橋梁加固方法選用原則
橋梁加固的方法如前所述有多種，對于具體的工程如何選用，應(yīng)依照以下的原則：
3.1采用加固方案之前，須先考慮耗費(fèi)少、功效快、不中斷交通、技術(shù)上可行、有較好耐久性等方面的要求。
3.2補(bǔ)強(qiáng)加固是通過加大或修復(fù)橋梁構(gòu)件來提高局部或整座橋梁承載能力的措施。因此橋梁加固工作一般以不更改原結(jié)構(gòu)形式為原則，在兼顧經(jīng)濟(jì)性的前提下，只有在較復(fù)雜的情況下，才可考慮更改結(jié)構(gòu)形式。如果采用補(bǔ)強(qiáng)加固的方式仍不能達(dá)到交通運(yùn)輸要求，則必須考慮進(jìn)行重建橋梁的部分或全部。
3.3選擇橋梁加固方式時，必須考慮舊橋現(xiàn)狀、承載能力減弱的程度以及日后交通量，最好參考已經(jīng)成功完成補(bǔ)強(qiáng)加固的橋梁的施工。
3.4采用擴(kuò)大或增加橋梁構(gòu)件斷面的方法進(jìn)行加固前，應(yīng)考慮增加部分與原有部件的結(jié)合效果。
4橋梁安全評估及加固準(zhǔn)則
對橋梁進(jìn)行加固前，首先要對橋梁的劣化與受損情況進(jìn)行全面檢測，依據(jù)受損現(xiàn)狀進(jìn)行安全性評估，確定結(jié)構(gòu)物實(shí)際承載能力，判斷損傷是否對橋梁承載力和耐久性構(gòu)成威脅。承載力表示結(jié)構(gòu)承受設(shè)計(jì)荷載的能力，耐久性是指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命。應(yīng)詳細(xì)評估其結(jié)構(gòu)現(xiàn)有強(qiáng)度是否能夠承受實(shí)際荷載，以判定橋梁承載能力的安全性。而在耐久性方面，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)損傷、材質(zhì)劣化、施工缺陷等狀況與周圍環(huán)境條件，合理判斷結(jié)構(gòu)的使用壽命。除了探索橋梁維護(hù)加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝與技術(shù)之外，研究橋梁檢測與安全性評估方法，建立有效的橋梁檢測與預(yù)警系統(tǒng)，都是橋梁加固工程中的重要內(nèi)容。
4.1橋梁安全評估
我國目前主要采用檢測與計(jì)算相結(jié)合的方法對橋梁安全的承載力進(jìn)行評定。用計(jì)算方法對橋梁安全的承載力進(jìn)行評定的過程如下：
（1）用實(shí)際尺寸計(jì)算截面的承載力；
（2）計(jì)算實(shí)際恒載，從截面承載力中減去實(shí)際恒載；
（3）按設(shè)計(jì)要求計(jì)算實(shí)際活載；
（4）按下式計(jì)算評定系數(shù)：
（1）
式中，為結(jié)構(gòu)抗力；為恒載組合設(shè)計(jì)值；為活載組合設(shè)計(jì)值。
4.2加固準(zhǔn)則
橋梁加固準(zhǔn)則的執(zhí)行和橋梁加固是一項(xiàng)嚴(yán)密的系統(tǒng)工程，其包括2大塊內(nèi)容：
一是原始基本數(shù)據(jù)的收集，包括原橋的構(gòu)造尺寸、材料的實(shí)際強(qiáng)度、承重結(jié)構(gòu)破損率及實(shí)際斷面尺寸等一系列參數(shù)，原橋基本數(shù)據(jù)的收集正確與否直接影響整項(xiàng)加固工程；
二是加固3準(zhǔn)則的嚴(yán)格執(zhí)行，這3個加固準(zhǔn)則是“恒載應(yīng)力”準(zhǔn)則、“組合應(yīng)力”準(zhǔn)則、“極限承載力”準(zhǔn)則。下面以拱橋加固為例，對加固3準(zhǔn)則進(jìn)行說明。
（1）“恒載應(yīng)力”準(zhǔn)則。即橋梁在加固前或擬定截面加固后在恒載作用下其主拱圈應(yīng)力必須控制在限值范圍內(nèi)。橋梁在營運(yùn)過程中，隨著材料的老化、風(fēng)化，承載結(jié)構(gòu)裂縫的開展，截面尺寸的破損以及永久性變形的增大，往往橋梁本身在恒載作用下其承載力不能滿足要求。此時橋梁管理部門應(yīng)當(dāng)機(jī)立斷，判定橋梁為“危橋”，作重建處理。否則，將出現(xiàn)加固后橋梁病害加重直到垮塌的事故，或原橋加固費(fèi)用巨大、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不合理的不利情況。如某地區(qū)一橋梁營運(yùn)多年后因恒載應(yīng)力不能滿足強(qiáng)度要求，橋梁管理部門強(qiáng)行加固，結(jié)果造成橋梁變形加劇，迫使炸橋重建。另外，橋梁加固后，由于加固層增加了原主拱圈的負(fù)擔(dān)，造成原主拱圈邊緣應(yīng)力增大。因此，還應(yīng)驗(yàn)算橋梁在本身恒載與加固層恒載作用下原主拱圈應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度要求。綜上所述，橋梁加固應(yīng)滿足下列準(zhǔn)則：
<（2）
式中：為橋梁在加固前或在擬定截面尺寸下加固后在恒載作用下主拱圈邊緣應(yīng)力；為原主拱圈邊緣應(yīng)力限值。
“恒載應(yīng)力”準(zhǔn)則是橋梁加固的首要基本準(zhǔn)則，只有在滿足該準(zhǔn)則前提下，方可進(jìn)行后續(xù)加固工作。
（2）“組合應(yīng)力”準(zhǔn)則。在各種最不利荷載組合作用下，原主拱圈邊緣應(yīng)力必須滿足強(qiáng)度要求，橋梁加固的精髓在于新、老主拱圈能夠協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)活載作用。一般而言，新增加的主拱圈層往往采用強(qiáng)度和彈性模量均較高的材料，而老主拱圈層由于已營運(yùn)多年，出現(xiàn)材料強(qiáng)度削減，整體受力性差的情況。因此，橋梁加固中控制應(yīng)力的是新、老復(fù)合主拱圈中的老主拱圈。具體地說，橋梁加固后，在最不利荷載組合作用下，新、老復(fù)合主拱圈中的老主拱圈邊緣應(yīng)力必須滿足強(qiáng)度要求，即：
<（3）
式中：為組合荷載作用下原主拱圈邊緣應(yīng)力值；為原主拱圈應(yīng)力限值。
“組合應(yīng)力”準(zhǔn)則是橋梁加固中尺寸擬定的控制準(zhǔn)則，只有在滿足該準(zhǔn)則前提下方可進(jìn)行后續(xù)加固工作。
（3）“極限承載力”準(zhǔn)則。在最不利荷載組合作用下，橋梁加固后其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均要滿足要求，即：
式中：A——新老主拱圈組合截面的換算面積，其按極限強(qiáng)度進(jìn)行換算；
——計(jì)算縱向力；
——縱向力偏心影響系數(shù)，，為縱向力偏心距，為組合截面重心至偏心方向截面邊緣的距離，為組合截面的回轉(zhuǎn)半徑，為截面形狀系數(shù)；
——材料安全系數(shù)；
——縱向彎曲系數(shù)。
“極限承載力”準(zhǔn)則是橋梁加固滿足前2準(zhǔn)則前提下，體現(xiàn)提高橋梁承載力幅度的準(zhǔn)則。橋梁加固效果是否顯著，以該準(zhǔn)則為依據(jù)。
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