中小跨徑梁橋常用加固方法研究

王 沖，王葆茜

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 南京 210096）

0 引言

橋梁作為公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要組成部分，對(duì)國(guó)家或某個(gè)地區(qū)有其必然的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等意義。從公路管理的角度，橋梁加固是切實(shí)體現(xiàn)貫徹公路養(yǎng)護(hù)，以“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的方針要求的一項(xiàng)重要工作。橋梁加固是為恢復(fù)或提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力或抗災(zāi)能力，為滿足某種特殊需求而對(duì)橋梁的局部構(gòu)造或整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)或改善，是為確保橋梁安全使用、延長(zhǎng)橋梁使用壽命的重要手段。橋梁加固是一項(xiàng)十分細(xì)致而又極具靈活性的工作，需要考慮的因素涉及到力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科［1］。

1 橋梁加固技術(shù)

橋梁的加固維修多是針對(duì)橋梁的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的。在橋梁上部結(jié)構(gòu)的各類加固方法中，包括了國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛采用的傳統(tǒng)加固方法，如橋面鋪裝補(bǔ)強(qiáng)層加固法、增大截面和配筋加固法、錨噴混凝土加固法、體外張拉預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼鋼板加固法、改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法、增設(shè)縱梁或橫梁加固法、增加橫向聯(lián)系加固法，粘貼纖維布加固法等［2-5］。

1.1 橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固

橋面板是橋梁構(gòu)件中承受荷載和應(yīng)力最大的構(gòu)件之一，也是最早和最易出現(xiàn)破壞的結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的病害有：磨耗、裂縫、露筋、銹蝕、剝離，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)碎裂、脫落、洞穴和沉陷等。當(dāng)采用橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法時(shí)，需將原橋面鋪裝全部鑿除或鑿毛，然后加鋪一定厚度的補(bǔ)強(qiáng)層，以增大主梁有效高度及改善橋梁荷載橫向分布能力，從而達(dá)到提高單梁承載能力或橋梁結(jié)構(gòu)整體承載能力的目的。該加固方法實(shí)施的前提是原主梁具有足夠的配筋率且橋梁結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)。該方法的缺點(diǎn)在于鑿除或鑿毛橋面鋪裝時(shí)一般無(wú)法采用機(jī)械化施工手段，因此，用工量大、工期長(zhǎng)，并有可能對(duì)原結(jié)構(gòu)（如主梁等）造成一定的損傷，因此，該方法一般是結(jié)合橋梁的整體加固同時(shí)進(jìn)行，在較小跨徑的梁板式橋中比較適用，對(duì)較大跨徑橋梁加固效果則不明顯。

采用此法時(shí)先將原有橋面鋪裝層鑿毛處理，沖洗干凈后在梁頂部每隔一定間距設(shè)置柱狀剪力鍵，以增加新加橋面鋪裝層和主梁的連接能力和抵抗水平剪力，當(dāng)采用此法進(jìn)行加固時(shí)，可以不再重做橋面鋪裝，僅在表面加鋪瀝青磨耗面層即可。

1.2 增大截面與配筋加固

增大截面與配筋加固法是通過(guò)增大構(gòu)件截面面積或配筋率以提高鋼筋混凝土梁承載能力的加固方法。該方法一般采用在梁底面或側(cè)面加大尺寸，增配主筋，以提高主梁截面的有效高度，從而達(dá)到提高橋梁承載能力的目的。既可以對(duì)全部主梁進(jìn)行加固，當(dāng)受資金限制時(shí)，也可以僅對(duì)部分主梁進(jìn)行加固。為保證新老混凝土有良好的連接，并固定新加主筋，應(yīng)將結(jié)合部位的混凝土表面鑿毛并沖洗干凈，每隔一定間距設(shè)置錨固用箍筋或短筋使新加主筋與原構(gòu)件結(jié)合，當(dāng)加大原構(gòu)件下緣時(shí)，構(gòu)件下緣截面擴(kuò)大部分在靠近支座的梁端仍恢復(fù)成原截面。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)分階段受力的特點(diǎn)，也就是原結(jié)構(gòu)承受原有恒載及新加恒載，活載由最后的組合截面承擔(dān)。增大主梁截面所需的混凝土可采用懸掛模板澆注或采用噴射混凝土工藝進(jìn)行，當(dāng)受加固資金的限制時(shí)，也可根據(jù)計(jì)算情況僅對(duì)部分構(gòu)件進(jìn)行加固。在施工質(zhì)量可靠的情況下，該技術(shù)的加固效果是比較理想，并且?guī)缀醪恍枰笃陴B(yǎng)護(hù)［3］。

1.3 體外預(yù)應(yīng)力加固

體外張拉預(yù)應(yīng)力加固法是加固效果最明顯而施工工藝最為復(fù)雜的加固方法。它是采用預(yù)應(yīng)力原理，在增設(shè)的構(gòu)件或原有構(gòu)件中，對(duì)梁的受拉區(qū)或受剪區(qū)施加一定的初始應(yīng)力，以抵消部分自重應(yīng)力，減少在活載作用下的應(yīng)力增量，盡量避免梁上出現(xiàn)裂縫，提高結(jié)構(gòu)的耐久性的一種加固方法，它分為下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿加固法和外部預(yù)應(yīng)力鋼絲加固法。采用預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固橋梁構(gòu)件，由于加固后預(yù)應(yīng)力拉桿與原鋼筋混凝土構(gòu)件組成一個(gè)整體共同工作，因此補(bǔ)強(qiáng)拉桿與原構(gòu)件組成了一個(gè)新的復(fù)合體系，因此事先應(yīng)進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算。用預(yù)應(yīng)力法加固橋梁，其加固件一般采用鋼桿、粗鋼筋或鋼絲索等鋼材。施加預(yù)應(yīng)力的方法有縱向張拉法、橫向收緊張拉法和豎向頂撐張拉法等?？v向張拉法在施加的預(yù)應(yīng)力數(shù)值較小時(shí)可采用螺栓、絲桿、花籃螺栓等簡(jiǎn)易拉緊器進(jìn)行張拉。在施加的預(yù)應(yīng)力較大時(shí)，可采用手拉葫蘆、千斤頂張拉或電熱張拉法。橫向張拉的基本原理是在鋼拉桿中部施加較小的橫向外力，從而可在鋼拉桿內(nèi)獲得較大的縱向內(nèi)力。

體外預(yù)應(yīng)力加固法可在不增加橋梁自重的前提下有效增加加固后主梁的抗彎剛度并大幅度提高主梁的承載能力。由于不增加上部結(jié)構(gòu)自重，減小了對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)受力狀況的影響，從而降低了墩臺(tái)基礎(chǔ)的加固量。同時(shí)，在合理安排施工流程的情況下，該方法可最大限度地減少對(duì)橋上交通的影響，甚至可以在有限開(kāi)放交通的情況下組織施工，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)工程實(shí)例較多。盡管該加固方法具有上述優(yōu)越性，但是加固后體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐問(wèn)題一直是困擾公路養(yǎng)護(hù)部門(mén)的難題，降低了加固橋梁的可靠性，并一定程度上增加了后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

1.4 粘貼鋼板加固

粘貼鋼板加固法是采用粘結(jié)劑和錨栓將鋼板粘貼錨固于混凝土結(jié)構(gòu)受拉面或其它薄弱部位，使鋼板與加固混凝土結(jié)構(gòu)形成整體，以提高構(gòu)件的抗彎、抗剪能力，提高原結(jié)構(gòu)的剛度，限制裂縫的開(kāi)展，改善鋼筋與混凝土的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)粘貼鋼板擬提高梁的抗彎強(qiáng)度時(shí)，鋼板粘貼在構(gòu)件底面，鋼板和混凝土作為整體受力考慮，以鋼板與混凝土的局部剪切強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)；當(dāng)擬提高梁的抗剪強(qiáng)度時(shí)，鋼板可粘貼在構(gòu)件側(cè)面，并與原構(gòu)件內(nèi)抗剪鋼筋方向一致。鋼板的規(guī)格宜薄而寬，厚度一般以4.5～6.0mm為宜。粘貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)加固的合理設(shè)計(jì)應(yīng)控制在鋼板發(fā)生屈服之前，混凝土不出現(xiàn)剪切破壞。為避免鋼板在自由端脫落，端部可采用夾緊螺栓固定或在鋼板上按一定間距用螺栓固定。

粘貼鋼板的施工工藝為：

a）待粘貼部位的混凝土表面應(yīng)先鑿平順、堅(jiān)硬干凈；

b）鋼板除銹要徹底，粘貼面盡量打磨粗糙；

c）應(yīng)盡可能選擇質(zhì)量較好的粘貼膠，配置環(huán)氧膠泥時(shí)，材料稱量要準(zhǔn)確；

d）粘貼時(shí)粘貼膠要飽滿，一般在混凝土表面及鋼板表面分別涂刷一層均勻的環(huán)氧砂漿薄層，合計(jì)層厚約2mm，然后加壓密貼并使之固定；

e）粘貼前在混凝土上放樣鉆孔并安裝錨固螺栓（兼作固定件和壓緊件），要求埋設(shè)牢固，具有可靠的抗拔力，以保證粘貼鋼板時(shí)有效的加壓，同時(shí)還可以幫助鋼板克服剪切，有利于粘貼的耐久作用；

f）粘貼完成后，應(yīng)對(duì)鋼板及被加固構(gòu)件部位進(jìn)行有效的防腐和外觀處理。

該方法具有基本不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的尺寸、施工簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠、短期加固效果較好且工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。

1.5 改變結(jié)構(gòu)受力體系加固

改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法是通過(guò)改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)整體承載能力的目的，是一種變被動(dòng)為主動(dòng)的加固方法。由于這種方法大部分要在橋下操作或設(shè)置永久設(shè)施，因而會(huì)影響橋下凈空，一般在不影響通航及橋梁排洪能力的情況下使用此法。

改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法主要包括：

a）簡(jiǎn)支變連續(xù)加固法 將多跨簡(jiǎn)支梁的梁端連接起來(lái)，變?yōu)槎嗫邕B續(xù)梁，以改善結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高橋梁的承載能力。當(dāng)在原橋孔下架設(shè)支架或增設(shè)橋墩時(shí)，應(yīng)對(duì)支點(diǎn)處進(jìn)行受力驗(yàn)算；

b）加勁梁或疊合梁加固法 采用應(yīng)根據(jù)加固時(shí)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的實(shí)際受力狀態(tài)，分清主次，進(jìn)行合理的抽象和簡(jiǎn)化，得出計(jì)算圖示，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，因?qū)嶋H結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各種結(jié)構(gòu)部分存在多種聯(lián)系，而決定聯(lián)系性質(zhì)的主要因素是結(jié)構(gòu)各部分的剛度比值，故新舊結(jié)構(gòu)體系可依據(jù)相對(duì)剛度分解為基本部分和附屬部分，以分開(kāi)計(jì)算內(nèi)力，并略去結(jié)構(gòu)的次要變形，從而獲得比較簡(jiǎn)明的力學(xué)圖式；

c）改橋?yàn)楹募庸谭?主要針對(duì)跨徑較小的橋梁，在不影響通航和排洪能力的情況下，可采用此法。

1.6 增設(shè)主梁或橫向聯(lián)接

當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)基本完好而其承載能力不能滿足要求、需要提高荷載等級(jí)以及需要改善橋梁的橫向受力狀態(tài)時(shí)，一般可采用增加主梁或橫向聯(lián)系的方法。增加縱向承重構(gòu)件，應(yīng)在墩臺(tái)地基安全性能好，并具有足夠承載能力的情況下進(jìn)行。由于荷載在新增構(gòu)件后的橋梁中重新分布，使原有構(gòu)件所受荷載得以減少。

主要措施有：增加縱向承重構(gòu)件，新增加的構(gòu)件一般設(shè)置在原有橋梁的兩側(cè)，當(dāng)必須在中間增設(shè)時(shí)，可拆除個(gè)別原有構(gòu)件或其部分，形成空位，然后再在空位上安裝強(qiáng)度和剛度都比原有構(gòu)件大的新構(gòu)件；增設(shè)（加強(qiáng)）橫向連接，對(duì)于無(wú)內(nèi)橫梁或少內(nèi)橫梁的T截面型、工字型截面梁式橋或橫向整體性差的橋梁，可采用在相鄰主梁間增設(shè)現(xiàn)澆混凝土橫梁或鋼橫梁的方法來(lái)提高橫向抗彎剛度。

1.7 粘貼碳纖維布（FRP）加固

目前，高強(qiáng)纖維復(fù)合材料（FRP）粘貼加固混凝土技術(shù)已廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。由于該新型結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在施工方面所具有的無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)以及工程應(yīng)用的日益廣泛，世界各國(guó)陸續(xù)頒布了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，如美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)440 委員會(huì)（ACI Committee440）于1999 年推出了《粘貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工指南》，日本土木工程學(xué)會(huì)（JSCE）于1996年正式頒布了《連續(xù)纖維材料補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)及施工規(guī)程》，有效地促進(jìn)了該技術(shù)的健康發(fā)展［4］。20世紀(jì)90年代初，粘貼碳纖維布加固技術(shù)正式引入我國(guó)，并于2003年5月1日正式頒布了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146）。

粘貼碳纖維布的施工要求具體如下：

a）被加固構(gòu)件的基面要求混凝土強(qiáng)度不低于C15，同時(shí)要求被加固構(gòu)件應(yīng)具有良好的保護(hù)層，既基面平整且具有一定強(qiáng)度，對(duì)構(gòu)件有剝落、起皮、腐蝕等劣化現(xiàn)象的，應(yīng)先進(jìn)行修復(fù)，并應(yīng)將粘貼部位去除尖銳棱角和浮灰粉塵，防止碳纖維的局部剝斷破壞和粘貼失效；

b）碳纖維布宜采用薄布多層的粘貼方法，使其與粘接材料充分浸潤(rùn)，確保粘接效果，對(duì)于受彎構(gòu)件宜在受拉區(qū)沿軸向平直粘貼，并與主纖維方向的斷面進(jìn)行附加錨固處理；

c）碳纖維布的搭接與截?cái)?，碳纖維布一般不宜采取沿主纖維方向的搭接，尤其是對(duì)受拉構(gòu)件和受彎構(gòu)件受拉區(qū)的加固，若確需搭接時(shí)，其搭接部位應(yīng)避開(kāi)構(gòu)件應(yīng)力最大區(qū)段，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm，且搭接端部應(yīng)平整無(wú)翹曲，多層搭接的各層接口位置不應(yīng)在同一斷面，每層接口位置的凈距宜大于200mm；

d）施工時(shí)應(yīng)注意氣溫不以低于5°C、無(wú)雨，并做好相關(guān)的安全保護(hù)等措施；

e）加固用碳纖維布及其配套粘接材料均應(yīng)由廠家所提供的材料檢驗(yàn)證明和合格證。

2 結(jié)語(yǔ)

橋梁作為公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要組成部分，確保公路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)對(duì)國(guó)家或某個(gè)地區(qū)有其必然的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事意義。橋梁加固技術(shù)是維護(hù)公路橋梁安全使用、延長(zhǎng)橋梁使用壽命的積極手段。隨著新的橋梁加固材料、加固工藝的出現(xiàn)，公路橋梁的維修加固已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是簡(jiǎn)單的修修補(bǔ)補(bǔ)，已發(fā)展成為一門(mén)涉及眾多學(xué)科的綜合技術(shù)。從某種意義上講，加固方案的擬定和設(shè)計(jì)計(jì)算以及具體方案的實(shí)施，其難度往往大于同類新建橋梁，因此應(yīng)當(dāng)引起各級(jí)公路主管部門(mén)的充分重視，積極引進(jìn)新技術(shù)、新材料、新工藝，進(jìn)一步落實(shí)橋梁加固方案論證制度，以保證加固方案的合理性、有效性、經(jīng)濟(jì)性，最大限度地降低工程造價(jià)。

［1］張勁泉，王文濤.橋梁檢測(cè)與加固手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］張勁泉，何玉珊，謝經(jīng)緯.橋架結(jié)構(gòu)狀況的檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)［J］.中國(guó)公路，2002，（22）：42-44.

［3］周新剛，王尤選，曲淑英.混凝土植筋錨固極限承載能力分析［J］.工程力學(xué)，2002，19（6）：82-86.

［4］樓莊鴻.2001年全國(guó)公路橋梁維修與加固技術(shù)研討會(huì)論文集［C］.北京：中國(guó)公路學(xué)會(huì)，2001.

［5］胡釗芳，諶潤(rùn)水，帥長(zhǎng)斌.公路舊橋加固技術(shù)與實(shí)例［M］.北京：人民交通出版社，2002.