常用公路橋梁加固技術(shù)及其應(yīng)用探析

葛建勇

摘要：近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技的不斷進(jìn)步，交通運(yùn)輸業(yè)也取得了長足發(fā)展。就上世紀(jì)或本世紀(jì)初設(shè)計修建的一些橋梁而言，其原本設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)偏低，所以難以支撐現(xiàn)今日益增加的交通量和車輛超限超載現(xiàn)象，加之公路橋梁的設(shè)計和施工與當(dāng)時的社會經(jīng)濟(jì)條件、環(huán)境問題等密切相關(guān)，大部分橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害。相對于橋梁拆除重建，加固再提高結(jié)構(gòu)承載力、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性、滿足行車平順性的同時，還能達(dá)到節(jié)省工期，縮減投資、降低能耗和環(huán)境的負(fù)擔(dān)，滿足可持續(xù)發(fā)展要求。本論述通過分析造成公路橋梁出現(xiàn)病害的原因，總結(jié)了公路橋梁常見的病害及相應(yīng)的加固方法。通過工程實(shí)例，說明了針對橋體結(jié)構(gòu)和不同部位病害的處理方法及其達(dá)到的效果。本論述的研究，對于橋梁加固工作的施工與方法選擇均具有一定的指導(dǎo)和參考作用。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;橋梁病害;維修與加固;應(yīng)用

中圖分類號：U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技的不斷進(jìn)步，交通運(yùn)輸業(yè)也取得了長足發(fā)展。上世紀(jì)或本世紀(jì)初設(shè)計修建的一些橋梁，原本設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)偏低，難以支撐現(xiàn)今日益增加的交通量和車輛超限超載現(xiàn)象。加之公路橋梁的設(shè)計和施工與當(dāng)時的社會經(jīng)濟(jì)條件、環(huán)境問題等密切相關(guān)，橋梁在運(yùn)營過程中，同時受到自然環(huán)境與使用環(huán)境的影響，如果將出現(xiàn)病害或者承載能力降低的橋梁全部拆除重建，在耗費(fèi)巨額建設(shè)資金的同時，也會因工期和施工期間的交通阻斷給交通運(yùn)輸系統(tǒng)帶來巨大壓力。因此，若對出現(xiàn)病害的橋梁進(jìn)行有序、適當(dāng)?shù)募庸毯途S修，不僅可以在一定程度上提高橋梁的承載能力，也可以減少資金投入，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)與社會效益。因此，對橋梁進(jìn)行加固和維修，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。

橋梁加固的主要目的在于確保橋梁工程的耐久性、安全性、適用性的同時，恢復(fù)或在一定程度上提高其原有的承載能力，進(jìn)而保證橋梁的正常使用性能及運(yùn)營過程中的行車舒適性與安全性。橋梁加固的基本要求包括：了解并掌握加固橋梁的基本結(jié)構(gòu)狀況和技術(shù)資料;在保證加固效果的同時，優(yōu)先選擇能降低成本的加固方法;加固過程應(yīng)盡量減少對交通的影響;加固方案的設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)的國家與行業(yè)規(guī)范;加固過程中，對于已經(jīng)確定的橋梁病害，應(yīng)通過加固一次性徹底解決;加固及其過程應(yīng)盡量降低對原有橋梁結(jié)構(gòu)的損傷;加固技術(shù)應(yīng)成熟可靠，并具備較高的耐久性與適用性，且便于以后的養(yǎng)護(hù)。

1橋梁常見病害及維修加固方法

為節(jié)約施工建設(shè)成本，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與承載能力，保證橋梁在運(yùn)營過程中的安全性與行車舒適性，須對橋梁工程的病害及常見的加固維修措施進(jìn)行分析研究，以保證加固方法的實(shí)用性和適用性。

1.1公路橋梁常見病害

公路橋梁的病害根據(jù)結(jié)構(gòu)位置和橋體結(jié)構(gòu)形式的不同，常見的包括以下幾種。就常見的橋型而言，梁體病害可分為以下幾種：預(yù)應(yīng)力空心板橋上部結(jié)構(gòu)的病害主要有梁底面的縱向裂縫，其分布在空心板連體的底面中央及兩側(cè)位置對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束處，沿預(yù)應(yīng)力筋呈現(xiàn)通長或斷續(xù)通長分布。T梁的裂縫主要出現(xiàn)在翼板底面和腹板位置處，分別沿縱向和豎向分布。其中，底面及翼板位置的裂縫呈橫向分布，腹板的裂縫分布在腹板的側(cè)面位置，部分裂縫會沿腹板豎向一直延伸到梁的底面及翼緣板位置，豎向裂縫一般出現(xiàn)在翼板與腹板的連接位置及翼板底面的中央位置，順橋向分布。對于連續(xù)箱梁而言，裂縫主要出現(xiàn)在翼板底面，呈橫向分布;梁腹板位置處，呈豎向分布;梁底面位置，呈橫向分布，以及腹板側(cè)面位置，其裂縫沿預(yù)應(yīng)力束方向的分布。

另外，橋梁的下部結(jié)構(gòu)及其他部位也常出現(xiàn)病害。尤其是橋梁墩臺的基礎(chǔ)位置，在長期使用過程中在土壓力、溫度梯度、浮力、風(fēng)力、水流作用、重型車輛通行的壓力及沖擊力、自然環(huán)境等多重因素的共同作用下，承受的荷載往往較其他位置大得多，加之基礎(chǔ)深埋在地下或水下，病害不像上部結(jié)構(gòu)可以直接觀測得到，在長期作用下會不可避免的影響墩臺的安全使用。此外，鋼筋的銹蝕也經(jīng)常出現(xiàn)在公路橋梁中。鋼筋的銹蝕一般發(fā)生在梁體內(nèi)部，病害發(fā)生之初往往無法第一時間監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，直到病害發(fā)展到較為嚴(yán)重時方可發(fā)現(xiàn)，而且鋼筋銹蝕會導(dǎo)致自身體積膨脹，造成鋼筋周圍混凝土的開裂和剝蝕，進(jìn)而縮小結(jié)構(gòu)的截面有效尺寸，鋼筋的銹蝕會直接造成自身斷面面積減小，也會降低混凝土與鋼筋之間的握裹力，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)自身的承載能力。

1.2公路橋梁常見病害的成因分析

總體而言，公路橋梁病害的成因有以下五種。第一，橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計欠缺合理。部分橋梁在設(shè)計過程中，沒有充分考慮環(huán)境條件、使用條件、偶然荷載、最大運(yùn)輸量等方面因素對橋梁正常使用的影響，致使橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中處于不合理的受力狀態(tài)，甚至出現(xiàn)受力薄弱點(diǎn)、應(yīng)力集中等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性;第二，施工設(shè)計欠佳，施工質(zhì)量把控不嚴(yán)格。部分施工單位為追求效益，盲目追趕工期，未按照設(shè)計要求嚴(yán)格組織施工進(jìn)程，未嚴(yán)格控制施工環(huán)節(jié)與施工質(zhì)量，施工中的管理和技術(shù)人員整體專業(yè)素養(yǎng)偏低，進(jìn)而導(dǎo)致了施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等問題;第三，原材料的選取和存放未進(jìn)行嚴(yán)格控制?；炷凉橇虾退喾N類與混凝土工程的質(zhì)量有密切聯(lián)系，選材須結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件和施工工藝，對原材料的物理性能和力學(xué)性能從源頭上進(jìn)行管控，盡量減少混凝土澆筑后的徐變、收縮、應(yīng)力松弛等。此外，水泥與鋼筋等原材料的存放須依照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)分類、分別堆放與加工，避免水泥因受潮而發(fā)生凝結(jié)，也應(yīng)避免鋼筋的銹蝕。

此外，混凝土養(yǎng)護(hù)和后期運(yùn)營過程中的管理也對橋梁質(zhì)量有影響?；炷翝仓蟮酿B(yǎng)護(hù)不到位，致使混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑后的凝結(jié)硬化階段便出現(xiàn)了干縮微裂縫，對后期混凝土的防裂工作極為不利;運(yùn)營過程中管理不到位，對于橋梁的日常巡檢與維護(hù)重視不夠，加快了橋體病害的發(fā)展，且對車輛的超載、超限、超速等問題的忽略，重載車對于公路橋梁的高速沖擊，進(jìn)一步加劇了結(jié)構(gòu)的病害發(fā)展歷程，縮短了結(jié)構(gòu)的使用壽命，對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大。

1.3公路橋梁常用加固方法

隨著施工技術(shù)與整體工藝水平的提升，越來越多的橋梁加固方法被開發(fā)出來并應(yīng)用于實(shí)際工程中，常見的有增大截面法、體外預(yù)應(yīng)力法、體系轉(zhuǎn)換法、粘貼鋼板加固、復(fù)合材料加固技術(shù)（FRP）、繞絲加固法、SRAP加固方法等。

增大截面加固的方法，又稱外包混凝土加固法，其通過擴(kuò)大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積并對須要加固的部位配置一定量的鋼筋來達(dá)到提高結(jié)構(gòu)自身的承載能力并滿足正常使用性能的加固方法。該方法工藝簡單成熟，有較多相關(guān)的成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考借鑒，經(jīng)常應(yīng)用到小跨徑、T梁橋的病害維修及加固中，該方法施工后可有效提高梁體的剛度，缺點(diǎn)是要經(jīng)過較長時間的濕作業(yè)，且加固后會減小橋下凈空。

體外預(yù)應(yīng)力加固是一種改變橋梁結(jié)構(gòu)體系的方法，增設(shè)的拉桿增加了梁體的超靜定次數(shù)，與梁體一同受力，通過對橋梁施加預(yù)加應(yīng)力來達(dá)到抵消超出的那部分恒載作用力，能在很大程度上提高梁自身的剛度、承載力、以及抗裂性，可用于大型結(jié)構(gòu)的加固與梁體裂縫及鋼筋疲勞應(yīng)力幅的控制等情況。其最顯著的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，對施工人員的整體技術(shù)水平要求較高。

體系轉(zhuǎn)換法是通過增設(shè)附加構(gòu)件或結(jié)構(gòu)改造，進(jìn)而改變橋梁結(jié)構(gòu)體系來達(dá)到減少梁內(nèi)應(yīng)力的目的。目前最常用的體系轉(zhuǎn)換方式有梁橋與梁拱組合體系的轉(zhuǎn)換、多跨簡支梁轉(zhuǎn)為連續(xù)橋面簡支梁橋、增設(shè)輔助墩等。粘貼鋼板加固則通過特制的粘結(jié)劑和錨栓，將鋼板牢固地粘貼錨固于混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱部位，使粘貼的鋼板與被加固的結(jié)構(gòu)形成一個統(tǒng)一的整體，達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)自身承載能力，提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的目的。該方法的缺點(diǎn)是鋼板會隨著使用時間的推移產(chǎn)生一定程度的銹蝕。

復(fù)合材料加固中，常用的復(fù)合材料包括玻璃纖維、芳倫纖、碳纖維等，其中以碳纖維板和碳纖維布最為常用，由于碳纖維自身具有高強(qiáng)度、高彈性模量的力學(xué)特性，因此可以利用該特性對混凝土結(jié)構(gòu)物進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)與加固。而繞絲加固法，則是通過約束被加固的混凝土來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的加固和補(bǔ)強(qiáng)，達(dá)到改善結(jié)構(gòu)受力狀況，延長使用壽命的目的，常用的方法是在混凝土結(jié)構(gòu)對應(yīng)的構(gòu)件外表面纏繞退火鋼絲。SRAP加固方法是近年發(fā)展起來的導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力概念的新型橋梁梁體加固法，該法通過結(jié)合SR增強(qiáng)材料的高強(qiáng)特性與AP樹脂砂漿防腐防水、粘合力強(qiáng)的特點(diǎn)，采用特殊的方法對材料施加預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)橋梁加固。

2工程應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

該橋?yàn)槲覈戏侥车貒郎?987年通車的舊橋，全長63.9 m，橋面寬度為1.75 m+12.0 m+1.75 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為1x50 m的剛架拱，橫向拱片共有5片，拱片之間以橫梁、橋面鋪裝及微彎板連接成統(tǒng)一的整體;橋臺形式為u形，樁基礎(chǔ)為常用的鉆孔灌注樁。由于該橋的服役時間相對較長，且修建時間較早，隨著近年來交通量的不斷增加，該橋面的交通壓力也越來越多，車輛的超載、超限、超速現(xiàn)象日益增加，加之使用環(huán)境和自然條件的影響，梁體部分構(gòu)件產(chǎn)生了一定的損傷，須根據(jù)具體的監(jiān)測與監(jiān)測結(jié)果，制定適宜的維修加固方案，對該橋進(jìn)行加固。

經(jīng)現(xiàn)場檢測后發(fā)現(xiàn)，該橋的主要病害包括：橋面鋪裝有不同程度的磨損、開裂、老化現(xiàn)象，個別部位甚至出現(xiàn)了塌陷、骨料與內(nèi)部構(gòu)造鋼筋外露，在橋梁兩端與原有路堤的連接部位發(fā)生了不同程度的橫向開裂;主拱圈的軸線產(chǎn)生了不同程度的下?lián)虾妥冃?，造成了拱頂?shù)南鲁?，影響結(jié)構(gòu)的安全性和美觀性;伸縮縫發(fā)生了局部開裂和一定程度的變形，影響行車舒適性和結(jié)構(gòu)的整體性;行車道兩旁的人行道欄桿周圍的混凝土產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的膨脹和脫落;橋體的橫向連接系普遍出現(xiàn)了混凝土的開裂，個別部位甚至出現(xiàn)了通長縫，且剛架拱的節(jié)點(diǎn)與弦桿的連接部位出現(xiàn)了開裂。

2.2橋梁加固

針對橋梁檢測過程中發(fā)現(xiàn)的病害情況和橋梁加固的基本原則，對橋體不同部位的病害制定相應(yīng)的方案進(jìn)行加固與維修。

對于橋面鋪裝出現(xiàn)的病害，將原有的橋面鋪裝鑿除后更換為新型的聚丙烯纖維鋼筋混凝土鋪裝，并在其中植入豎向的抗剪鋼筋以協(xié)同結(jié)構(gòu)承受荷載。為了便于橋面排水，延長橋面鋪裝的使用壽面，在橋面增設(shè)1.5%的雙向橫坡。伸縮縫部位，將原來破損的伸縮縫全部更換為毛勒伸縮縫，以提高橋面的平順性和結(jié)構(gòu)的整體性。此外，將人行道的護(hù)欄更換為安全系數(shù)更高、結(jié)構(gòu)可靠性更好的防撞護(hù)欄，并在兩邊的橋頭分別設(shè)置8m長的橋頭搭板。

對于承重構(gòu)件如主拱片節(jié)點(diǎn)、弦桿、實(shí)腹段、斜撐接點(diǎn)、拱腿接點(diǎn)等部位均進(jìn)行粘貼鋼板加固，并在鋼板的外層用防銹漆進(jìn)行防銹處理。粘貼鋼板加固的具體工藝流程為：對應(yīng)位置混凝土結(jié)構(gòu)的表面處理一埋置粘貼鋼板所用的鉆孔螺桿一對使用的鋼帶現(xiàn)場進(jìn)行配套打孔并對鋼板粘貼面的表面進(jìn)行處理一配制粘貼鋼帶所需的結(jié)構(gòu)膠并粘貼一對已粘貼的鋼板進(jìn)行加壓固定一固化及粘貼效果檢驗(yàn)一防腐處理。粘貼鋼板的工作應(yīng)盡可能安排在橋面系拆除后或恒載卸載至最小時進(jìn)行，以保證鋼板粘貼后能與原有的橋體協(xié)同受力，更好地參與橋跨結(jié)構(gòu)受力。

將聯(lián)結(jié)系的微彎板拆除并以整體現(xiàn)澆橋面代替，同時將橫系梁也進(jìn)行更換，并用焊接鋼板和植入鋼筋相結(jié)合的方法對新更換的橫梁進(jìn)行預(yù)防性加固。此外，出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土膨脹、開裂、脫落等病害的部位與構(gòu)件，采用環(huán)氧砂漿、改性砂漿等方法進(jìn)行加固與修補(bǔ)。此外，考慮到橋梁加固施工期間新加的混凝土在其澆筑期間對橋梁結(jié)構(gòu)的恒載作用，應(yīng)在此期間盡量減少橋面上的車輛行駛，以減輕其對橋體的沖擊作用及其對新舊混凝土結(jié)合的影響。

2.3橋梁加固效果分析

橋梁加固后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測定梁體的靜應(yīng)變、撓度及加載過程中的梁體開裂情況，以確定加固后結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性，驗(yàn)證加固的效果。靜載試驗(yàn)的結(jié)果表明，橋梁上部結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗偏載能力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，加固后的附件構(gòu)件能與原結(jié)構(gòu)共同受力，且荷載的橫向分布良好，橋梁在汽車荷載作用下的剛度和承載能力基本滿足現(xiàn)有的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。加固后對橋梁進(jìn)行為期三年的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，三年內(nèi)加固維修后的橋面板和承重構(gòu)件并未出現(xiàn)開裂及其他病害，表明加固效果達(dá)到了預(yù)期的目的。此外，加固后的橋梁能達(dá)到二級公路橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)，與新建橋梁相比，在滿足了運(yùn)營要求、節(jié)省工期、縮減投資的同時，也降低了施工過程中的能耗和環(huán)境負(fù)擔(dān)，滿足可持續(xù)發(fā)展要求。

3結(jié)束語

橋梁加固通過對出現(xiàn)病害或已破損的構(gòu)件采取適宜的方法進(jìn)行修補(bǔ)或更換，達(dá)到恢復(fù)或提高其原有的承載能力并確保橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性、適用性的目的。本論述通過分析得出了造成橋梁工程病害的五方面原因，包括設(shè)計、施工、原材料、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營管理等方面的質(zhì)量管控，并總結(jié)了不同形式的橋梁在上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的病害，如結(jié)構(gòu)破損、梁體變形、混凝土開裂、鋼筋銹蝕等，進(jìn)而分析了公路橋梁常用的七種加固方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后通過工程實(shí)例，說明了針對橋體結(jié)構(gòu)和不同部位病害的處理方法，工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的加固效果表明，橋梁加固在提高結(jié)構(gòu)承載力、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性、滿足行車平順性的同時，還能達(dá)到節(jié)省工期，縮減投資、降低能耗和環(huán)境負(fù)擔(dān)，滿足可持續(xù)發(fā)展要求。