橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)安全性探討

李文江

中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430074

1 橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的原則和常用方法

1.1 加固設(shè)計(jì)原則

為了取得理想的橋梁加固改造效果，實(shí)現(xiàn)工程預(yù)期建設(shè)目標(biāo)，在制訂橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循以下原則：第一，實(shí)際出發(fā)原則?？紤]到不同橋梁工程的使用年限、結(jié)構(gòu)類型、周邊環(huán)境特征、結(jié)構(gòu)老化磨損程度、交通運(yùn)輸需求具有明顯差異，照搬相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范或同類工程加固方案，將無法保證設(shè)計(jì)方案的可行性與實(shí)際加固效果。因此，應(yīng)做好前期調(diào)查工作，如全面性檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)使用情況與各項(xiàng)性能，綜合評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)安全性，從必要性與可行性兩方面對(duì)橋梁加固需求進(jìn)行綜合分析，結(jié)合工程情況，選擇合理的加固技術(shù)。第二，全面性加固。唯有對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性、抗震性能和使用功能四個(gè)方面進(jìn)行全面加固，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全，取得預(yù)期的加固效果，僅從單一方面對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，可能無法保證加固后橋梁的安全運(yùn)營。第三，保存原狀。在不改變?cè)袠蛄航Y(jié)構(gòu)尺寸的前提下，優(yōu)先采取粘貼加固法和增大截面法的橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，從而達(dá)到加固效果。如果大幅度改變橋梁結(jié)構(gòu)尺寸，那么相應(yīng)的工程費(fèi)用也將提高，實(shí)際投入的加固成本將超過橋梁結(jié)構(gòu)的剩余利用價(jià)值。

1.2 常用加固方法

近年來，隨著施工技術(shù)體系的優(yōu)化完善以及施工水平的不斷提高，出現(xiàn)了多種橋梁結(jié)構(gòu)加固方法，各類加固方法的適用范圍與效果存在明顯差異，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況慎重選擇。常見的橋梁結(jié)構(gòu)加固方法如下。

（1）增大截面法（見圖1）。采取植筋方式，在橋梁主拱圈下方等部位增加拱肋等構(gòu)件，經(jīng)由橫梁將拱肋進(jìn)行橫向連接，通過增加拱肋的受壓截面與有效高度，達(dá)到強(qiáng)化主梁強(qiáng)度和提升剛度的加固效果。該方法適用于加固構(gòu)件強(qiáng)度與剛度不足的橋梁工程，可以取得顯著的加固效果，但是會(huì)增加結(jié)構(gòu)的整體重量。

圖1 增大截面加固現(xiàn)場(chǎng)圖

（2）體外預(yù)應(yīng)力法（見圖2）。該方法在橋梁結(jié)構(gòu)外側(cè)布置預(yù)應(yīng)力筋，通過錨固塊和轉(zhuǎn)向塊等構(gòu)件與既有橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，然后施加一定的預(yù)應(yīng)力，達(dá)到預(yù)壓效果，從而改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布狀態(tài)，進(jìn)而影響梁體的應(yīng)力分布。與其他加固方法相比，體外預(yù)應(yīng)力法具有不明顯改變橋梁結(jié)構(gòu)自重、加固期間不影響橋梁通車運(yùn)營、預(yù)應(yīng)力處理隨意性強(qiáng)、橋下凈空值基本不變等優(yōu)勢(shì)，被用于廣東韶關(guān)錦江大橋、何圩橋、大洋橋等項(xiàng)目中。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力加固現(xiàn)場(chǎng)圖

（3）粘貼加固法（見圖3）。清理橋梁結(jié)構(gòu)表面附著的灰塵污漬，對(duì)缺陷破損部位進(jìn)行修復(fù)處理，然后在構(gòu)件表面均勻涂刷環(huán)氧樹脂等黏合劑、粘貼鋼板、碳纖維布等材料，使其與橋梁結(jié)構(gòu)受拉側(cè)進(jìn)行聯(lián)結(jié)，達(dá)到提高橋梁結(jié)構(gòu)承載性能、抗拉強(qiáng)度和耐久性的作用。結(jié)合實(shí)際施工情況來看，在不破壞原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)前提下，粘貼加固法工期短、造價(jià)底，工藝流程簡單，但具有一點(diǎn)的局限性，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的限高限寬有著嚴(yán)格要求，同時(shí)對(duì)施工隊(duì)伍的技術(shù)要求較高。

圖3 粘貼加固現(xiàn)場(chǎng)圖

（4）噴錨混凝土加固法（見圖4）。該方法在橋梁結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)部位中植入錨筋與安裝鋼筋網(wǎng)，在鋼筋網(wǎng)表面均勻噴涂混凝土漿料，混凝土層、鋼筋網(wǎng)與原有橋梁結(jié)構(gòu)形成整體性結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)外部荷載。同時(shí)，可選擇使用新型鋼纖維混凝土材料代替一般混凝土，可以進(jìn)一步改善橋梁結(jié)構(gòu)的抗變形能力，其中鋼纖維材料可以吸收一部分的變形力。

圖4 噴錨混凝土加固現(xiàn)場(chǎng)圖

2 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

在橋梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算環(huán)節(jié)，將施工圖與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察報(bào)告作為主要依據(jù)，全面掌握相關(guān)工程信息，如橋梁凈跨徑、標(biāo)準(zhǔn)跨徑、橋梁總長、橋下凈空高度、橋面縱坡、橋頭引道縱坡值等，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入特定計(jì)算公式，從而驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)，如跨中部位的最大彎矩值、支點(diǎn)部位的最大剪力、支反力位置的豎向最大值等。然后，將上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果與工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，判斷橋梁結(jié)構(gòu)中各部位的實(shí)際強(qiáng)度與抗剪截面是否滿足規(guī)范要求。將對(duì)比結(jié)果作為橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方案的主要依據(jù)，采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?/p>

2.2 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)計(jì)算

在橋梁結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)計(jì)算環(huán)節(jié)，結(jié)合橋梁工程使用情況，選擇一個(gè)工作狀態(tài)下的閾值，設(shè)定橋梁結(jié)構(gòu)的基本隨機(jī)變量，將隨機(jī)變量導(dǎo)入極限狀態(tài)方程式進(jìn)行計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果大于零，則表明橋梁結(jié)構(gòu)處于安全可靠狀態(tài)；如果計(jì)算結(jié)果等于零，表明橋梁結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；如果計(jì)算結(jié)果小于零，表明橋梁結(jié)構(gòu)處于不安全與不耐用的失效狀態(tài)。例如，使用X1，X2，…，Xn表示橋梁結(jié)構(gòu)的基本隨機(jī)變量，導(dǎo)入極限狀態(tài)方程式Z=g（X1,X2,…,Xn），描述橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。

2.3 箱梁斜面抗裂力

在橋梁箱梁斜面抗裂力計(jì)算環(huán)節(jié)，導(dǎo)入公式

計(jì)算橋梁構(gòu)件的斜截面抗裂力限值，再將計(jì)算結(jié)果與相關(guān)斜截面設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比分析，具體規(guī)范限值計(jì)算公式為

以此為基礎(chǔ)，確定短期條件下的構(gòu)件截面邊緣應(yīng)力。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員需開展抗壓容力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定橋梁預(yù)拉區(qū)內(nèi)的縱向配筋率要求。

2.4 設(shè)計(jì)抗傾覆系數(shù)

在橋梁抗傾覆系數(shù)計(jì)算環(huán)節(jié)：（1）嚴(yán)格遵循《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）中的驗(yàn)算方法進(jìn)行計(jì)算，正確掌握橋梁傾覆過程中的明確特征狀態(tài)，一是箱梁抗扭支承是否全部失效，二是箱梁的單向受壓支座是否開始脫離受壓。（2）在確定橋梁具備以上特征狀態(tài)后，對(duì)橋梁支座布置情況與墩柱支座中心連線情況，進(jìn)行核驗(yàn)分析，確定橋梁結(jié)構(gòu)中最易出現(xiàn)傾覆問題的部位，如旋轉(zhuǎn)軸部位。（3）在橋梁結(jié)構(gòu)加固方案中，采取相應(yīng)措施，改善特定墩柱的支座受力控制情況，做好墩柱間的支座中心連線作業(yè)，在保留旋轉(zhuǎn)軸支座的同時(shí)，解決橋梁傾覆問題，如消除圓弧內(nèi)外兩側(cè)扭矩的差異，以此預(yù)防傾覆問題出現(xiàn)。（4）設(shè)計(jì)人員通過約束計(jì)算，獲取傾覆結(jié)構(gòu)具體情況，驗(yàn)算得出抗傾覆力矩與抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，將其作為制訂橋梁結(jié)構(gòu)加固方案與選擇加固方法的主要依據(jù)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)加固方案的安全評(píng)估

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

在橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段，為了明確結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)思路，需要對(duì)橋梁原有結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)與安全性能進(jìn)行綜合性評(píng)估，將評(píng)估結(jié)果作為橋梁加固改造的主要依據(jù)，具體分析相關(guān)方法。

（1）外觀調(diào)查法。遵循《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTGH11—2004）與《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）等規(guī)范，采取分層綜合評(píng)定與外觀檢查方法，對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)、各部件與具體構(gòu)件的技術(shù)狀況，進(jìn)行全面調(diào)查和綜合評(píng)比，將橋梁結(jié)構(gòu)分為1類～5類，共5個(gè)等級(jí)，1類橋梁處于全新狀態(tài)，各項(xiàng)使用功能完好，而5類橋梁的構(gòu)件嚴(yán)重老化磨損，危及結(jié)構(gòu)安全。與其他安全性評(píng)估方法，外觀調(diào)查法的評(píng)估速度較快，可以在較短時(shí)間內(nèi)判斷橋梁結(jié)構(gòu)的大體使用狀況，但是無法準(zhǔn)確識(shí)別細(xì)小損傷，且檢測(cè)結(jié)果無法真實(shí)反映橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能。

（2）理論分析計(jì)算法。技術(shù)人員使用有限元軟件，構(gòu)建橋梁模型，導(dǎo)入橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，通過相應(yīng)工程式，計(jì)算橋梁的極限承載性能、截面折減系數(shù)、承載能力檢算系數(shù)。其中，橋梁承載能力檢算系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：D為橋梁檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度；αj為檢測(cè)指標(biāo)權(quán)重；Dj為橋梁結(jié)構(gòu)某項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)度。

（3）荷載試驗(yàn)法。荷載試驗(yàn)法分為靜載試驗(yàn)與動(dòng)載試驗(yàn)。其中，靜載試驗(yàn)是將橋梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于試驗(yàn)結(jié)果來構(gòu)建橋梁有限元模型，通過模型來計(jì)算橋跨結(jié)構(gòu)內(nèi)力和關(guān)鍵截面，觀測(cè)施加靜態(tài)負(fù)載后的橋梁應(yīng)力、應(yīng)變力與撓度，從而反映橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載力。動(dòng)載試驗(yàn)是使橋梁處于振動(dòng)狀態(tài)，持續(xù)觀測(cè)振動(dòng)期間的橋梁行車沖擊系數(shù)、阻尼比、動(dòng)撓度等指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)接近自然應(yīng)力狀態(tài)下的橋梁承載性能與結(jié)構(gòu)受力情況。

3.2 加固方案論證

為了驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)加固方案的可行性，準(zhǔn)確判斷加固后橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況與安全系數(shù)，需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)加固初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全論證。例如，設(shè)計(jì)人員構(gòu)建驗(yàn)算模型，在模型中的橋梁跨中部位增設(shè)一處支點(diǎn)，由該支點(diǎn)承擔(dān)部分的橋梁結(jié)構(gòu)活載重量，觀察增設(shè)支點(diǎn)后的結(jié)構(gòu)最大彎矩、最大剪力、活載產(chǎn)生負(fù)彎矩情況，并檢查跨中與支點(diǎn)部位的強(qiáng)度和截面是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求與橋梁使用需求。最后，根據(jù)論證結(jié)果，對(duì)加固方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如采取頂升措施，在跨中部位設(shè)定一定的向上位移量，以此改善中支點(diǎn)的反力分配情況。

3.3 橋梁加固對(duì)構(gòu)件的影響

根據(jù)實(shí)際施工情況來看，在部分橋梁加固改造工程中，受到所采取加固方法與工藝技術(shù)的限制，對(duì)橋梁原有結(jié)構(gòu)狀態(tài)造成影響，致使部分橋梁構(gòu)件的使用功能發(fā)揮受阻。因此，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)對(duì)橋梁加固方案的原有構(gòu)件使用功能與技術(shù)狀態(tài)造成的影響進(jìn)行分析。通過采取相應(yīng)設(shè)計(jì)措施，消除加固設(shè)計(jì)對(duì)構(gòu)件造成的不利影響。例如，在某橋梁加固工程中，選擇在橋梁跨中部位增設(shè)一處支點(diǎn)，將支點(diǎn)設(shè)定1.0cm的向上位移量，同步觀察梁端支點(diǎn)反力和原設(shè)計(jì)荷載作用下支反力情況，判斷加固設(shè)計(jì)方案是否對(duì)橋臺(tái)墩身、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、蓋梁等部位起到有利影響。加固改造后的橋梁結(jié)構(gòu)完全滿足安全通行要求與工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 橋梁結(jié)構(gòu)加固的安全性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)病害成因分析及處理

在多數(shù)橋梁工程使用期間，受到上部行車荷載、外部環(huán)境與自身結(jié)構(gòu)老化等多方面因素影響，不但橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、承載性能和耐久性會(huì)出現(xiàn)明顯下滑，還將出現(xiàn)拱腳位移、基礎(chǔ)沉降、墩臺(tái)開裂等質(zhì)量通病。如果沒有妥善解決這類質(zhì)量通病，而是直接采取碳纖維粘貼、增大截面等加固方法，將無法為橋梁結(jié)構(gòu)的通車運(yùn)營安全提供有力保障，影響橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際加固效果。

因此，在橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)階段，出于安全角度著想，需要做好前期調(diào)查工作，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況，重點(diǎn)對(duì)病害問題做好防治處理工作。例如，橋梁結(jié)構(gòu)中存在橋面坑槽、開裂、破損質(zhì)量通病，這類通病產(chǎn)生主要原因：橋面持續(xù)受到車輛荷載、溫度變化與雨水侵蝕的影響，使行車道形成坑槽與裂縫，增加了車輛的沖擊力。對(duì)此，在橋梁加固設(shè)計(jì)方案中，需要根據(jù)裂縫寬深度與坑槽面積，采取表面封閉法與內(nèi)部修補(bǔ)法，清除坑槽與裂縫內(nèi)部的松散混凝土和雜物，向其中高壓灌注水泥砂漿，達(dá)到關(guān)閉裂縫、改善橋面防水耐久性能的目的。應(yīng)用表面處理法，清理裂縫與坑槽表面的松散混凝土，均勻涂抹環(huán)氧樹脂等材料，再粘貼碳纖維布即可。

此外，在出現(xiàn)橋頭跳車質(zhì)量通病時(shí)，應(yīng)分析具體的問題成因，如形成伸縮縫引起的接頭沉降、產(chǎn)生過大剛度差引起的沉降跳車、臺(tái)背填土壓縮、天然地基土沉降。然后，在橋梁結(jié)構(gòu)加固方案中，采取相對(duì)應(yīng)的處理措施，如應(yīng)用深層攪拌加固法，使用深層攪拌機(jī)，持續(xù)向軟弱黏性土地基中噴出水泥漿等固結(jié)劑，通過物理化學(xué)反應(yīng)，提高地基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載力，并且改善其水穩(wěn)定性。

4.2 采取臨時(shí)加固措施

為了滿足橋梁工程的實(shí)際使用需求，保障安全運(yùn)營，在橋梁超限運(yùn)輸大型變壓器與通行大件車輛等特殊情況下，在橋梁結(jié)構(gòu)加固方案中采取臨時(shí)性的加固措施，通過所設(shè)置的支撐構(gòu)件，分散橋梁結(jié)構(gòu)的部分荷載，臨時(shí)性強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能。常見的橋梁臨時(shí)性加固方法包括跨越卸載法和豎向支撐法。其中，跨越卸載法是在橋面上鋪設(shè)跨越全橋的木梁或是鋼梁，對(duì)加固梁兩端鋪設(shè)連接跳板進(jìn)行順坡處理，使上部車輛荷載由加固梁承擔(dān)。在制訂跨越卸載加固方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)考慮鋼梁自重荷載、梁跨中撓度與兩端支撐高度的關(guān)系、橋梁下部結(jié)構(gòu)極限承載力等因素。豎向支撐法是將上部結(jié)構(gòu)簡支梁調(diào)整為多點(diǎn)彈性支撐連續(xù)梁，通過設(shè)置中間支撐點(diǎn)與支撐件，改善上部結(jié)構(gòu)控制截面與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在采取臨時(shí)加固措施時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制臨時(shí)支點(diǎn)間距，如果支點(diǎn)間距過大，將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換情況造成不利影響。

4.3 加固前后橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算

為了全面、直觀地反映橋梁結(jié)構(gòu)加固效果，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取有限元分析法，在設(shè)計(jì)信息與工程資料基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真模型，對(duì)加固前后的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)，進(jìn)行對(duì)比分析，主要指標(biāo)包括原有橋梁結(jié)構(gòu)與全新結(jié)構(gòu)的彈性模量、彎曲抗拉極限強(qiáng)度、抗拉極限強(qiáng)度、容重、強(qiáng)度等級(jí)、直接抗剪極限強(qiáng)度等。根據(jù)承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果，判斷橋梁結(jié)構(gòu)中的拱腳等部位的最大、最小軸力和彎矩的受力性質(zhì)，以及加固后的極限狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，橋梁加固改造作為一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，需要全面開展數(shù)據(jù)驗(yàn)算與安全性評(píng)估工作，以制訂切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)加固方案，保證橋梁安全通行。在這一工程背景下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確認(rèn)識(shí)到橋梁結(jié)構(gòu)加固安全設(shè)計(jì)意義，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，確定加固設(shè)計(jì)思路，選擇合理的加固方法與設(shè)計(jì)措施。