市政橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方法

文/李茜茜

1 前言

當前社會快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對交通運輸?shù)男枨笠哺佣鄻踊?；與此同時，隨著機動車數(shù)量的激增，道路橋梁的工作壓力也快速增加。建設(shè)于10～20年前的很大一部分橋梁結(jié)構(gòu)，由于當時荷載要求、材料性能及施工技術(shù)水平相對較低，在長年高負荷運營下，會出現(xiàn)各類病害，影響耐久性甚至危及橋梁安全，必須進行結(jié)構(gòu)加固。

2 市政橋梁加固設(shè)計思路

市政橋梁加固設(shè)計思路：依據(jù)檢測報告找到結(jié)構(gòu)病害—通過結(jié)構(gòu)計算分析病害成因—分部、分項進行加固設(shè)計。

第一步：發(fā)現(xiàn)病害?！稑蛄簷z測報告》是橋梁加固設(shè)計的依據(jù)，檢測報告內(nèi)容含常規(guī)檢測、結(jié)構(gòu)檢測以及靜載、動載試驗等幾個部分?！稑蛄簷z測報告》通過綜合評定橋梁技術(shù)狀況，確定橋梁的技術(shù)狀況等級；分析和評價病害對承載能力的影響，確定橋梁結(jié)構(gòu)運營的安全性；通過靜載、動荷載試驗檢驗主要構(gòu)件在設(shè)計荷載下的正常使用狀態(tài)及承載極限狀態(tài)。橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系以及整座橋梁結(jié)構(gòu)的完好狀況可按表1進行評估。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)完好狀況評估表

第二步：通過結(jié)構(gòu)計算分析病害原因。關(guān)鍵是收集橋梁竣工資料、現(xiàn)場踏勘調(diào)研，通過建模計算分析，并對比病害形式，確定病害的成因。橋梁病害主要有以下成因：結(jié)構(gòu)長期超載，運營荷載超越橋梁結(jié)構(gòu)原設(shè)計荷載；原結(jié)構(gòu)設(shè)計安全系數(shù)偏低或者部分設(shè)計考慮不周全；原施工技術(shù)條件落后，或施工未完全按施工圖實施，監(jiān)理未及時發(fā)現(xiàn)隱患。

本文以中北橋為例，闡述橋梁加固設(shè)計中病害成因分析的步驟。在橋梁常規(guī)檢測中發(fā)現(xiàn)中北橋橋梁北段支座脫空，支座鋼板部分破壞，橋梁端部箱梁整體移動4～5cm。

該橋建于1996年，采用三跨變截面混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，跨徑布置（20+43+20）m，橋總寬30.6m，設(shè)計荷載為汽-20，掛-100。施工過程邊跨采用滿堂支架現(xiàn)澆，中跨采用掛籃懸澆。因建設(shè)年代久遠無竣工圖，只收集到部分施工過程文字記錄。

根據(jù)施工方法，建立有限元模型計算分析病害原因如下：三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，中跨采用懸澆施工，邊跨采用支架現(xiàn)澆施工，邊跨/中跨=0.465，邊中跨比例偏小，恒載反力邊跨僅為中墩的5%，在荷載影響下，邊跨支座易脫空；據(jù)施工過程文字記錄，邊跨支座采用非常規(guī)施工，即先澆筑箱梁，后安裝支座，給支座帶來脫空隱患；本橋南端是環(huán)城北路交叉口，交通擁堵現(xiàn)象嚴重，西半幅橋面南邊跨及跨中長期處于車輛滿載狀態(tài)，在此工況作用下，北端支座易脫空；北端橋臺未設(shè)置限位擋塊，梁體易產(chǎn)生側(cè)向位移。

第三步：找到病因，需結(jié)合各種邊界條件，如橋梁現(xiàn)狀、新材料特性、施工技術(shù)手段等來確定加固方案。

再次以中北橋為例，闡述加固方案的形成過程。最直接的改善邊跨梁端反力方法是壓重，但壓重會降低邊跨承載能力，且中北橋預(yù)應(yīng)力鋼束布置方式不明，故無實施梁段壓重的可能性。本次設(shè)計思路是：糾正側(cè)向位移—實施側(cè)向擋塊—頂升更換病害支座—梁端設(shè)置抗拔拉桿。具體加固設(shè)計步驟如下：拆除北側(cè)橋臺處伸縮縫，待加固完成恢復(fù)；北橋臺臺帽西側(cè)增設(shè)抗震擋塊，預(yù)留初始空隙8cm；在支座中心線位置設(shè)千斤頂，向西頂推，逐級加載，三幅橋同時頂推4cm；北橋臺臺帽東側(cè)增設(shè)C40 抗震擋塊，預(yù)留初始空隙5cm；北側(cè)橋臺設(shè)千斤頂，三幅橋同時單端頂升0.5cm，支撐鋼墊塊；更換橡膠支座，橡膠支座上鋼板采用環(huán)氧黏鋼膠與梁底緊密貼合，無空隙。

由于前期梁體移位，每處支座空隙高度不同，需精確測量頂升0.5cm 后的空隙高度，以確定支座上下鋼板厚度，保證落梁后各支座均勻受力，最后再安裝臺帽與梁體挑臂根部的抗拔拉桿（圖1）。

圖1 橋梁加固示意圖

3 常見病害問題

3.1 混凝土碳化、鋼筋腐蝕

在市政橋梁加固設(shè)計中，混凝土碳化和內(nèi)部鋼筋腐蝕是最常遇到的病害?；炷撂蓟怯捎谑┕み^程中二氧化碳因為工藝不當大量滲入混凝土，混凝土中含有很多堿性成分，如硅酸鹽，且氧化鈣等成分遇水也會生成堿性物質(zhì)。這些堿性物質(zhì)除少量在混凝土結(jié)構(gòu)空隙中外，大部分都是以結(jié)晶體的狀態(tài)存在。當過多的二氧化碳滲入，與內(nèi)部的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，會使得混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，降低堿性物質(zhì)對鋼筋的保護作用，從而發(fā)生鋼筋腐蝕。鋼筋體積膨脹，削弱混凝土對鋼筋握裹力，承載能力會大幅降低，且周圍的混凝土受擠壓導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，輕則影響美觀，重則影響整體承重能力，易導(dǎo)致嚴重的安全事故[1]。

3.2 裂縫問題

橋梁裂縫也是常見病害之一，其中拱圈裂縫和主梁裂縫更為常見。裂縫出現(xiàn)的位置不同，所帶來的影響也大不相同。裂縫的成因，有些是抗剪，有些是抗彎，還有些是承壓，成因不同，加固的方案也完全不同。長期超載運營、惡劣環(huán)境、化學(xué)反應(yīng)腐蝕等都會使得混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，整體發(fā)生形變，承重不均勻，從而出現(xiàn)裂縫。設(shè)計應(yīng)分析裂縫成因，采用具有針對性、有效性的加固工藝來延長市政橋梁的使用年限，確保其整體質(zhì)量完好[2]。

4 加固改造措施

4.1 裂縫常規(guī)處理方案

4.1.1 對寬度≤0.15mm 的非超限裂縫，用角磨機切割片在裂縫處開“V”型槽，用專用裂縫灌注膠在其表面進行反復(fù)涂抹，使膠料滲進裂縫內(nèi)，封閉彌補裂縫。

4.1.2 寬度＞0.15mm 的裂縫及超限，應(yīng)采用恒壓灌注法對裂縫進行灌注，以達到對裂縫彌補的效果。灌注方法及步驟如下：觀測裂縫—清潔裂縫—預(yù)留并安設(shè)底座—封閉裂縫—注入灌縫膠液—拆除灌漿器—清除表面封縫膠及底座—結(jié)束。

4.1.3 對于超限裂縫需要計算，分析裂縫成因，待裂縫封閉后采用粘貼碳纖維加固或者粘貼鋼板加固。

以紅豐立交橋加固設(shè)計為例，闡述裂縫的加固方案。紅豐立交橋建成于2004年，橋梁全長約420m。上部結(jié)構(gòu)采用20～25m 多跨簡支空心板結(jié)構(gòu)，橋面連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)為排架柱接蓋梁橋墩，普通鋼筋結(jié)構(gòu)蓋梁。根據(jù)《檢測報告》數(shù)據(jù)顯示，所有橋墩蓋梁均存在豎向裂縫，部分超限影響結(jié)構(gòu)安全使用。裂縫的性狀和分布具有共性，裂縫基本出現(xiàn)在正、負彎矩較大的區(qū)域，如蓋梁跨中底部正彎矩區(qū)和立柱對應(yīng)的蓋梁頂部負彎矩區(qū)。其中，蓋梁頂部負彎矩區(qū)裂縫相對較大，并隨著荷載作用而逐漸發(fā)展。采用橋梁程序?qū)ιw梁進行抗彎裂縫驗算，荷載與原設(shè)計荷載一致。

最容易發(fā)生裂縫的位置為柱頂與跨中，計算數(shù)據(jù)顯示，裂縫值基本符合規(guī)范要求，但富余量不足，蓋梁跨中下緣裂縫存在超限的風(fēng)險。隨著城市的發(fā)展，車輛荷載會漸漸超出原設(shè)計荷載，導(dǎo)致裂縫形成。為保證結(jié)構(gòu)的安全使用功能，對其進行加固具有緊迫性。提出如下加固設(shè)計思路：在蓋梁側(cè)面采用壓力注膠粘貼鋼板，增加蓋梁的抗剪能力；在蓋梁底部粘貼三層碳纖維布，提高蓋梁抗彎能力，阻止蓋梁梁底和梁身裂縫進一步擴大。該方案的優(yōu)點在于施工工藝成熟、效果明顯。

4.2 對存在系統(tǒng)風(fēng)險病害的處理

存在系統(tǒng)風(fēng)險的病害：抗傾覆安全系數(shù)不足且橋梁移位；荷載試驗顯示主要構(gòu)件在設(shè)計荷載作用下的正常使用狀態(tài)或承載能力極限狀態(tài)不滿足要求，結(jié)構(gòu)永久變形大于設(shè)計規(guī)范值；基礎(chǔ)沖刷達20%以上；索橋主纜或者吊桿損傷。

存在系統(tǒng)風(fēng)險的橋梁建議立刻評定為危橋且中斷交通。在確定最終加固方案前加強監(jiān)控測試，按系統(tǒng)風(fēng)險不同采用可行可靠的加固方案。

5 結(jié)語

綜上所述，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，交通運量大幅增加，眾多老橋出現(xiàn)較多的病害，特別是超載情況多有發(fā)生，給橋梁結(jié)構(gòu)逐步造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。為保證橋梁正常使用、交通網(wǎng)順暢、節(jié)約社會資金，需要加強對現(xiàn)有橋梁的檢測監(jiān)控，對出現(xiàn)病害的橋梁進行合理、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的加固，確保結(jié)構(gòu)使用的安全性。