市政道路橋梁加固設(shè)計(jì)方法研究

紀(jì)丹琳、任健

（上饒市宏優(yōu)公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，江西 上饒334000）

0 引言

作為市政道路的重要組成部分，橋梁在增強(qiáng)道路通行能力方面，具有十分重要的作用與意義，但橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受行車(chē)與環(huán)境等外界因素的影響，難免發(fā)生部分結(jié)構(gòu)失效等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)將威脅行車(chē)安全，甚至造成倒塌事故。這就需要在實(shí)際工作中高度重視橋梁加固工作，一方面要做好橋梁現(xiàn)狀檢測(cè)，確定橋梁各結(jié)構(gòu)體系的承載力狀態(tài)，進(jìn)而明確是否需要進(jìn)行加固，另一方面則要對(duì)需要進(jìn)行加固的部位，根據(jù)其實(shí)際情況并結(jié)合現(xiàn)有條件編制合理可行的加固方案，同時(shí)在施工中嚴(yán)格執(zhí)行，這樣才能起到應(yīng)有的加固效果，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命。

1 橋梁加固設(shè)計(jì)原則

任何建筑的生命周期都是有限的，市政道路橋梁自然也不例外。橋梁從建成到投入使用，如果期間沒(méi)有對(duì)維修和養(yǎng)護(hù)引起足夠的重視，將縮短橋梁自身使用壽命。對(duì)橋梁使用壽命有較大影響的因素主要包括下列幾點(diǎn)：一是由于超載等外界原因?qū)е聵蛎嫦祷蛑髁旱炔糠之a(chǎn)生裂縫或跨中下?lián)?；二是橋梁修建年代久遠(yuǎn)，所用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)較低，鋼筋配置數(shù)量不足，缺乏足夠的安全儲(chǔ)備，無(wú)法適應(yīng)不斷提高的交通需要；三是部分主要道路的橋梁結(jié)構(gòu)自身承載力不足等。

如果對(duì)存在以上問(wèn)題的橋梁均進(jìn)行拆除重建，不僅需要很多資金，而且建設(shè)周期很長(zhǎng)，對(duì)現(xiàn)有道路的正常使用會(huì)造成極大影響。有針對(duì)性和目的性地實(shí)施維修和加固，使橋梁結(jié)構(gòu)承載力與整體通行能力得以恢復(fù)，則能起到延長(zhǎng)橋梁使用壽命的作用，在滿(mǎn)足交通運(yùn)輸要求的基礎(chǔ)上，減少投資，發(fā)揮理想的綜合效益。

在橋梁加固設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守以下各項(xiàng)基本原則：

首先，要對(duì)亟待加固的橋梁進(jìn)行技術(shù)狀況綜合評(píng)定與承載能力鑒定，由此確定完成加固后能否達(dá)到安全目標(biāo)或是否可以正常使用，之后才可以進(jìn)行加固，具體的加固內(nèi)容與范圍需要以評(píng)定結(jié)果與使用要求為依據(jù)確定。其次，在橋梁加固過(guò)程中，應(yīng)盡量避免對(duì)原結(jié)構(gòu)造成損傷，并盡可能減少拆除或更換，杜絕在加固過(guò)程中導(dǎo)致新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷或病害問(wèn)題。最后，對(duì)于抗震方面有較高要求的橋梁，還需要在加固設(shè)計(jì)過(guò)程中做好抗震能力驗(yàn)算。

2 橋梁現(xiàn)狀

該橋梁上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支T 梁，已建成20 余年，建成后第10 年，為了增設(shè)3.5m 寬人行道，實(shí)施過(guò)一次專(zhuān)門(mén)的加寬設(shè)計(jì)。該橋梁所在路段為雙車(chē)道，為二級(jí)公路。為滿(mǎn)足改造要求，需將該橋梁所在道路技術(shù)等級(jí)從二級(jí)提高為一級(jí)，車(chē)道數(shù)量從兩條增加到三條。加寬前橋梁寬度為10m，梁高為0.85m，加寬后橋梁寬度變?yōu)?3.5m，其中，行車(chē)道的寬度為11.0m，兩側(cè)護(hù)欄與人行道寬度分別為1.0m 和1.5m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土橋臺(tái)與柱式墩。橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)為瀝青混凝土面板，相鄰兩個(gè)橋臺(tái)之間設(shè)有無(wú)縫式伸縮縫。

委托專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)該橋梁實(shí)施全面檢測(cè)，多處發(fā)現(xiàn)裂縫，包括橋面、主梁、蓋梁與墩柱，還有部分支座發(fā)生脫空。按照養(yǎng)護(hù)規(guī)范提出的相關(guān)規(guī)定，該橋梁綜合評(píng)定結(jié)果為B 級(jí)。在加載工況條件下，所有測(cè)點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)結(jié)果都比理論計(jì)算值小，校驗(yàn)系數(shù)為0.26～0.91，不同工況條件下跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果為0.33～0.83，不同工況條件下梁體結(jié)構(gòu)相對(duì)殘余應(yīng)變均比規(guī)范要求值小20%，與跨中相距5m位置的截面，其主梁抗彎荷載效應(yīng)和抗力效應(yīng)之比達(dá)到1.05 以上，即主梁自身抗彎承載能力已經(jīng)無(wú)法達(dá)到要求，亟須進(jìn)行有效的加固處理。

3 橋梁加固設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果，針對(duì)以下三種不同的工況對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)算分析：

工況一：原橋梁結(jié)構(gòu)，即5 片主梁，梁高為0.85m；

工況二：保留原T 梁，按原有主梁將橋面系拆除，采用橋面植筋的方法增設(shè)混凝土層，使梁高從0.85m變?yōu)?.00m，最后將橋面鋪裝層恢復(fù)；

工況三：保留原T 梁，按原有主梁將橋面系拆除，然后對(duì)梁之間的距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，增設(shè)1 片主梁，采用在橋面進(jìn)行植筋的方法增設(shè)混凝土層，使梁高從0.85m 變?yōu)?.00m，最后將橋面鋪裝層恢復(fù)。

在工況一條件下，中梁和邊梁自身抗彎承載能力都無(wú)法適應(yīng)設(shè)計(jì)要求，中梁自身抗彎承載力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的98%，但邊梁自身抗彎承載力只有設(shè)計(jì)要求的79%；在工況二條件下，中梁自身抗彎承載力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的112%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但邊梁自身抗彎承載力只有設(shè)計(jì)要求的90%，無(wú)法滿(mǎn)足要求。在正常使用極限條件下，中梁產(chǎn)生寬度為0.26mm 的裂縫，超出規(guī)范提出的不大于0.2mm 的極限范圍；在工況三條件下，中梁自身抗彎承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求的122%，可以達(dá)到要求，但邊梁自身抗彎承載力只有設(shè)計(jì)要求的99%，無(wú)法達(dá)到要求，在正常使用極限條件下，中梁產(chǎn)生寬度為0.23mm 的裂縫，超出規(guī)范提出的不大于0.2mm 的極限范圍。

以上三種工況都按照保留原T 梁進(jìn)行考慮，若不改變梁距，將難以滿(mǎn)足承載力要求，若按照規(guī)范要求將梁距改成6 片進(jìn)行加固，則邊梁自身抗彎承載力將無(wú)法達(dá)到要求，雖然從理論角度講可以通過(guò)在底面增加鋼筋來(lái)改善結(jié)構(gòu)自身抗彎承載力，但依舊會(huì)產(chǎn)生超出標(biāo)準(zhǔn)要求的裂縫。在結(jié)構(gòu)的綜合檢測(cè)報(bào)告中，無(wú)論是根據(jù)主梁的實(shí)際狀況，還是考慮施工可靠度，或遠(yuǎn)期橋梁運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)耐久性，都不建議利用原有的主梁。該橋梁的加固設(shè)計(jì)需按照將普通T 梁拆除后，采用新梁的要求實(shí)施。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

3.2.1 蓋梁

對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析與計(jì)算，在正常使用極限條件下，原有蓋梁結(jié)構(gòu)自身抗彎承載力與抗剪承載力都無(wú)法達(dá)到提級(jí)后的要求，若按照提級(jí)后的荷載水平進(jìn)行計(jì)算，蓋梁截面將產(chǎn)生寬度為0.23mm 的裂縫，超出規(guī)范提出的不大于0.2mm 的極限范圍，無(wú)法適應(yīng)規(guī)范要求，需要對(duì)蓋梁實(shí)施有效的加固設(shè)計(jì)。蓋梁的加固方法為增大截面法，即在蓋梁的兩側(cè)和底面分別增加30cm。通過(guò)計(jì)算，加固完成后蓋梁結(jié)構(gòu)截面產(chǎn)生的裂縫寬度不超過(guò)0.17mm，可滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求。

3.2.2 墩柱

按照橋梁工程抗震設(shè)計(jì)相關(guān)要求，該橋梁的抗震設(shè)防類(lèi)別屬于B 類(lèi)，需考慮E1 與E2 兩種地震作用條件下的抗震設(shè)計(jì)。橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能綜合評(píng)估需要以地震作用下不同構(gòu)件自身抗震能力和需求為依據(jù)進(jìn)行，要求抗震能力和地震需求之比不小于1，否則說(shuō)明橋梁構(gòu)件自身抗震能力無(wú)法達(dá)到要求。

對(duì)墩柱結(jié)構(gòu)實(shí)施抗震驗(yàn)算，可得出不同方向地震力彎矩結(jié)果：墩柱縱向地震力彎矩為392kN·m，橫向地震力彎矩為1070kN·m，截面的承載能力為1400kN·m，滿(mǎn)足要求；樁基縱向地震力彎矩為570kN·m，橫向地震力彎矩為220kN·m，截面的承載能力為850kN·m，滿(mǎn)足要求。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，受地震力作用后，結(jié)構(gòu)自身抗震能力和地震需求的比值可達(dá)到1 以上，橋梁墩柱結(jié)構(gòu)自身承載能力可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

裂縫修補(bǔ)需根據(jù)其寬度確定適宜的方法，如表面封閉與灌漿法等。 其中，表面封閉適合寬度在0.15mm 以?xún)?nèi)的裂縫；灌漿法分為自動(dòng)低壓滲注與壓力灌注兩種，前者適用于數(shù)量相對(duì)較多，寬度范圍在0.10～0.15mm 內(nèi)的裂縫，而后者適用于深度相對(duì)較大，寬度達(dá)到0.15mm 以上的裂縫。經(jīng)檢查可知該橋梁墩柱上存在環(huán)向裂縫，其最大寬度為0.22mm，為徹底封閉裂縫，同時(shí)提高墩柱單位截面有效承載力，設(shè)計(jì)決定采用灌注的方法，灌注材料為環(huán)氧樹(shù)脂，必要時(shí)在墩柱外部增設(shè)鋼板，進(jìn)一步提高墩柱結(jié)構(gòu)承載力。

3.2.3 樁基

樁基承載力計(jì)算結(jié)果為：?jiǎn)螛冻休d力容許值為3162kN，采用新建T 梁進(jìn)行加固時(shí)，單樁荷載為2084kN，原有樁基的單樁承載力可以達(dá)到加固完成后的荷載要求，所以無(wú)須進(jìn)行加固處理。

通過(guò)對(duì)各部分進(jìn)行的計(jì)算與分析，對(duì)該橋梁的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除與更換，對(duì)下部結(jié)構(gòu)的橋臺(tái)、蓋梁與墩柱實(shí)施加固處理，加寬部位的上、下結(jié)構(gòu)都采用新建的方式，新、舊橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的連接部位采用濕接縫，對(duì)橋面系進(jìn)行整體鋪裝施工。

4 加固設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在橋梁加固設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系根據(jù)其實(shí)際狀況確定適宜的加固方案，還要充分考慮以下兩方面注意事項(xiàng)：

一方面，采用增大截面法進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面要點(diǎn)：增大截面加固法實(shí)際上是通過(guò)適當(dāng)增加構(gòu)件自身截面積或配筋起到提高構(gòu)件自身強(qiáng)度與剛度，并保證穩(wěn)定性的作用，從而減少或避免裂縫的產(chǎn)生。該加固方法有很強(qiáng)的適用性，可用于多種類(lèi)型的橋梁和橋梁上的不同部位。該加固方法具體可分成以下三類(lèi)：其一，將增加混凝土構(gòu)件受力面積作為根本目的的加固；其二，將增加受力鋼筋作為根本目的的加固；其三，將增加混凝土構(gòu)件受力面積和增加受力鋼筋結(jié)合到一起有目的地加固。

考慮到混凝土構(gòu)件有良好的抗壓性能，以上第一類(lèi)加固需將受壓區(qū)作為主要加固部位，第二類(lèi)加固則需要將受拉和受剪區(qū)作為主要加固部位。因既有橋梁的混凝土構(gòu)件已經(jīng)完成收縮徐變，所以要對(duì)新增加的混凝土可能產(chǎn)生的收縮徐變引起足夠的重視。應(yīng)對(duì)外包材料與加載齡期進(jìn)行嚴(yán)格控制，要求新包材料強(qiáng)度等級(jí)不低于原構(gòu)件。另外，為防止?jié)仓^(guò)程中產(chǎn)生孔洞等質(zhì)量缺陷和問(wèn)題，在條件允許的情況下可使用具有自密實(shí)特性的混凝土。在外包部分增加受力鋼筋也能起到減小徐變及其影響的作用。

另一方面，在橋梁拓寬過(guò)程中，新、舊橋梁之間的拼接主要有下列幾種方法：

第一，上、下部構(gòu)造都不進(jìn)行連接，只在新、舊橋梁之間設(shè)置工作縫，但橋面系通過(guò)連續(xù)攤鋪成型。該拼接方式主要存在以下幾個(gè)方面缺點(diǎn)：受活載持續(xù)作用后新、舊橋主梁產(chǎn)生的撓度變形和后期沉降無(wú)法達(dá)到一致，可能導(dǎo)致連接處瀝青鋪裝層產(chǎn)生破壞，沿橫橋向產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，或沿縱向產(chǎn)生裂縫，對(duì)橋梁行車(chē)舒適性及橋面整體外觀造成不利影響，使后期養(yǎng)護(hù)工作量大幅增加。

第二，在新、舊橋梁間采用橫向植筋與濕接縫相結(jié)合的方法進(jìn)行連接。該拼接方法的主要優(yōu)勢(shì)在于能使新、舊橋梁形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)共同受力。但該方式也存在一些缺點(diǎn)，如新橋基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降通常比舊橋略大，舊橋基礎(chǔ)往往承擔(dān)很大沿豎向分布的附加作用力，導(dǎo)致蓋梁和橋臺(tái)相連的部位容易開(kāi)裂。另外，橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的連接部位也可能產(chǎn)生開(kāi)裂，對(duì)正常使用造成不利影響，而且維修難度較高，整體美觀性較差。該方法主要在箱梁橋與簡(jiǎn)支T 梁橋中使用。

第三，將新、舊橋梁的基礎(chǔ)部分分離，對(duì)上部結(jié)構(gòu)采用植筋的方法實(shí)現(xiàn)剛接或鉸接，然后澆筑濕接縫混凝土，在橋面設(shè)置連續(xù)分布的加密鋼筋網(wǎng)，濕接縫的混凝土澆筑完成后，即可形成連續(xù)分布的橋面。該方法主要優(yōu)勢(shì)為：下部受力不會(huì)相互影響，上部結(jié)構(gòu)之間的連接不會(huì)對(duì)下部結(jié)構(gòu)正常受力造成太大影響。但也存在一些缺陷，如因新、舊橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降不均勻，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)之間的連接構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較大，需采取有效措施嚴(yán)格控制新橋基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降。對(duì)于加寬的部分，可通過(guò)適當(dāng)增加延長(zhǎng)或?qū)ι喜科唇訒r(shí)間予以嚴(yán)格控制來(lái)減少基礎(chǔ)發(fā)生的沉降。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)之間相連部位的受力，可通過(guò)改善這一部位的構(gòu)造來(lái)解決，如適當(dāng)增加配筋等。

該橋梁主要采用第三種方法，即將新、舊橋梁的基礎(chǔ)部分完全分離，采用濕接縫的方法連接上部結(jié)構(gòu)，并在橋面增設(shè)冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)，最后整體澆筑形成連續(xù)分布的橋面鋪裝層。實(shí)踐表明，該方法合理可行，能有效解決新、舊結(jié)構(gòu)之間的連接問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，伴隨城市道路路網(wǎng)不斷完善和技術(shù)等級(jí)不斷提高，很多道路橋梁都面臨維修和加固的問(wèn)題。根據(jù)該橋梁實(shí)際情況，對(duì)其加固設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入分析，提出橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和加固方法，旨在為實(shí)際橋梁加固工程提供技術(shù)參考，提高橋梁加固設(shè)計(jì)技術(shù)水平。