高速公路橋梁維修加固技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性研究

摘要 橋梁作為高速公路順暢通行的重要設(shè)施，其設(shè)計、施工、材料老化等因素的影響使橋梁出現(xiàn)各種損傷，進(jìn)而導(dǎo)致交通擁堵甚至引起安全事故，對高速公路橋梁及時進(jìn)行有效的養(yǎng)護(hù)和維修加固是保障其性能的重要措施。該文通過探討高速公路橋梁存在的問題，提出相應(yīng)的加固技術(shù)措施，并結(jié)合實(shí)際案例對高速公路橋梁維修加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明：不同截面積的鋼絞線的抗彎承載能力不同，且成本也有差別，綜合分析承載力和成本，西安市某高速公路橋最終選用2束7-7ФS15.2的鋼絞線進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固。

關(guān)鍵詞 加固技術(shù)；經(jīng)濟(jì)性；體外預(yù)應(yīng)力；抗彎承載力

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0112-03

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁作為高速公路順暢通行的重要設(shè)施，其安全性和穩(wěn)定性直接關(guān)系著高速道路交通的正常運(yùn)行，保障高速公路橋梁發(fā)揮安全穩(wěn)定作用，對于交通運(yùn)輸、生產(chǎn)生活具有極為重要的意義[1]。然而，高速公路橋梁由于設(shè)計、施工、材料老化、自然因素和養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，隨著使用時間的增長，橋梁常常會出現(xiàn)裂縫、凍融、沉降、伸縮縫損壞等各種損傷和病害，導(dǎo)致高速公路橋梁維護(hù)成本的持續(xù)增加和安全性能的逐漸降低。因此，對高速公路橋梁及時進(jìn)行有效的養(yǎng)護(hù)和維修加固對公路安全尤為重要。該文結(jié)合實(shí)際案例對高速公路橋梁維修加固技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入分析，以期為橋梁養(yǎng)護(hù)及維修加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性提供相關(guān)支持。

1 高速公路橋梁常見病害問題

1.1 橋梁表面老化

高速公路橋梁在長期運(yùn)用過程中受到風(fēng)雨等自然因素的侵蝕，很容易出現(xiàn)混凝土裂縫、鋼筋銹蝕、橋面磨損等問題，其中最常見的混凝土裂縫，有受作用力的影響產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性裂縫和由混凝土內(nèi)、外溫度變化產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)性裂縫[2]。這些損傷不僅影響橋梁的美觀性，甚至可能降低橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，從而縮短其使用壽命。

1.2 承載力不足

高速公路橋梁承載力不足是公路橋梁亟待解決的問題。隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸?shù)膲毫υ谥饾u增加，這就對高速公路橋梁的承載能力提出了更高的要求。然而，高速公路橋梁在前期設(shè)計中可能存在計算錯誤、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處理不當(dāng)或未充分考慮未來交通發(fā)展的需求，導(dǎo)致部分橋梁無法滿足實(shí)際使用的承載要求；同時，在施工過程中施工質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，如混凝土澆筑不密實(shí)、鋼筋布置錯誤、保護(hù)層厚度不足等問題，將直接影響橋梁的承載力和耐久性[3]。另外，隨著橋梁使用時間的增加，橋梁使用的混凝土、鋼筋等材料可能會發(fā)生老化現(xiàn)象，從而造成一些橋梁在使用過程中出現(xiàn)承載能力下降的情況。

1.3 基礎(chǔ)的穩(wěn)定性

高速公路橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性降低也是橋梁需要加固的重要原因之一，地基穩(wěn)定性對于橋梁的整體安全性及使用具有重要的意義。然而，由于橋梁基礎(chǔ)受到地質(zhì)條件、施工質(zhì)量及環(huán)境等多種不利因素的影響（如地震、暴雨、洪水、冰雹和強(qiáng)風(fēng)等），會使一些地基出現(xiàn)沉降、變形、滑移等病害。這些病害不僅嚴(yán)重影響橋梁基礎(chǔ)的正常使用，同時也會對橋梁的安全性造成嚴(yán)重影響[4]。

2 高速公路橋梁維修加固措施

2.1 橋梁問題優(yōu)化措施

（1）優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)

針對橋梁表面結(jié)構(gòu)老化問題，可以采用表面修復(fù)、防水層維護(hù)和表面保護(hù)涂層的方法。對于表面脫落和裂縫問題一般采用補(bǔ)漏、修復(fù)材料填充等方法進(jìn)行修補(bǔ)，從而恢復(fù)橋梁表面結(jié)構(gòu)的完整性；表面防水層對橋梁表面結(jié)構(gòu)尤為重要，因此要定期檢測橋梁表面的防水層狀況，及時發(fā)現(xiàn)防水層損壞及老化問題，并對已經(jīng)損壞的防水層及時進(jìn)行修復(fù)；在橋梁表面涂抹適當(dāng)?shù)耐苛?，利用涂層形成額外的保護(hù)層，減少水分和有害物質(zhì)對橋面的損壞，減緩其老化速度；同時，可以采用新型的修補(bǔ)材料、防水材料及保護(hù)層涂料，以此減少橋梁表面結(jié)構(gòu)的老化速度，提高橋梁表面結(jié)構(gòu)的耐久性。

（2）加固梁體結(jié)構(gòu)

解決橋梁承載力不足的問題最有效的措施就是對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。首先應(yīng)對橋梁進(jìn)行全面的檢測和評估，其中檢測加固流程如圖1所示[5]，并依據(jù)實(shí)際檢測情況制定專項加固方案，一般可以通過增設(shè)鋼筋、采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的方法來加固橋梁，這些方法可以增加橋梁的剛度和硬度，進(jìn)而提高其承載能力。此外，還可以采用粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，實(shí)際中需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選用不同的加固方法。

圖1 橋梁檢測加固流程圖

（3）基礎(chǔ)加固

解決基礎(chǔ)穩(wěn)定性差問題最有效的措施就是進(jìn)行橋墩處理和加固。首先應(yīng)對橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行全面的檢測和評估，了解基礎(chǔ)沉降及變形情況，并依據(jù)實(shí)際檢測情況制定專項加固方案，其中橋梁技術(shù)狀況評定等級如表1所示[3]。對于基礎(chǔ)沉降和變形較大的情況，一般采用注漿和地基換填的方法來提高地基的承載力和變形模量。此外，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)監(jiān)測和維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決潛在的安全隱患，以此提高基礎(chǔ)的耐久性。

2.2 高速公路橋梁維修加固措施

（1）體外預(yù)應(yīng)力加固

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是指在橋梁上增加體外預(yù)應(yīng)力鋼束，通過張拉體外預(yù)應(yīng)力，提升原橋梁的預(yù)應(yīng)力儲備能力，并且以此來抵消部分自重和外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)而提高橋梁的承載能力。該方法具有對交通影響小、主動性強(qiáng)、對橋下凈空影響小和承載能力提高顯著的優(yōu)點(diǎn)；但是體外預(yù)應(yīng)力鋼束需要長期暴露在空氣中，沒有混凝土的保護(hù)，且局部應(yīng)力復(fù)雜，易產(chǎn)生局部裂縫等損傷，在長期荷載作用下，容易造成預(yù)應(yīng)力損失。

（2）增大截面法

增大截面法是使用與需要加固的橋梁統(tǒng)一規(guī)格及品種的鋼筋和混凝土，在需要加固橋梁處進(jìn)行植筋澆筑，以此來增加橋梁的截面面積，新增加的面積成為新的受力構(gòu)件，承載自重及內(nèi)力并降低原截面內(nèi)力，進(jìn)而提高橋梁整體的承載能力。該方法結(jié)構(gòu)受力明確，計算簡單，加固后整體橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性都有顯著的提升，同時該方法不影響原有公路橋梁的整體效果；但是對一些大跨徑橋梁受自身重力的影響，如果只是單純地增加橋梁截面，可能其承載能力提升不夠明顯。

（3）粘貼纖維復(fù)合材料法

粘貼纖維復(fù)合材料的原理是指在加固后復(fù)合纖維布、樹脂膠與橋梁的鋼筋混凝土混為一體，共同承載橋梁的應(yīng)力、共同變形等，從而能較大限度地提升橋梁的抗彎及抗震能力。纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、彈性高、不受構(gòu)件形狀限制，能適用各種結(jié)構(gòu)外形；該方法加固是通過粘貼，不需要打孔和螺栓，不會對原有結(jié)構(gòu)造成二次破壞；纖維復(fù)合材料耐久性能好，能很好抵抗酸堿鹽等介質(zhì)的腐蝕，提高外部環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)的損壞，進(jìn)而提高橋梁的耐久性。

3 橋梁加固措施經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 項目概況

選取陜西省西安市某高速公路橋作為研究對象，該高速公路橋梁長184 m，其中主梁設(shè)計為采用C50混凝土澆筑的T形梁，其中軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值、抗拉強(qiáng)度設(shè)計值和彈性模量分別為11.6 MPa、1.25 MPa和2.8×104 N/mm2，橋梁的主筋選用二級鋼，其他使用一級鋼。由于年代久遠(yuǎn)，該橋梁及橋面老化嚴(yán)重，出現(xiàn)了一系列病害問題，如梁體裂縫、伸縮縫損壞等，需要進(jìn)行維修處理。

3.2 橋梁加固措施及經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 橋梁檢測分析

為了確定該橋梁是否需要加固，首先在試驗載荷620 kN下對橋梁的抗擾度進(jìn)行試驗。如圖2所示，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的計算分析，可以得到校驗系數(shù)的變化情況。通過檢測分析得出，該橋梁在試驗載荷下，橋梁抗擾度校驗系數(shù)為0.28～1.56，而國標(biāo)規(guī)定的橋梁抗擾度校驗系數(shù)值小于0.9，表面該橋梁承載力已經(jīng)不滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)行加固維修。

3.2.2 橋梁維修加固經(jīng)濟(jì)性分析

基于檢測結(jié)果，為了保證結(jié)構(gòu)安全，對加固方案進(jìn)行對比分析，該工程采用體外預(yù)應(yīng)力索方法進(jìn)行加固。具體方案如下，首先對橋梁上的裂縫進(jìn)行處理，其中裂縫大于0.2 mm的進(jìn)行注膠，裂縫小于0.2 mm的采用環(huán)氧樹脂封堵；在主梁上增設(shè)ФS15.2 mm的鋼絞線，為確定選用鋼絞線的數(shù)量，設(shè)置四組鋼絞線，具體分類如表2所示。

對上述表格中的鋼絞線分別進(jìn)行抗彎承載力計算，其計算結(jié)果如圖3所示。由圖3數(shù)據(jù)得出，四組鋼絞線采用體外預(yù)應(yīng)力加固后抗彎承載力皆有所提高，且隨著體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積增加，抗彎承載力也逐漸增加；根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求抗彎承載力需增加1 241.8 kNetkioxc3lDRfCJsr2lIBsrH2QnFnx8Vvzk01yrp/99A=·m，通過圖3中的數(shù)據(jù)計算得出只有在鋼絞線截面積為840 mm2時抗彎承載力增加1 280.6 kN·m不符合要求，其余三組皆大于1 241.8 kN·m。同時對四組鋼絞線在跨徑為20 m時進(jìn)行成本分析，分析結(jié)果如圖4所示。通過圖4得出，在鋼絞線截面積為840 mm2時，成本最低僅有2 640元，在鋼絞線截面積為3 920 mm2時，成本最高為1 1120元，且在鋼絞線截面積為1 960 mm2時的成本還低于截面積為1 680 mm2時的成本。結(jié)合圖3和圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比，最終體外預(yù)應(yīng)力加固選用2束7-7ФS15.2的鋼絞線。

4 總結(jié)

該文通過分析高速公路橋梁存在的問題，提出了相應(yīng)的加固技術(shù)措施，根據(jù)實(shí)際橋梁加固案例進(jìn)行分析，并通過實(shí)際數(shù)據(jù)分析得出：

（1）通過對所研究橋梁的抗擾度進(jìn)行試驗，得出在載荷620 kN下橋梁抗擾度校驗系數(shù)為0.28～1.56，試驗得出的橋梁抗擾度校驗系數(shù)大于規(guī)定要求，從而得出該橋梁承載力下降，需要進(jìn)行加固維修。

（2）通過對四組不同鋼絞線的抗彎承載力的分析，抗彎承載力隨著鋼絞線的截面面積增加而增大，除了截面積為840 mm2時抗彎承載力達(dá)不到要求，其余三組符合要求；且經(jīng)過成本對比分析，最終選用2束7-7ФS15.2的鋼絞線進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固，加固方案可滿足性能要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陳海濤，馬遠(yuǎn)剛，呂曹炯，等.既有鐵路橋梁樁基檢測與病害加固處治[J].世界橋梁，2024（2）：120-126.

[2]姜宏維，郭建明.某鋼箱梁懸索橋加固方案設(shè)計與分析[J].公路，2024（3）：710-712．

[3]張峰.大跨徑連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁檢測評估與體外預(yù)應(yīng)力加固研究[D].成都：西華大學(xué)，2022.

[4]于玲，王澤鵬，任成明，等.預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土梁受彎試驗[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報，2024（2）：241-249.

[5]王磊，郭震山，楊國俊.黃土山區(qū)沖溝地形橋梁下部結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評價[J].安全與環(huán)境工程，2022（1）：26-32.