浅谈梁桥上部结构加固设计

赵 磊

(黑龙江省隆兴公路勘测设计公司)

0 前 言

由于桥梁的设计、施工质量、使用寿命、通行的超限车辆以及自然环境变化等外界因素,已使部分旧桥涵产生了病害,影响了其使用功能。因此,需对原有桥梁、通道、涵洞调查,对其病害和使用状况进行综合评价。

1 一般梁桥上部的病害情况

梁桥的主梁有Ⅰ型梁、T型梁、组合式梁、空心板、实心板等五种形式。据统计,一般公路梁桥上部构造常出现的病害有:桥面铺装磨损、栏杆损坏、桥头跳车、梁板开裂、露筋、梁板变形、移位等。

2 桥梁维修加固方法的选用原则

(1)桥梁加固是一种借加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力或通过能力的措施。因此桥梁加固工作一般以不更改原建筑形式为原则,只有在复杂的情况下,才更改其结构。

(2)桥梁维修、加固应根据旧桥的实际情况、承载能力的减弱程度以及今后的任务而变。

目前,国内外桥梁普遍采用维修、加固的种类如下。

①对原结构施加外应力(如预应力),以改变原结构的受力形式,达到高桥梁刚度和强度。

②改变原结构的受力体系,使原结构减少受力。

③扩大或增加原结构构件截面,以提高原结构的强度和刚度。

④以新的结构代替抵抗应力不足的旧结构。

3 主要维修加固形式的设计原理

(1)增大截面和钢筋加固法:当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时,通常采用增大构件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。这种方法是在梁底面或侧面加大尺寸,增配主筋,提高梁的有效高度和抗弯强度,从而提高桥梁的承载力。

(2)体外预应力加固法:在需加固梁体的外部(梁底与两侧)设置钢筋或钢丝束,并施加预应力,预应力拉杆与原桥的钢筋混凝土梁或板等构件将组成一个整体并共同受力工作改善桥梁的受力状况,达到提高桥梁承载力的目的。

(3)纤维布粘贴法:采用纤维布加固桥梁结构能最小程度地改变原有结构的应力分布,保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。而且将抗拉性能优良的纤维布用粘结材料粘贴到梁体底面或箱梁内壁上,使其与原结构一起参与受力,即纤维布可以与原结构内布置的钢筋一道共同承受拉力,以提高需加固桥梁的承载能力。沿桥梁的主拉应力方向(或与裂缝正交方向)粘贴纤维布,两端分别设置锚固端,可约束混凝土表面裂纹、防止裂纹再扩展,从而达到提高构件抗弯刚度、减少构件挠度、改善梁体受力状态(变形性能、变形能力)的目的。

(4)桥面补强层加固法:在旧梁板顶上加铺一层钢筋混凝土层,使其与原有主梁形成一个整体。当外力作用到一定程度,新、旧混凝土界面的内部结合力被抵消,新增的桥面加强层与原桥面理论上分离,产生相对位移趋势,此时植筋受拉力和剪力产生的弯矩作用,作用值的大小依赖于界面的粗糙度。如果界面粗糙度足够,则产生附加的混凝土层间的内连锁作用(包括摩擦力和内部结合力),起到部分抵消外部剪力的功效;同时由于梁体截面高度、配筋率的增加,提高主梁有效高度和抗压截面强度、抗弯能力,改善桥梁荷载横向分布能力,从而达到提高桥梁的承载能力的目的。

4 加固设计的要求及要点

(1)纤维布补强加固的适用范围较广,常用于斜、弯、坡及异型结构桥梁的结构外形进行补强加固设计,特别是当箱梁内部的作业空间受到限制、桥梁结构重量及桥下净空有严格要求的情况。纤维布补强加固能有效地封闭混凝土的裂缝,也不影响加固桥梁结构的外观。采用纤维布加固桥梁时,因为纤维布加固混凝土构件主要依靠纤维布与构件表面的粘贴效率,所以要求被加固构件应具有完好的保护层,即基面平整且具有一定强度。

纤维布加固混凝土构件,应根据实际情况合理设计纤维布用量,避免构件在脆性状态下产生破坏,而且纤维用量过多,构件延性将有所降低。一般应按纤维抗拉强度的 2/3进行抗弯承载力计算。

(2)体外预应力法一般用于加固梁式桥较多,通常包括简支梁(T形型梁、少筋微弯板组合梁、n形梁及板梁等)、悬臂梁和连续梁等,实际上亦是改变了梁体原有受力体系的加固方法。所以,根据加固不同的对象分为预应力拉杆加固和预应力撑杆加固。其中,预应力拉杆加固主要用于受弯构件;而预应力撑杆加固法适用于提高轴心受压以及偏心受压钢筋混凝土柱的承载力,如排架桩式桥墩、桥台以及拱桥的柱式腹拱墩等。设计时要根据加力方式、构件状况估计预应力的损失值,预应力的损失值可在具备一定经验和资料时依据计算确定。

根据被加固结构受力要求不同,预应力拉杆加固法又分为三种:水平拉杆、下撑式拉杆和组合式拉杆。

水平拉杆适用于正截面受弯承载力不足的加固,同时,可减小梁的挠度,缩小原构件的裂缝宽度;下撑式拉杆适用于斜截面受剪承载力、正截面受弯承载力均不足的受弯构件加固,同时又可减小梁的挠度,缩小原构件的裂缝宽度;组合式拉杆一般用两根水平拉杆,两根下撑式拉杆,适用于正截面受弯承载力严重不足而斜截面受剪承载力略为不足的加固,同时亦可减小受弯构件的挠度、缩小裂缝的宽度。

(3)增大构件截面和配筋加固法广泛用于桥梁及拱桥拱肋的加固。对于板梁桥,设计主要考虑增设板梁底面的加强主筋和截面;对于 T形梁桥除考虑增设梁底主筋和截面外,还须考虑设置套箍;对中等跨径多跨连续箱梁桥,主要是在箱内浇筑混凝土加厚腹板并配体内弯束进行加固。

增大截面和配筋对抗拉强度不足的简支梁桥进行加固时,可在梁底部(受拉区)或侧面增配补强主筋,或在腹板上增设补强箍筋,然后喷涂或浇筑混凝土,从而使梁的抗弯截面增大,以提高梁的承载力;对有主梁下挠和腹板开裂等主要病害的中等跨径连续预应力混凝土箱梁桥加固时,可在维持通车情况下在箱内浇筑大批量混凝土配合体内束,使整体刚度增强,挠曲线和应力情况能达到设计预期要求。

采用外包混凝土加固旧桥,其承载力计算受到原构件应力应变的影响,不能简单地作为整体截面,采用有关公式计算。在加固计算中,首先应确定加固前构件的实际应力、应变情况,并考虑新旧混凝土的协同工作的程度,然后进行合理的计算。

(4)采用桥面补强层加固法的设计计算前提关键是:补强层与旧桥面(梁板面)结合程度是否良好,能否成为一个牢固的整体。计算厚度时,可计入扣除磨耗层(2 cm)后的水泥混凝土铺装层的厚度。

5 结 语

桥梁加固的方法一般是较新的工艺,不论采用何种维修加固方案,都要考虑投资少、工效快、不中断交通、技术上可行、有较好的耐久性等方面的要求。

[1] 陈开利,王邦楣,林亚超.桥梁工程鉴定与加固手册[M].人民交通出版社.

[2] 侯发亮.建筑结构粘贴加固的理论与实践[M].武汉大学出版社.

[3] 李世华.道路桥梁维修技术手册[M].中国建筑工业出版社.