梁式桥病害及加固对策

2010-09-06中铁十五局集团有限公司华南公司陈永祥

河南科技 2010年8期

中铁十五局集团有限公司华南公司陈永祥

梁式桥病害及加固对策

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桥梁结构在成桥运营过程中，各构件均会产生损伤和性能指标的退化。梁桥的常见病害主要有伸缩缝损坏、支座失效、梁体裂缝、柱墩裂缝以及跨中挠度过大等。针对不同构件的病害，应采取不同的加固维修对策，从而恢复或提高旧桥承载能力及通行能力，并延长桥梁寿命。

支座伸缩缝加固维修结构刚度

一、引言

桥梁在成桥运营中，由于自然环境和使用环境的变化，结构会产生损伤和性能指标的退化。尤其是许多桥梁超负荷使用，已带来严重的安全隐患。而改造又限于资金的紧缺，只能采取投资较少，施工期短，又能缓解当前运输紧张状态的维修与加固技术措施。因此，在建和在役桥梁的病害防治，包括桥梁的维修加固是现代桥梁所面临的重要课题。

梁桥病害主要有伸缩缝损坏、支座失效、梁体裂缝、柱墩裂缝以及跨中挠度过大等。其中梁体裂缝、柱墩裂缝以及跨中挠度过大等属于结构刚度不足所引起的，其构件加固方法有别于支座、伸缩缝等可更换构件。以下就这几种常见病害及加固维修对策进行分析。

二、支座病害及处治

桥梁支座处于桥梁上、下部构造连接点的重要位置，主要用来将上部结构荷载传递到下部结构，容许上部结构在荷载、温度变化、混凝土收缩徐变等因素作用下自由变形（包括轴向伸缩和转动），使结构的实际受力状况符合设计计算图式，保护梁端、墩台帽不受损伤。支座一旦有所损坏，将直接影响桥梁结构的安全性和耐久性。

支座在使用过程中，由于设计、施工以及材料老化的原因，往往容易发生以下几种病害：①支座脱空、不均匀支撑；②支座变形过大；③橡胶老化、开裂； ④支座移位、偏压等。

对于上述几种支座病害的处理方法，一般均需要更换支座。具体施工方法为：搭设顶升支架，采用特制的超薄型油压千斤顶将梁顶起，横桥向各片梁也应保证同时顶起，具体施工流程如图1所示。

图1 支座更换施工流程

三、伸缩缝病害及处治

由于伸缩缝设置在梁端等构造薄弱部位，直接承受车辆反复动力荷载及冲击作用，同时还承受疲劳、磨损以及化学性和物理性的各种侵蚀。在各种综合作用下，伸缩缝周围的混凝土在频繁冲击作用下容易破损，从而使伸缩缝变形、破坏。

多年的桥梁检测实践表明，桥梁伸缩缝已成为桥梁结构发生病害最为频繁的部件之一，其主要病害有：①伸缩量过大，橡胶条被拉裂或挤出；②橡胶条的老化、脱落；③型钢断裂及锚固混凝土的开裂、破碎；④ 伸缩缝安装标高与两侧路面有差异，引起伸缩缝处跳车；⑤伸缩缝本身变形或锚固筋脱落等造成早期损坏。

伸缩缝的维修及加固处理要视其病害的程度而采取不同的措施：对于橡胶条拉裂、老化或脱落，但其他部位完好的伸缩缝，仅需更换跨缝材料，如毛勒缝、橡胶伸缩缝的橡胶条；对于锚固混凝土的破碎或出现粗长裂缝但伸缩缝型钢及伸缩缝钢筋完好、伸缩缝使用功能未受损害的伸缩缝，则酌情对伸缩缝锚固混凝土重新浇筑；对于伸缩缝型钢或钢筋裸露、变形，而致使伸缩缝使用功能明显受损的伸缩缝，则需要更换整个伸缩缝装置，包括跨缝材料和锚固件。

四、结构刚度不足及加固

由外荷载引起的结构裂缝，以及荷载作用下的变形过大，均预示结构承载能力可能不足或存在严重问题。这种病害在大跨PC箱梁桥里较为突出，主要表现为主跨下挠过大、腹板斜裂缝、底板裂缝等，因此需要对其结构刚度补强。

结构性补强一般通过增大构件截面、粘贴补强材料、改变结构体系等方法来实现，从而改善结构性能，恢复或提高现有桥梁的承载能力，延长其使用年限，适应现代交通运输的要求。

1. 增大截面法

增大截面法是指在原结构截面处，增加受力钢筋，加大混凝土截面尺寸，使其与原结构形成整体，从而增大构件的有效高度和受力钢筋面积，增加构件的刚度，提高桥梁整体承载力。该法主要针对受力钢筋和截面尺寸偏小、设计荷载等级偏低而导致承载力不足的缺陷，适用于梁（板）桥及拱桥拱肋的加固。

但需注意的是，加大构件截面，会使上部结构恒载增加，对原结构及基础承载力有一定影响，主梁成为二次受力的叠合构件。原主梁截面除承担原自重产生的应力外，还承担后期恒载和活载产生的应力，需按二次受力叠合梁进行承载力极限状态和正常使用状态验算。如果桥面铺装也进行加固，则可适当考虑部分铺装层参与受力。

该方法应用范围广，施工工艺简单，并具有成熟的设计和施工经验，能有效增大截面尺寸及截面刚度，但现场作业量大，养护期长，而且自重加大产生的内力增量会消抵部分或全部结构承载能力，而且截面增大还需注意对结构外观和净空的影响。

2. 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固是采用粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉边缘或薄弱部位，使之与结构物形成整体，从而提高梁的承载能力的一种加固方法。钢板固定于受拉混凝土表面可以增加混凝土结构抗弯刚度，使结构挠度减小，限制了裂缝的发展，且受力均匀，不会在混凝土中产生应力集中现象，除此以外，该方法还具有施工简便，快速，不影响结构外形，加固费用低，不减小桥梁净空以及增加荷载不多等优点。不足之处是粘结剂的质量及耐久性是影响加固效果的主要因素。

此种结构除发生强度破坏外，根据所粘贴钢板的范围，粘贴用胶的强度及混凝土与钢筋的粘结力，还可能出现粘结失效破坏和混凝土保护层剥落破坏。因此，必须合理确定所用于加固或维修钢板的厚度、胶体的性能，并从以下3个方面进行分析：

（1）梁仅发生弯曲破坏，即混凝土压碎时，钢板亦屈服。

（2）合理确定接触面应力以避免粘结力失效破坏。

（3）合理确定剪切能力以避免混凝土保护层剥落破坏。

3. 外包钢法

外包钢法加固具有施工简便、受力简单直观（按刚度比分担原结构的荷载）、对施工环境影响小、不显著增大原构件截面尺寸和自重但可以大幅度提高其承载能力等优点，主要适用于提高受压为主构件的承载力、刚度和延度，如桥墩、拱肋、桁架杆件的加固。适用在环境温度：-20～60℃范围内，相对湿度不大于 70%，无化学腐蚀地区。但需对结合面进行处理，并钻埋螺栓孔，对原结构产生了损伤，且钢材需作防腐处理，增加了日后的养护费用。

外包钢法加固可分为干式外包钢和湿式外包钢法加固，外包钢用钢材有型钢、钢板、扁钢和钢管等。

（1）干式外包钢法：当型钢与原柱间无任何联接，或填塞水泥砂浆但仍不能确保结合面剪力有效传递时，称为干式外包钢法。

（2）湿式外包钢法：除钢筋联接外，还以乳胶水泥粘贴或以环氧树脂灌浆等方法粘贴，称为湿式外包钢法。湿式外包钢法除角钢可以分担原结构的荷载，外套扁钢可以对核心混凝土产生约束作用，提高其受压强度，加固效果优于干式外包钢法。

4. 粘贴纤维复合材料

纤维复合材料是高强度的材料，强度通常都达到3000 MPa以上（如碳纤维），可用于抗弯、抗剪、抗压（偏心受压）等构件的加固，一般在混凝土梁式桥、板桥、盖梁的抗弯、抗剪加固中使用较多，还适用于混凝土墩柱的抗压补强、抗震延性补强以及地震破坏后的修复。

纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。碳纤维具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能，以及施工速度快，施工工期短，粘贴质量容易得到保证等优点。采用缠绕粘贴高强复合纤维对轴向受压构件进行加固可以明显地提高柱的承载力，由于高强复合纤维层的约束作用，在纵向力的作用下，混凝土处于三向受压状态，可以较大幅度地提高结构的抗压承载力。

值得注意的是，纤维复合材料的弹性模量相对其强度来说却小得多，常用的一般为230 GPa，高弹性模量也不过380~640 GPa。要发挥较大的强度，纤维复合材料需要相当大的变形。当与钢筋共同工作，钢筋完全发挥强度时碳纤维才发挥出不到20%的强度，难以高效抑制结构的变形与裂缝的扩展。

因此，采用粘贴高强复合纤维加固，对结构的刚度提高不大，对于以控制结构变形为主要目的的使用功能加固是不适宜的。在加固设计时，不能简单地将碳纤维作为钢筋的替代物，必须考虑碳纤维片材的受力特点。

5. 改变结构受力体系

改变结构体系加固常使用的方法有：简支变连续、梁桥转换为梁拱组合体系或矮塔斜拉桥法、增加辅助墩法等。

（1）体外预应力加固：把具有防腐保护的预应力筋布置在梁体的外部（或箱内），对梁体施加预加力，靠后增设的转向装置调整体外预应力筋的方向，以适应内力沿梁长方向的变化，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，达到提高承载力的目的。

（2）简支变连续法：将两跨及两跨以上的简支梁的梁端连起来，使受力体系由原来的简支转换连续，减小跨中正弯矩，提高结构的承载力。

（3）梁桥转换为梁拱组合体系法：在原梁下设置拱肋，拱肋上设立柱及盖梁来支撑原简支梁，减小梁的跨进和及荷载作用下的跨中弯矩，但原桥墩台地基应力及稳定性必须满足要求才能适用该加固方法。