公路桥梁加固原因分析与措施

2012-04-16杨茂军

城市建设理论研究 2012年4期

杨茂军

摘要：本文分析了现有公路桥梁需要加固的原因、并对它加固的方法进行了论述，有利恢复和提高桥梁的承载能力。

关键词：公路桥梁；原因分析；加固措施

Abstract: This paper analyzes the reasons of the existing roads and bridges need to be reinforced, and the reinforcement methods were discussed, favorable to restore and improve the carrying capacity of the bridge.Key words: roads and bridges; cause analysis; reinforcement measures

中图分类号：[U24] 文献标识码： A 文章编号：

引言

现有公路桥梁中有一部分因修建年代久远、质量低、病害严重的老橋，或因设计、施工以及使用上的种种原因存在不同损伤的桥梁，承载能力偏低，已不能维持正常使用，因而需采取限重、限速通行措施，甚至不得不关闭旧危桥梁进行加固处理。所以采取有效的加固改造措施，恢复和提高这些桥梁的承载能力。

1桥梁需要加固的原因

1.1 旧桥梁原有的设计标准低，不能满足发展了的车辆通行要求。

1.2 由于设计及施工的缺陷以及各种不利作用(如碳化、氯离子侵入、酸侵蚀、碱集料反应、冻融、盐害等)使得桥梁结构的混凝土及钢筋腐蚀严重。

1.3 桥梁的使用年限长，接近其使用寿命。我国在20世纪60～70年代修建的桥梁，大部分仍服役，由于年久失修、失养，已不适应交通量日益增长的需要。

1.4 外界不利荷载的影响使得桥梁结构安全性下降。在我国，造成此种情况的最大原因是在路上行驶的货车大多数超载、超限行驶，致使20%以上的桥梁出现安全隐患。

1.5 新建桥梁由于勘察、设计及施工的问题而无法满足使用要求以及新桥的使用功能发生改变，也是桥梁需要加固的重要原因。

2常用的桥梁补强加固方法

2.1 加大截面加固法。

该法是在原结构基础上再浇筑一定厚度的钢筋混凝土，这是对钢筋混凝土桥加固的一种常用的改造技术。加大截面加固法一般采用2种方式：一种是加厚桥面板；另一种是加大主梁梁肋的高度和宽度。该法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验，适用于较小跨径的T梁桥或板桥的加固。采用此法加固后桥梁刚度明显提高，承载能力也能取得较好的效果。但现场施工的湿作业时间长，对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小。

2.2 粘贴钢板加固法。

该法是以树脂粘接钢板与混凝土的结构加固法，其施工快速、现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业，对生产和生活影响小，且加固后对原结构外观和原有净空无显著影响。但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平，适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。

2.3 粘贴碳纤维增强塑料加固法。

该法采用专门的树脂将碳纤维粘贴于混凝土结构受拉表面，碳纤维与原结构形成新的受力整体，碳纤维与钢筋共同承受荷载，降低了钢筋应力，从而使结构达到了加固和补强效果。其主要特点是：几乎不增加结构自重和截面尺寸，不改变净空高度，施工方便，对原结构几乎不会造成新的损伤，具有良好的耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能，根据受力分析可进行多层粘贴进行补强，其方向性也可以灵活掌握。该方法的缺点是弹性模量与强度比值过低;环氧树脂在温度大于60℃时会呈现软化现象，而桥梁一般受到阳光直射，桥面温度大于60℃的可能性很大，不利于采用树脂胶作粘贴剂。

2.4 体外预应力加固法。

该法是指对布置于承载结构主体之外的钢束张拉而产生预应力的后张法。体外预应力体系由体外预应力孔管、浆体、锚固体系和转向块等部件组成。体外预应力技术能大大缩短施工工期，能降低被加固构件的应力水平，不仅使加固效果好，而且还能较大幅度地提高结构整体承载力，但加固后对原结构外观有一定影响。适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的混凝土构件的加固。但在无防护的情况下，不能用于温度在60℃以上环境中，也不宜用于混凝土收缩徐变大的结构。

2.5 喷混凝土加固法。

该法是在原有结构上喷涂一层高品质的混凝土，以恢复对钢筋的保护，提高已剥离或变质的混凝土强度，提供美观表面的功能，是目前常用的维修加固方法。

2.6 置换混凝土加固法。

该法的优点与加大截面法相近，且加固后不影响建筑物的净空，但同样存在施工的湿作业时间长的缺点。适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。

2.7 有粘结外包型钢加固法。

该法也称湿式外包钢加固法，特点是受力可靠、施工简便、现场工作量较小，但用钢量较大，且不宜在无防护的情况下用于60℃以上的高温场所。适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。

2.8 锚栓锚固法。

该法适用于混凝土强度等级为C20～C60的混凝土承重结构的改造、加固，不适用于已严重风化的上述结构及轻质结构。

2.9增加支承加固法。

该法简单可靠，但易损害建筑物的原貌和使用功能，并可能减小使用空间。适用于具体条件许可的混凝土结构加固。

2.10绕丝法。

该法的优缺点与加大截面法相近。适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足的加固，或需对受压构件施加横向约束力的场合。

3桥梁加固方法选用原则

桥梁加固的方法如前所述有多种，对于具体的工程如何选用，应依照以下的原则：

3.1采用加固方案之前，须先考虑耗费少、功效快、不中断交通、技术上可行、有较好耐久性等方面的要求。

3.2补强加固是通过加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力的措施。因此桥梁加固工作一般以不更改原结构形式为原则，在兼顾经济性的前提下，只有在较复杂的情况下，才可考虑更改结构形式。如果采用补强加固的方式仍不能达到交通运输要求，则必须考虑进行重建桥梁的部分或全部。

3.3 选择桥梁加固方式时，必须考虑旧桥现状、承载能力减弱的程度以及日后交通量，最好参考已经成功完成补强加固的桥梁的施工。

3.4采用扩大或增加桥梁构件断面的方法进行加固前，应考虑增加部分与原有部件的结合效果。

4桥梁安全评估及加固准则

对桥梁进行加固前，首先要对桥梁的劣化与受损情况进行全面检测，依据受损现状进行安全性评估，确定结构物实际承载能力，判断损伤是否对桥梁承载力和耐久性构成威胁。承载力表示结构承受设计荷载的能力，耐久性是指结构的设计寿命。应详细评估其结构现有强度是否能够承受实际荷载，以判定桥梁承载能力的安全性。而在耐久性方面，应综合考虑结构损伤、材质劣化、施工缺陷等状况与周围环境条件，合理判断结构的使用寿命。除了探索桥梁维护加固补强的施工工艺与技术之外，研究桥梁检测与安全性评估方法，建立有效的桥梁检测与预警系统，都是桥梁加固工程中的重要内容。

4. 1桥梁安全评估

我国目前主要采用检测与计算相结合的方法对桥梁安全的承载力进行评定。用计算方法对桥梁安全的承载力进行评定的过程如下：

(1) 用实际尺寸计算截面的承载力；

(2) 计算实际恒载，从截面承载力中减去实际恒载；

(3) 按设计要求计算实际活载；

(4) 按下式计算评定系数：

(1)

式中，为结构抗力；为恒载组合设计值；为活载组合设计值。

4. 2加固准则

桥梁加固准则的执行和桥梁加固是一项严密的系统工程，其包括2大块内容：

一是原始基本数据的收集，包括原桥的构造尺寸、材料的实际强度、承重结构破损率及实际断面尺寸等一系列参数，原桥基本数据的收集正确与否直接影响整项加固工程；

二是加固3准则的严格执行，这3个加固准则是“恒载应力”准则、“组合应力”准则、“极限承载力”准则。下面以拱桥加固为例，对加固3准则进行说明。

(1) “恒载应力”准则。即桥梁在加固前或拟定截面加固后在恒载作用下其主拱圈应力必须控制在限值范围内。桥梁在营运过程中，随着材料的老化、风化，承载结构裂缝的开展，截面尺寸的破损以及永久性变形的增大，往往桥梁本身在恒载作用下其承载力不能满足要求。此时桥梁管理部门应当机立断，判定桥梁为“危桥”，作重建处理。否则，将出现加固后桥梁病害加重直到垮塌的事故，或原桥加固费用巨大、经济指标不合理的不利情况。如某地区一桥梁营运多年后因恒载应力不能满足强度要求，桥梁管理部门强行加固，结果造成桥梁变形加剧，迫使炸桥重建。另外，桥梁加固后，由于加固层增加了原主拱圈的负担，造成原主拱圈边缘应力增大。因此，还应验算桥梁在本身恒载与加固层恒载作用下原主拱圈应力是否满足强度要求。综上所述，桥梁加固应满足下列准则：

<(2)

式中：为桥梁在加固前或在拟定截面尺寸下加固后在恒载作用下主拱圈边缘应力；为原主拱圈边缘应力限值。

“恒载应力”准则是桥梁加固的首要基本准则，只有在满足该准则前提下，方可进行后续加固工作。

(2) “组合应力”准则。在各种最不利荷载组合作用下，原主拱圈边缘应力必须满足强度要求，桥梁加固的精髓在于新、老主拱圈能够协调变形，共同承担活载作用。一般而言，新增加的主拱圈层往往采用强度和弹性模量均较高的材料，而老主拱圈层由于已营运多年，出现材料强度削减，整体受力性差的情况。因此，桥梁加固中控制应力的是新、老复合主拱圈中的老主拱圈。具体地说，桥梁加固后，在最不利荷载组合作用下，新、老复合主拱圈中的老主拱圈边缘应力必须满足强度要求，即：

<(3)

式中：为组合荷载作用下原主拱圈边缘应力值；为原主拱圈应力限值。

“组合应力”准则是桥梁加固中尺寸拟定的控制准则，只有在满足该准则前提下方可进行后续加固工作。

(3) “极限承载力”准则。在最不利荷载组合作用下，桥梁加固后其强度和稳定性均要满足要求，即：

≤(4)

≤ (5)

式中：A ——新老主拱圈组合截面的换算面积，其按极限强度进行换算；

——计算纵向力；

—— 纵向力偏心影响系数，，为纵向力偏心距，为组合截面重心至偏心方向截面边缘的距离，为组合截面的回转半径，为截面形状系数；

——材料安全系数；

——纵向弯曲系数。

“极限承载力”准则是桥梁加固满足前2 准则前提下，体现提高桥梁承载力幅度的准则。桥梁加固效果是否显著，以该准则为依据。