中小跨径梁桥常用加固方法研究

王 冲，王葆茜

（东南大学建筑设计研究院，江苏 南京 210096）

0 引言

桥梁作为公路交通基础设施的一个重要组成部分，对国家或某个地区有其必然的政治、经济、军事等意义。从公路管理的角度，桥梁加固是切实体现贯彻公路养护，以“预防为主，防治结合”的方针要求的一项重要工作。桥梁加固是为恢复或提高桥梁结构的承载能力或抗灾能力，为满足某种特殊需求而对桥梁的局部构造或整体结构进行加强或改善，是为确保桥梁安全使用、延长桥梁使用寿命的重要手段。桥梁加固是一项十分细致而又极具灵活性的工作，需要考虑的因素涉及到力学、材料学、结构工程学等多个学科［1］。

1 桥梁加固技术

桥梁的加固维修多是针对桥梁的上部结构进行的。在桥梁上部结构的各类加固方法中，包括了国内已经广泛采用的传统加固方法，如桥面铺装补强层加固法、增大截面和配筋加固法、锚喷混凝土加固法、体外张拉预应力加固法、粘贴钢板加固法、改变结构受力体系加固法、增设纵梁或横梁加固法、增加横向联系加固法，粘贴纤维布加固法等［2-5］。

1.1 桥面补强层加固

桥面板是桥梁构件中承受荷载和应力最大的构件之一，也是最早和最易出现破坏的结构。常见的病害有：磨耗、裂缝、露筋、锈蚀、剥离，严重时出现碎裂、脱落、洞穴和沉陷等。当采用桥面补强层加固法时，需将原桥面铺装全部凿除或凿毛，然后加铺一定厚度的补强层，以增大主梁有效高度及改善桥梁荷载横向分布能力，从而达到提高单梁承载能力或桥梁结构整体承载能力的目的。该加固方法实施的前提是原主梁具有足够的配筋率且桥梁结构处于良好的工作状态。该方法的缺点在于凿除或凿毛桥面铺装时一般无法采用机械化施工手段，因此，用工量大、工期长，并有可能对原结构（如主梁等）造成一定的损伤，因此，该方法一般是结合桥梁的整体加固同时进行，在较小跨径的梁板式桥中比较适用，对较大跨径桥梁加固效果则不明显。

采用此法时先将原有桥面铺装层凿毛处理，冲洗干净后在梁顶部每隔一定间距设置柱状剪力键，以增加新加桥面铺装层和主梁的连接能力和抵抗水平剪力，当采用此法进行加固时，可以不再重做桥面铺装，仅在表面加铺沥青磨耗面层即可。

1.2 增大截面与配筋加固

增大截面与配筋加固法是通过增大构件截面面积或配筋率以提高钢筋混凝土梁承载能力的加固方法。该方法一般采用在梁底面或侧面加大尺寸，增配主筋，以提高主梁截面的有效高度，从而达到提高桥梁承载能力的目的。既可以对全部主梁进行加固，当受资金限制时，也可以仅对部分主梁进行加固。为保证新老混凝土有良好的连接，并固定新加主筋，应将结合部位的混凝土表面凿毛并冲洗干净，每隔一定间距设置锚固用箍筋或短筋使新加主筋与原构件结合，当加大原构件下缘时，构件下缘截面扩大部分在靠近支座的梁端仍恢复成原截面。在设计计算时，应考虑结构分阶段受力的特点，也就是原结构承受原有恒载及新加恒载，活载由最后的组合截面承担。增大主梁截面所需的混凝土可采用悬挂模板浇注或采用喷射混凝土工艺进行，当受加固资金的限制时，也可根据计算情况仅对部分构件进行加固。在施工质量可靠的情况下，该技术的加固效果是比较理想，并且几乎不需要后期养护［3］。

1.3 体外预应力加固

体外张拉预应力加固法是加固效果最明显而施工工艺最为复杂的加固方法。它是采用预应力原理，在增设的构件或原有构件中，对梁的受拉区或受剪区施加一定的初始应力，以抵消部分自重应力，减少在活载作用下的应力增量，尽量避免梁上出现裂缝，提高结构的耐久性的一种加固方法，它分为下撑式预应力拉杆加固法和外部预应力钢丝加固法。采用预应力补强加固桥梁构件，由于加固后预应力拉杆与原钢筋混凝土构件组成一个整体共同工作，因此补强拉杆与原构件组成了一个新的复合体系，因此事先应进行必要的设计计算。用预应力法加固桥梁，其加固件一般采用钢杆、粗钢筋或钢丝索等钢材。施加预应力的方法有纵向张拉法、横向收紧张拉法和竖向顶撑张拉法等。纵向张拉法在施加的预应力数值较小时可采用螺栓、丝杆、花篮螺栓等简易拉紧器进行张拉。在施加的预应力较大时，可采用手拉葫芦、千斤顶张拉或电热张拉法。横向张拉的基本原理是在钢拉杆中部施加较小的横向外力，从而可在钢拉杆内获得较大的纵向内力。

体外预应力加固法可在不增加桥梁自重的前提下有效增加加固后主梁的抗弯刚度并大幅度提高主梁的承载能力。由于不增加上部结构自重，减小了对墩台基础受力状况的影响，从而降低了墩台基础的加固量。同时，在合理安排施工流程的情况下，该方法可最大限度地减少对桥上交通的影响，甚至可以在有限开放交通的情况下组织施工，因此近年来国内工程实例较多。尽管该加固方法具有上述优越性，但是加固后体外预应力筋的防腐问题一直是困扰公路养护部门的难题，降低了加固桥梁的可靠性，并一定程度上增加了后期养护费用。

1.4 粘贴钢板加固

粘贴钢板加固法是采用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其它薄弱部位，使钢板与加固混凝土结构形成整体，以提高构件的抗弯、抗剪能力，提高原结构的刚度，限制裂缝的开展，改善钢筋与混凝土的应力状态。当粘贴钢板拟提高梁的抗弯强度时，钢板粘贴在构件底面，钢板和混凝土作为整体受力考虑，以钢板与混凝土的局部剪切强度控制设计；当拟提高梁的抗剪强度时，钢板可粘贴在构件侧面，并与原构件内抗剪钢筋方向一致。钢板的规格宜薄而宽，厚度一般以4.5～6.0mm为宜。粘贴钢板补强加固的合理设计应控制在钢板发生屈服之前，混凝土不出现剪切破坏。为避免钢板在自由端脱落，端部可采用夹紧螺栓固定或在钢板上按一定间距用螺栓固定。

粘贴钢板的施工工艺为：

a）待粘贴部位的混凝土表面应先凿平顺、坚硬干净；

b）钢板除锈要彻底，粘贴面尽量打磨粗糙；

c）应尽可能选择质量较好的粘贴胶，配置环氧胶泥时，材料称量要准确；

d）粘贴时粘贴胶要饱满，一般在混凝土表面及钢板表面分别涂刷一层均匀的环氧砂浆薄层，合计层厚约2mm，然后加压密贴并使之固定；

e）粘贴前在混凝土上放样钻孔并安装锚固螺栓（兼作固定件和压紧件），要求埋设牢固，具有可靠的抗拔力，以保证粘贴钢板时有效的加压，同时还可以帮助钢板克服剪切，有利于粘贴的耐久作用；

f）粘贴完成后，应对钢板及被加固构件部位进行有效的防腐和外观处理。

该方法具有基本不改变原结构的尺寸、施工简单、技术可靠、短期加固效果较好且工艺成熟等优点。

1.5 改变结构受力体系加固

改变结构受力体系加固法是通过改变桥梁结构受力体系以达到提高结构整体承载能力的目的，是一种变被动为主动的加固方法。由于这种方法大部分要在桥下操作或设置永久设施，因而会影响桥下净空，一般在不影响通航及桥梁排洪能力的情况下使用此法。

改变结构受力体系加固法主要包括：

a）简支变连续加固法 将多跨简支梁的梁端连接起来，变为多跨连续梁，以改善结构的受力状况，提高桥梁的承载能力。当在原桥孔下架设支架或增设桥墩时，应对支点处进行受力验算；

b）加劲梁或叠合梁加固法 采用应根据加固时结构体系转换的实际受力状态，分清主次，进行合理的抽象和简化，得出计算图示，进行补强计算，因实际结构比较复杂，各种结构部分存在多种联系，而决定联系性质的主要因素是结构各部分的刚度比值，故新旧结构体系可依据相对刚度分解为基本部分和附属部分，以分开计算内力，并略去结构的次要变形，从而获得比较简明的力学图式；

c）改桥为涵的加固法 主要针对跨径较小的桥梁，在不影响通航和排洪能力的情况下，可采用此法。

1.6 增设主梁或横向联接

当桥梁结构基本完好而其承载能力不能满足要求、需要提高荷载等级以及需要改善桥梁的横向受力状态时，一般可采用增加主梁或横向联系的方法。增加纵向承重构件，应在墩台地基安全性能好，并具有足够承载能力的情况下进行。由于荷载在新增构件后的桥梁中重新分布，使原有构件所受荷载得以减少。

主要措施有：增加纵向承重构件，新增加的构件一般设置在原有桥梁的两侧，当必须在中间增设时，可拆除个别原有构件或其部分，形成空位，然后再在空位上安装强度和刚度都比原有构件大的新构件；增设（加强）横向连接，对于无内横梁或少内横梁的T截面型、工字型截面梁式桥或横向整体性差的桥梁，可采用在相邻主梁间增设现浇混凝土横梁或钢横梁的方法来提高横向抗弯刚度。

1.7 粘贴碳纤维布（FRP）加固

目前，高强纤维复合材料（FRP）粘贴加固混凝土技术已广泛应用于土木工程领域。由于该新型结构加固技术在施工方面所具有的无可比拟的优势以及工程应用的日益广泛，世界各国陆续颁布了相应的技术规范，如美国土木工程协会440 委员会（ACI Committee440）于1999 年推出了《粘贴FRP加固混凝土结构设计、施工指南》，日本土木工程学会（JSCE）于1996年正式颁布了《连续纤维材料补强加固混凝土结构物的设计及施工规程》，有效地促进了该技术的健康发展［4］。20世纪90年代初，粘贴碳纤维布加固技术正式引入我国，并于2003年5月1日正式颁布了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146）。

粘贴碳纤维布的施工要求具体如下：

a）被加固构件的基面要求混凝土强度不低于C15，同时要求被加固构件应具有良好的保护层，既基面平整且具有一定强度，对构件有剥落、起皮、腐蚀等劣化现象的，应先进行修复，并应将粘贴部位去除尖锐棱角和浮灰粉尘，防止碳纤维的局部剥断破坏和粘贴失效；

b）碳纤维布宜采用薄布多层的粘贴方法，使其与粘接材料充分浸润，确保粘接效果，对于受弯构件宜在受拉区沿轴向平直粘贴，并与主纤维方向的断面进行附加锚固处理；

c）碳纤维布的搭接与截断，碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固，若确需搭接时，其搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于100mm，且搭接端部应平整无翘曲，多层搭接的各层接口位置不应在同一断面，每层接口位置的净距宜大于200mm；

d）施工时应注意气温不以低于5°C、无雨，并做好相关的安全保护等措施；

e）加固用碳纤维布及其配套粘接材料均应由厂家所提供的材料检验证明和合格证。

2 结语

桥梁作为公路交通基础设施的一个重要组成部分，确保公路桥梁的安全运营对国家或某个地区有其必然的政治、经济、军事意义。桥梁加固技术是维护公路桥梁安全使用、延长桥梁使用寿命的积极手段。随着新的桥梁加固材料、加固工艺的出现，公路桥梁的维修加固已远远不是简单的修修补补，已发展成为一门涉及众多学科的综合技术。从某种意义上讲，加固方案的拟定和设计计算以及具体方案的实施，其难度往往大于同类新建桥梁，因此应当引起各级公路主管部门的充分重视，积极引进新技术、新材料、新工艺，进一步落实桥梁加固方案论证制度，以保证加固方案的合理性、有效性、经济性，最大限度地降低工程造价。

［1］张劲泉，王文涛.桥梁检测与加固手册［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］张劲泉，何玉珊，谢经纬.桥架结构状况的检测与评价技术［J］.中国公路，2002，（22）：42-44.

［3］周新刚，王尤选，曲淑英.混凝土植筋锚固极限承载能力分析［J］.工程力学，2002，19（6）：82-86.

［4］楼庄鸿.2001年全国公路桥梁维修与加固技术研讨会论文集［C］.北京：中国公路学会，2001.

［5］胡钊芳，谌润水，帅长斌.公路旧桥加固技术与实例［M］.北京：人民交通出版社，2002.