浅基础桥梁安全性评价及加固分析

郭瑞雪

摘要 随着我国基建事业的迅速发展，桥梁建设技术得到了较大提升。我国桥梁建设中，混凝土桥梁应用最广泛。但随着桥梁使用年限的增长，结构会出现不同程度病害，影响桥梁的通行能力甚至导致桥梁的安全性不足。针对该现象文章对桥梁加固进行了研究，主要内容有：浅基础桥梁安全性评价、浅基础桥梁加固方法、通过实际工程对浅基础桥梁加固效果进行分析。通过以上内容研究，为桥梁加固提供可靠的依据和理论分析方法。

关键词 浅埋基础;基础加固;冲刷;加固措施

中图分类号 U446;U445.72 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0102-03

0 引言

我国对桥梁加固的分析研究起步较晚，研究初期，通过大量的试验和工程实践，积累了一些经验，使桥梁加固事业在我国开始取得成就。黄建锋[1]通过破坏试验证明：通过增大截面加固桥梁，能够提高结构自身的承载能力。王元栋[2]通过改进增大截面法来研究桥梁的受力状态，结果表明该方法可提高斜截面的抗剪强度。王文炜[3]通过分析表明：行车荷载下，通过碳纤维布对桥梁进行加固，可有效提高桥梁的抗弯承载能力。张延年[4]通过试验分析表明：粘贴碳纤维布可以提高桥梁的抗弯能力，以及屈服后梁的刚度。通过以上学者研究，桥梁加固项目取得了一定的成绩，但该课题的研究还有一定空间。

浅埋基础桥梁结构较为简单，最容易受基础冲刷产生结构病害，浅埋基础在多因素影响下，造成承载力和耐久性下降，该文主要以层次结构法分析浅埋基础病害。

1 浅基础桥梁安全性评价

桥梁安全性的评价主要包括桥梁承载能力、桥梁耐久性和桥梁适用性的评定，且各个性能相互关联。

对桥梁承载能力评定主要是通过对桥梁的刚度、强度进行评价，保证桥梁满足交通荷载的需求以及未来交通量的需求。对桥梁的承载能力进行评定时，需将桥梁的结构体系作为研究对象，通过有限元模型分析，得到实际承载能力。

1.1 外观检查

桥梁运营时，主要受荷载及环境变化的影响，结构性能和承载力不断发生变化。因此应对桥梁的外观进行检查，主要内容包括：对桥梁各部件缺损程度进行评价，对损害严重构件进行评分，对桥梁进行等级评定。

1.2 计算指标

桥梁进行安全性评价时，不仅应对桥梁外观进行评价，还应对结构进行计算。主要计算指标为桥梁承载能力、应力状况、荷载作用下的变形及裂缝宽度。

2 浅基础桥梁加固方法

2.1 墩台基础加固措施

桥梁墩台基础加固的最常用方法有：基础扩大加固、补打加强桩体法、喷浆加固周边地基、地基加固夯实法等;墩柱加固的方法常用的有：护套加固法、加强支撑加固法、增加套箍或护套加固法、支撑法加固或增加挡墙加固等[2]。

（1）基础扩大加固：通过增加桥梁基础的面积来改善桥梁基础的受力，该方法称为基础扩大加固法，对于浅埋基础，基底埋深较浅，承载力不足的桥梁进行加固效果明显，通常该类扩大基础形式是砖石或混凝土刚性实体。

（2）补打加强桩体法：当桥梁采用桩基基础形式，需要进行加固时，采用补打加强桩体，扩大原有的承台以加强桥梁的承载力，该方法能够增加基础的稳定性、提高基础承载力、增加桥梁安全性效果明显。

（3）喷浆加固周边地基法：喷浆加固地基技术在实际应用中非常广泛，喷浆加固地基基础方法可靠有效，已成为我国最常用的地基处理方法。

（4）地基加固夯实法：当地基基礎周边天然土体较松软，通过人工夯实能够有效增加地基土体的密实度和承载力，保障了桥梁基础承载力要求，最常用的是灰土拌合后夯实加固或砂桩加固夯实法。

（5）支撑法加固：由于桥墩已不满足上部荷载的要求，在背土压力的作用下，使桥孔发生倾斜或滑移，此时需要通过修筑侧向撑壁法支撑桩来保证桥梁的安全稳定。对于桥台台背压力过大引起桥台发生倾斜，可在台背增加挡墙以增强桥台的抗滑能力。

2.2 上部结构加固

桥梁基础的沉降、位移必定会对桥梁上部结构的安全性产生影响，因此，对桥梁上部结构的加固常采用的方法有增加梁体截面和配筋加固、体外预应力加固、粘贴钢板加固、主梁替换加固、喷射混凝土加固、增加梁体联系、碳纤维粘结加固等。

（1）增加梁体截面和配筋加固：通过增加梁体的截面，改善梁体受力，提高梁体的承载能力。增加梁体的配筋，改善原有桥梁的力学性能，强度、刚度、稳定性方面都能够很好得到改善。该方法通过增加梁底和梁侧的尺寸，增加主筋有效提高梁体截面，从而达到增加梁体承载力的目的。

（2）体外预应力加固：采用预应力来增加梁体整体刚度，施工工艺较为复杂，但是加固效果较明显。这种加固方法能够在很少增加梁体自重的情况下，极大地提高梁体承载能力，有效减少桥墩荷载，增加桥梁承载能力。

（3）粘贴钢板加固：在梁体表面粘贴钢板，提高梁体整体的抗弯刚度，通过在梁体的薄弱位置用粘结剂和锚栓将梁体表面无缝固定钢板，使钢板和混凝土形成一个整体，达到提高梁体承载力的目的。

（4）主梁替换加固：这种方法适用于旧桥完全无法满足使用要求。加固后无法满足使用要求的桥梁，需要完全更换后才可使用，如果不进行更换后期养护费用会很高，也影响行车的安全性。

（5）喷射混凝土加固：部分混凝土桥梁经过长年累月的剥落等原因，使得桥梁截面尺寸偏小，不能满足桥梁抗剪强度要求，通过喷射混凝土增加梁体截面，从而满足桥梁抗剪要求。

（6）增加梁体联系加固：近些年来通过增加横向联系来改善桥梁的性能方法越来越多，这种方法能够有效改善上部荷载分布规律，从而改善梁体结构的承载能力。

（7）碳纤维粘结加固：碳纤维加固技术是近些年来发展起来的新型结构加固材料，碳纤维结构具有很高的强度，碳纤维的耐腐蚀、抗疲劳、耐久性、强度等优良的性能。利用树脂材料将碳纤维与混凝土结构粘结起来，协同工作，以达到加固和改善混凝土性能的目的。

2.3 浅基础水毁加固措施

对于浅埋基础桥梁主要存在水毁对基础损坏，因此本节重点介绍以下几种常用的加固方法。

（1）当桥梁浅埋基础受到较轻冲刷时，且抗水毁等级为二级，可以采用柳枝、荆条编成梢捆内部装卵石和片石进行基础四周防护，该方法抗冲刷能力效果较为明显，冲击力较大时，需要在梢捆压石头稳定，该方法造价低，防护效果差。

（2）桥梁基础受冲刷形成较深的冲刷坑时，且抗水毁等级为二级，采用抛石对墩台四周进行防护，填至河床水位以上，有效防止墩台再次受到冲刷，该方法造价相对较低，防护效果一般。

（3）当桥墩及基础冲刷较为严重，且抗水毁等级为二级或一级，采用石笼防护进行加固，该方法外部用铁丝网眼作为外框，需要的石笼数量和尺寸根据工程实际洪水流量制作，一般一个石笼防护厚度在20～40 cm，埋入河床一般要求埋入1 m，该方法造价相对较低，防护效果较好。

石笼桥梁防护网广泛应用于浅埋基础、受河水冲刷严重的桥梁，应用于桥墩及桥梁扶垛斜面的防护上。其中，根据桥梁扶垛斜面的倾斜度来选择防护体的种类。斜面陡直，可应用石笼网重力防护墙，斜面平缓，则可使用石笼网斜坡防护系统。无论是哪种体系的应用都应该考虑到防护体的冲刷和陷沉问题。当然，石笼网挡板的使用可以有效防止冲刷与陷落。

（4）当桥墩及基础冲刷较为严重，且抗水毁重要性等级为二级或一级，沿桥墩周边打入钢板桩，在钢板桩与墩基础之间采用毛石或毛石混凝土填充，通常钢板桩打入冲刷线以下1 m，该方法造价较高，防护效果好。

（5）水流对桥下基础及下游冲刷严重，为缓冲冲刷影响，且抗水毁重要性等级为二级或一级，采用三级消力坎方式进行防护，该方法通常不单独使用，需要配合其他加固措施一起使用，该方法造价适中，防护效果较好。

（6）水流对小桥下基础及下游冲刷严重，为缓冲冲刷影响，抗水毁重要性等级为二级或一级，防护要求不是很高，可以采用小桥底基础铺砌，在小桥出口设置挑流防护，或在小桥的进水口处增加斜坡和隔水墙，该方法造价适中，防护效果一般。

3 案例分析

3.1 工程概况

该文依托浅埋基础跨径22 m小桥为研究对象，该桥采用普通硅酸盐水泥，T型梁结构，混凝土采用C30标号，下部采用浅挖扩大基础，属于最普通的结构形式，桥面净宽度为9 m。桥梁建成至今已经进行了三次大修加固，本次采用荷载试验对桥梁安全性进行分析，桥梁屈服强度为300 MPa，并进行了超声回弹仪测试，以便更好地了解混凝土桥梁现有状况，混凝土桥梁及界面如图1所示[3]。

3.2 病害原因分析

通过对原桥进行实地调查发现该桥梁存在较多病害，主要是基础冲刷和梁体裂缝，裂缝主要分布位置为桥梁腹板，且内侧裂缝数量大于外侧，主要分布于支点附近以及跨中位置，底板跨中位置横向裂缝较多，顶板合拢位置纵缝较多，通过对桥梁病害分析可知，产生原因有以下几点：

（1）基础受水流冲刷严重。根据桥梁安全性调查分析，桥梁基础存在较严重的冲刷，基础位置形成2 m多冲刷坑，增加了桥梁基础的风险，分析其原因，是由于桥梁基础位置在水流不断冲刷作用下形成涡流作用，这种作用下将桥墩位置泥沙带走形成冲刷坑。

（2）梁体结构弯矩变大。通过分析研究，桥梁梁体的结构弯矩会受基础沉降影响，由于桥梁墩台位置的下沉会对桥梁产生拉变形;桥梁的施工质量同样对桥梁的结构弯矩也会有很大影响。

（3）桥梁承载力下降。桥梁在荷载作用下会使桥梁逐渐产生疲劳损坏，在这种作用下梁底会产生裂缝，导致梁底开裂，梁底钢筋在空气作用下逐渐产生锈蚀降低梁体的承载能力，基于这种情况，需要采取适当的加固措施，对梁体加固后才能满足承载力要求，桥梁承载力评价流程如图2所示。

（4）温度梯度影响。桥梁在进行结构分析时，忽略了温度梯度带来的横向效应。桥梁的梁体结构受温度收缩变形影响，存在不均匀温差，梁板在温度作用效应下产生的横向拉应力。梁体顺桥方向上存在压应力，因此会产生横向拉应变，导致桥梁跨中产生裂缝[4]。

4 桥梁加固效果分析

为保证桥梁基础周边牢固稳定，该文对桥梁加固时浅基础采用石笼防护。现状桥梁梁体部分产生开裂，承载力不满足道路安全运营的要求，因此对梁体进行体外预应力进行加固，提高桥梁的安全性能。

通过对桥梁的现状调查和荷载试验的检测，表明桥梁此时承载力满足使用要求，但桥梁在正常使用过程中的抗裂指标不满足设计要求，因此本节通过体外预应力加固来提高桥梁的抗裂性能，同时对加固后的桥梁进行验算，主要验算指标有：抗裂性能、抗压性能。得出结论如下所示：

（1）结构抗裂验算。通过对加固效果进行分析可知：通过体外预应力加固后，桥梁主梁抗裂性能有明显当的提高，裂缝完全闭合收缩。因此采用预应力能有效提高梁体的抗弯刚度，能够承受更多的桥上荷载。

对梁的底板、跨中底板、梁顶板上缘等位置进行了抗裂验算，采取的体外预应力加固可以使桥梁的正截面抗裂性能有所提高，进行加固后桥梁抗裂验算满足设计要求。通过对梁的斜截面进行抗裂验算可知该性能同样能满足设计要求。

（2）混凝土抗压验算。通过对主梁压应力进行计算，该加固方法有效增大正截面混凝土的压应力，但增大的数值相对较小，满足桥梁加固验算要求，并满足桥梁安全性验算要求。体外预应力加固后的桥梁的抗压性能明显得到提高，可以得出：体外预应力加固技术可提高桥梁抗压性能。

5 结语

（1）桥梁安全性的评价主要内容：桥梁承载能力、桥梁耐久性、桥梁适用性的评定。

（2）浅埋基础桥梁通常适用于跨径不大的位置，桥梁主要存在基础病害和桥梁结构病害，結构主要以梁体为重点分析对象，混凝土存在病害主要为裂缝，其受力方式主要为预应力或钢筋承受拉应力，混凝土承受压应力，混凝土出现病害的主要原因是拉应力不足。该文采用体外预应力加固措施对梁体加固效果进行分析。

（3）浅埋基础桥梁通常适用于跨径不大的位置，桥梁主要存在基础病害和桥梁结构病害，结构主要以梁体为重点分析对象，混凝土存在病害主要为裂缝，其受力方式主要为预应力或钢筋承受拉应力，混凝土承受压应力，混凝土出现病害的主要原因是拉应力不足。该文采用体外预应力加固措施对梁体加固效果进行分析。

（4）通过浅埋基础桥梁安全性评价分析，桥梁产生病害的主要原因有：水流冲刷基础、温度梯度影响、施工影响等。通过对现状桥梁进行分析可知桥梁梁底裂缝会使梁体钢筋锈蚀，从而降低梁体的承载力，影响桥梁承载能力。

（5）对桥梁进行体外预应力加固，通过对结构抗裂性能、混凝土抗压性能进行验算可知，该加固方法可提高桥梁的抗弯抗裂性能，增加桥梁的使用年限。

参考文献

[1]黄建锋.拱桥加固及改造方法研究[J].山西建筑，2021（24）：94-96.

[2]王元栋.公路桥梁加固方法与应用分析[J].四川建材，2021（12）：73-74.

[3]王文炜.公路桥梁病害成因与加固技术研究[J].四川建材，2021（12）：94-95+97.

[4]张延年.公路桥梁加固施工技术措施和质量控制分析[J].四川水泥，2021（12）：215-216.