市政道路桥梁加固设计方法研究

纪丹琳、任健

（上饶市宏优公路勘察设计院有限公司，江西 上饶334000）

0 引言

作为市政道路的重要组成部分，桥梁在增强道路通行能力方面，具有十分重要的作用与意义，但桥梁结构复杂，受行车与环境等外界因素的影响，难免发生部分结构失效等问题，严重时将威胁行车安全，甚至造成倒塌事故。这就需要在实际工作中高度重视桥梁加固工作，一方面要做好桥梁现状检测，确定桥梁各结构体系的承载力状态，进而明确是否需要进行加固，另一方面则要对需要进行加固的部位，根据其实际情况并结合现有条件编制合理可行的加固方案，同时在施工中严格执行，这样才能起到应有的加固效果，延长桥梁结构使用寿命。

1 桥梁加固设计原则

任何建筑的生命周期都是有限的，市政道路桥梁自然也不例外。桥梁从建成到投入使用，如果期间没有对维修和养护引起足够的重视，将缩短桥梁自身使用寿命。对桥梁使用寿命有较大影响的因素主要包括下列几点：一是由于超载等外界原因导致桥面系或主梁等部分产生裂缝或跨中下挠；二是桥梁修建年代久远，所用混凝土的强度等级较低，钢筋配置数量不足，缺乏足够的安全储备，无法适应不断提高的交通需要；三是部分主要道路的桥梁结构自身承载力不足等。

如果对存在以上问题的桥梁均进行拆除重建，不仅需要很多资金，而且建设周期很长，对现有道路的正常使用会造成极大影响。有针对性和目的性地实施维修和加固，使桥梁结构承载力与整体通行能力得以恢复，则能起到延长桥梁使用寿命的作用，在满足交通运输要求的基础上，减少投资，发挥理想的综合效益。

在桥梁加固设计过程中应严格遵守以下各项基本原则：

首先，要对亟待加固的桥梁进行技术状况综合评定与承载能力鉴定，由此确定完成加固后能否达到安全目标或是否可以正常使用，之后才可以进行加固，具体的加固内容与范围需要以评定结果与使用要求为依据确定。其次，在桥梁加固过程中，应尽量避免对原结构造成损伤，并尽可能减少拆除或更换，杜绝在加固过程中导致新结构产生损伤或病害问题。最后，对于抗震方面有较高要求的桥梁，还需要在加固设计过程中做好抗震能力验算。

2 桥梁现状

该桥梁上部结构为简支T 梁，已建成20 余年，建成后第10 年，为了增设3.5m 宽人行道，实施过一次专门的加宽设计。该桥梁所在路段为双车道，为二级公路。为满足改造要求，需将该桥梁所在道路技术等级从二级提高为一级，车道数量从两条增加到三条。加宽前桥梁宽度为10m，梁高为0.85m，加宽后桥梁宽度变为13.5m，其中，行车道的宽度为11.0m，两侧护栏与人行道宽度分别为1.0m 和1.5m。桥梁下部结构采用钢筋混凝土桥台与柱式墩。桥面铺装层结构为沥青混凝土面板，相邻两个桥台之间设有无缝式伸缩缝。

委托专门的检测机构对该桥梁实施全面检测，多处发现裂缝，包括桥面、主梁、盖梁与墩柱，还有部分支座发生脱空。按照养护规范提出的相关规定，该桥梁综合评定结果为B 级。在加载工况条件下，所有测点的挠度实测结果都比理论计算值小，校验系数为0.26～0.91，不同工况条件下跨中截面应变校验系数实测结果为0.33～0.83，不同工况条件下梁体结构相对残余应变均比规范要求值小20%，与跨中相距5m位置的截面，其主梁抗弯荷载效应和抗力效应之比达到1.05 以上，即主梁自身抗弯承载能力已经无法达到要求，亟须进行有效的加固处理。

3 桥梁加固设计

3.1 上部结构

根据以上检测结果，针对以下三种不同的工况对桥梁上部结构实施计算分析：

工况一：原桥梁结构，即5 片主梁，梁高为0.85m；

工况二：保留原T 梁，按原有主梁将桥面系拆除，采用桥面植筋的方法增设混凝土层，使梁高从0.85m变为1.00m，最后将桥面铺装层恢复；

工况三：保留原T 梁，按原有主梁将桥面系拆除，然后对梁之间的距离进行适当调整，增设1 片主梁，采用在桥面进行植筋的方法增设混凝土层，使梁高从0.85m 变为1.00m，最后将桥面铺装层恢复。

在工况一条件下，中梁和边梁自身抗弯承载能力都无法适应设计要求，中梁自身抗弯承载力可以达到设计要求的98%，但边梁自身抗弯承载力只有设计要求的79%；在工况二条件下，中梁自身抗弯承载力可以达到设计要求的112%，满足设计要求，但边梁自身抗弯承载力只有设计要求的90%，无法满足要求。在正常使用极限条件下，中梁产生宽度为0.26mm 的裂缝，超出规范提出的不大于0.2mm 的极限范围；在工况三条件下，中梁自身抗弯承载力达到设计要求的122%，可以达到要求，但边梁自身抗弯承载力只有设计要求的99%，无法达到要求，在正常使用极限条件下，中梁产生宽度为0.23mm 的裂缝，超出规范提出的不大于0.2mm 的极限范围。

以上三种工况都按照保留原T 梁进行考虑，若不改变梁距，将难以满足承载力要求，若按照规范要求将梁距改成6 片进行加固，则边梁自身抗弯承载力将无法达到要求，虽然从理论角度讲可以通过在底面增加钢筋来改善结构自身抗弯承载力，但依旧会产生超出标准要求的裂缝。在结构的综合检测报告中，无论是根据主梁的实际状况，还是考虑施工可靠度，或远期桥梁运营结构耐久性，都不建议利用原有的主梁。该桥梁的加固设计需按照将普通T 梁拆除后，采用新梁的要求实施。

3.2 下部结构

3.2.1 盖梁

对桥梁下部结构进行建模分析与计算，在正常使用极限条件下，原有盖梁结构自身抗弯承载力与抗剪承载力都无法达到提级后的要求，若按照提级后的荷载水平进行计算，盖梁截面将产生宽度为0.23mm 的裂缝，超出规范提出的不大于0.2mm 的极限范围，无法适应规范要求，需要对盖梁实施有效的加固设计。盖梁的加固方法为增大截面法，即在盖梁的两侧和底面分别增加30cm。通过计算，加固完成后盖梁结构截面产生的裂缝宽度不超过0.17mm，可满足相关规范的要求。

3.2.2 墩柱

按照桥梁工程抗震设计相关要求，该桥梁的抗震设防类别属于B 类，需考虑E1 与E2 两种地震作用条件下的抗震设计。桥梁结构抗震性能综合评估需要以地震作用下不同构件自身抗震能力和需求为依据进行，要求抗震能力和地震需求之比不小于1，否则说明桥梁构件自身抗震能力无法达到要求。

对墩柱结构实施抗震验算，可得出不同方向地震力弯矩结果：墩柱纵向地震力弯矩为392kN·m，横向地震力弯矩为1070kN·m，截面的承载能力为1400kN·m，满足要求；桩基纵向地震力弯矩为570kN·m，横向地震力弯矩为220kN·m，截面的承载能力为850kN·m，满足要求。根据以上计算结果可以看出，受地震力作用后，结构自身抗震能力和地震需求的比值可达到1 以上，桥梁墩柱结构自身承载能力可以达到设计要求。

裂缝修补需根据其宽度确定适宜的方法，如表面封闭与灌浆法等。 其中，表面封闭适合宽度在0.15mm 以内的裂缝；灌浆法分为自动低压渗注与压力灌注两种，前者适用于数量相对较多，宽度范围在0.10～0.15mm 内的裂缝，而后者适用于深度相对较大，宽度达到0.15mm 以上的裂缝。经检查可知该桥梁墩柱上存在环向裂缝，其最大宽度为0.22mm，为彻底封闭裂缝，同时提高墩柱单位截面有效承载力，设计决定采用灌注的方法，灌注材料为环氧树脂，必要时在墩柱外部增设钢板，进一步提高墩柱结构承载力。

3.2.3 桩基

桩基承载力计算结果为：单桩承载力容许值为3162kN，采用新建T 梁进行加固时，单桩荷载为2084kN，原有桩基的单桩承载力可以达到加固完成后的荷载要求，所以无须进行加固处理。

通过对各部分进行的计算与分析，对该桥梁的上部结构进行拆除与更换，对下部结构的桥台、盖梁与墩柱实施加固处理，加宽部位的上、下结构都采用新建的方式，新、旧桥梁上部结构之间的连接部位采用湿接缝，对桥面系进行整体铺装施工。

4 加固设计注意事项

在桥梁加固设计过程中，除了要针对不同结构体系根据其实际状况确定适宜的加固方案，还要充分考虑以下两方面注意事项：

一方面，采用增大截面法进行加固时，应注意以下几个方面要点：增大截面加固法实际上是通过适当增加构件自身截面积或配筋起到提高构件自身强度与刚度，并保证稳定性的作用，从而减少或避免裂缝的产生。该加固方法有很强的适用性，可用于多种类型的桥梁和桥梁上的不同部位。该加固方法具体可分成以下三类：其一，将增加混凝土构件受力面积作为根本目的的加固；其二，将增加受力钢筋作为根本目的的加固；其三，将增加混凝土构件受力面积和增加受力钢筋结合到一起有目的地加固。

考虑到混凝土构件有良好的抗压性能，以上第一类加固需将受压区作为主要加固部位，第二类加固则需要将受拉和受剪区作为主要加固部位。因既有桥梁的混凝土构件已经完成收缩徐变，所以要对新增加的混凝土可能产生的收缩徐变引起足够的重视。应对外包材料与加载龄期进行严格控制，要求新包材料强度等级不低于原构件。另外，为防止浇筑过程中产生孔洞等质量缺陷和问题，在条件允许的情况下可使用具有自密实特性的混凝土。在外包部分增加受力钢筋也能起到减小徐变及其影响的作用。

另一方面，在桥梁拓宽过程中，新、旧桥梁之间的拼接主要有下列几种方法：

第一，上、下部构造都不进行连接，只在新、旧桥梁之间设置工作缝，但桥面系通过连续摊铺成型。该拼接方式主要存在以下几个方面缺点：受活载持续作用后新、旧桥主梁产生的挠度变形和后期沉降无法达到一致，可能导致连接处沥青铺装层产生破坏，沿横桥向产生错台，或沿纵向产生裂缝，对桥梁行车舒适性及桥面整体外观造成不利影响，使后期养护工作量大幅增加。

第二，在新、旧桥梁间采用横向植筋与湿接缝相结合的方法进行连接。该拼接方法的主要优势在于能使新、旧桥梁形成一个整体，实现共同受力。但该方式也存在一些缺点，如新桥基础产生的沉降通常比旧桥略大，旧桥基础往往承担很大沿竖向分布的附加作用力，导致盖梁和桥台相连的部位容易开裂。另外，桥梁上部结构之间的连接部位也可能产生开裂，对正常使用造成不利影响，而且维修难度较高，整体美观性较差。该方法主要在箱梁桥与简支T 梁桥中使用。

第三，将新、旧桥梁的基础部分分离，对上部结构采用植筋的方法实现刚接或铰接，然后浇筑湿接缝混凝土，在桥面设置连续分布的加密钢筋网，湿接缝的混凝土浇筑完成后，即可形成连续分布的桥面。该方法主要优势为：下部受力不会相互影响，上部结构之间的连接不会对下部结构正常受力造成太大影响。但也存在一些缺陷，如因新、旧桥梁下部结构产生的沉降不均匀，导致上部结构之间的连接构件内应力相对较大，需采取有效措施严格控制新桥基础产生的沉降。对于加宽的部分，可通过适当增加延长或对上部拼接时间予以严格控制来减少基础发生的沉降。对于上部结构之间相连部位的受力，可通过改善这一部位的构造来解决，如适当增加配筋等。

该桥梁主要采用第三种方法，即将新、旧桥梁的基础部分完全分离，采用湿接缝的方法连接上部结构，并在桥面增设冷轧带肋钢筋网，最后整体浇筑形成连续分布的桥面铺装层。实践表明，该方法合理可行，能有效解决新、旧结构之间的连接问题。

5 结语

综上所述，伴随城市道路路网不断完善和技术等级不断提高，很多道路桥梁都面临维修和加固的问题。根据该桥梁实际情况，对其加固设计方法进行深入分析，提出桥梁上、下部结构的现状和加固方法，旨在为实际桥梁加固工程提供技术参考，提高桥梁加固设计技术水平。