公路桥梁旧桥加固改造探讨
2010-05-19
1 问题的提出
随着时间的推移，任何公路桥梁都会成为旧桥。在桥梁使用期间内，由于交通量不断增大、重型车辆增加及超载现象严重、超限运输的出现和增加，以及外界各种因素作用和影响，导致桥梁结构产生病害、出现缺陷，严重影响到桥梁正常使用。为了保证交通畅通，就需要对桥梁进行维修、加固和改造，提高旧桥的承载能力，确保交通运输的安全。
近20多年来，我国公路建设事业蓬勃发展，公路的通行能力和服务水平进一步得到改善和提高，国家进一步加大了基础设施建设投资，公路面貌日新月异。但是，我国幅员辽阔，就整个公路网络而言，在国民经济整体中，公路交通基础设施的“瓶颈”制约因素，并没有得到根本的缓解。在现有的公路上，数以万计的旧桥，因设计荷载标准低，年久失修、失养，正在逐步成为危桥，成了不断提升技术等级的公路上卡脖子路段。我国在20世纪60～70年代修建的桥梁，设计荷载标准较低，而且大部分公路桥梁仍在服役，已不适应交通量日益增长的需要。因此，旧危桥加固、维修任务十分繁重，全部重建既不现实，也不科学。实践证明，采用适当的加固技术和拓宽措施，对恢复和提高旧桥的承载能力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，以满足现代化交通运输的需要，是可行的。这样一方面能节省大量投资，收到良好的社会经济效益，特别是对贫困省份来说，尤为重要；其次，通过维修和改造旧危桥，是消除交通安全隐患，提高公路通行能力和服务水平的有效途径。旧桥加固工作应当说是一项技术上可行、经济上合理的举措。
2 桥梁病害分析
2．1 引起桥梁病害的原因分析
桥梁结构的病害表现形式多种多样，引起病害的原因错综复杂。由于河床屡遭洪水冲刷，河床底部加深，桥梁墩台基础外露、冲空，产生不均匀沉降，导致桥台、拱圈产生附加应力而出现开裂，有的甚至出现开合现象；有的桥梁由于桥台较高，受行车及台后土压力的作用，桥台出现开裂、凸肚等病害；桥面混凝土铺装层由于使用时间长加之重车作用，导致开裂、剥落等病害。从引起病害的原因来分析，可以将其划分为两大类：
2．1．1 由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏由于混凝土的缺陷(例如裂隙、孔道、气泡、孔穴等)，环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部，与混凝土中某些成分发生化学、物理反应，引起混凝土损伤，影响结构的受力性能和耐久性。
2．1．2 由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤由于超载作用引起的裂缝，动力冲击作用引起疲劳破坏。构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等。
2．2 引起结构裂缝原因的分析
实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝。所以，对混凝土结构的损伤检测，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析人手。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多，但可归纳为两大类：
2．2．1 由外荷载引起的裂缝
由外荷载引起的裂缝称为结构性裂缝(又称为受力裂缝)，其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。
2．2．2 由变形引起的裂缝
由变形引起的裂缝称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，拉应力也就消失了。
两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融在一起。X,-I"裂缝原因的分析是裂缝危害性评定，裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。
3 桥梁加固改造技术与方法
3．1 旧桥上部结构加固、改造
3．1．1 桥面铺装层的加固
桥面铺装层开裂或剥离等病害，对于钢筋混凝土梁板桥容易使钢筋锈蚀，减弱桥梁的横向整体性；同时由于桥面铺装层的破损，引起桥面平整度差，车辆通行时，使桥梁产生震动，对桥梁产生不利影响，同时又加重了桥面铺装层的病害。根据桥梁的具体情况，采用不同的加固方法，对于使用年限长、破损严重的采用拆除、修复的加固方案。一般先凿除旧桥铺装混凝土，在梁顶重新浇筑一层钢筋混凝土，使其与原有主梁形成整体，改善铰接梁板的荷载横向分布，从而提高桥梁的承载能力。而对于病害较轻，使用年限短，且混凝土强度仍符合设计要求的则先处治病害，在不降低设计荷载标准的前提下可采用加铺沥青碎石层的方案。
3．1．2 增大截面和配筋加固法
当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时，通常采用增大构件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。这种方法是在梁底面或侧面加大尺寸，增配主筋，提高梁的有效高度和抗弯强度，从而提高桥梁的承载力。该方法 般用于梁桥及拱桥拱肋的加固。
3．1．3 锚喷混凝土加固法
借助高速喷射机械，将新混凝土混合料连续地喷射到已锚固好钢筋网的受喷面上，凝结硬化而形成钢筋混凝土，从而增大桥梁的受力断面和补强钢筋，加强结构的整体性，使其能承受更大的外荷载作用。
3．1．4 粘贴抗拉补强材料(钢板、复合纤维)加固法
当交通量增加，主梁出现承载力不足时，采用粘结剂及锚栓，将钢板或高强复合纤维(碳纤维、芳纶纤维等)粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位，使其与结构形成整体，以钢板或高强复合纤维代替增设的补强钢筋，达到提高梁的承载能力的目的。
这种加固方法的特点是：不需要破坏被加固的原结构的尺寸，施工工艺简单，施工质量较容易控制，施工工期短。这种加固方法，设计时必须考虑桥梁带载加固分阶段受力特点。后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下是达不到其抗拉强度设计值。特别是采用直接粘贴高强复合纤维加固时，在极限状态下，复合纤维的高强抗拉性能根本无法充分发挥作用。若不考虑分阶段受力特点，过高地估计了后加补强材料的作用，设计是不安全的。
3．1．5 改变结构受力体系加固法
这种加固、改造方法是通过改变桥梁结构受力体系，达到提高桥梁承载能力的目的。如：在简支梁下增设支架或桥墩，或把简支梁与简支梁纵向加以连接，由简支变连续梁，或在梁下增设钢桁架等加劲或叠合梁等，以减小梁内应力 达到提高梁的承载力目的。 改变结构体系的方法有多种，但往往都需要在桥下操作，或设置永久设施，因而减少桥下净空，或施工时会影响通航，所以必须考虑通航及桥梁排洪能力。
3．1．6 体外预应力加固法
对于钢筋混凝土或预应力混凝土梁或板桥，采用对受拉区施以体外预加力加固，可以改善原梁板的应力状态，抵消部分自重应力，起到卸载的作用，从而能较大幅度地提高梁的承载能力和抗裂性能。体外预应力加固法优点是：在自重增加很小的情况下，能够大幅度改善和调整原结构的受力状况，提高承重结构的刚度、抗裂性能；由于承重结构自重增加小，故对墩台及基础受力状况影响很小，可节省对墩台及基础的加固；对桥梁营运影响较小，可在不限制通行的条件下加固施工。预应力加固法既可作为桥梁通过重车的临时加固手段，又可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。
3．1．7 增设纵梁加固法(拓宽改建)
在墩台地基安全性能好，并具有足够承载能力的情况下，可采用增设承载力高和刚度大的新纵梁。新梁与旧梁相连接，共同受力。由于荷载在新增主梁后的桥梁结构中重新分布，使原有梁中所受荷载得以减少，由此使加固后的桥梁承载能力和刚度得到提高。当增设的纵梁位于主梁的一侧或两侧时，则兼有加宽的作用。为保证新旧混凝土能够共同工作，必须注意做好新旧梁之间的横向连接。横向的连接方法，如：企口铰接、键槽连接、焊接及钢板铰接等，使新增主梁与旧梁牢固连接，可提高主梁之间的横向连接刚度，有利于荷载的横向分布。
3．1．8 拱圈增设套拱加固法
当拱式桥梁的主拱圈为等截面或变截面的砖、石或混凝土等实体板拱时，且下部构造元病害，同时桥下净空与泄水面积容许部分缩小时，可在原主拱圈腹面下增设一层新拱圈，即紧贴原拱圈底面上，浇筑或锚喷混凝土新拱圈，外形上就像是在原拱圈下套做了一个新拱圈。
3．2 旧桥下部结构加固、改造
桥梁下部构造易产生的缺陷与病害有：墩、台身裂缝、剥落、空洞、老化，钢筋外露、锈蚀，结构变形、移位等；基础不均匀沉陷、滑移和倾斜，基底局部冲空，基础结构物的异常应力和开裂。
3．2．1 扩大基础加固法
桥梁基础扩大底面积的加固，称为扩大基础加固法。此法适用于基础承载力不足或埋深太浅，而墩台又是砖石或混凝土刚性实体式基础时的情况。扩大基础底面积应由地基强度验算确定。当地基强度满足要求而缺陷仅仅表现为不均匀沉降变形过大时，采用扩大基础底面积的加固，主要由地基变形计算来加以选定。
3．2．2 增补桩基加固法
当桥梁墩台基底下有软卧层，或墩台基础未下至坚硬岩层时，墩台发生沉陷；当桥梁墩台采用桩基础，而桩的深度不足，或由于水流冲刷等原因使桩发生倾斜。这些病害都直接影响桥梁结构的正常使用和服务年限。对此，采用增补桩基加固法是一种常用而且有效的方法。这种加固方法是：在桩式基础的周围补加钻孔桩，或打人钢筋混凝土预制桩，扩大原承台，以此提供基础的承载力，增强基础的稳定性。
3．2．3 钢筋混凝土套箍或护套加固法
当桥梁墩台由于基础埋置深度不够，或因施工质量控制不严等原因，导致墩台开裂破损时，有时会出现贯通裂缝，可采用钢筋混凝土围带或钢箍进行加固。加固时一般在墩身上中下分设三道围带，其间距应大致相当于桥墩侧面的宽度。当墩台损坏严重，如有严重裂缝及大面积表面破损、风化和剥落时，则可采用围绕整个墩台设置钢筋混凝土护套的方法进行加固。
3．2、4 桥台新建辅助挡土墙加固法
由于桥台台背水平土压力过大，引起桥台倾斜，应设法采取平衡桥台后壁的土压力处理，在台背之后加建一挡墙，以抵御过大的土压力。
3．2．5 墩台拓宽方法
利用旧桥基础，靠墩台盖梁挑出悬臂加宽部分，以便安装加宽的上部结构。此种情况为只加宽墩台的盖梁，墩台身和基础则不需予以加固。采用此法加宽墩台时，旧桥墩台基础必须完好、稳定，且需经过承载力验算后才能采用。否则，应在老桥的墩台旁，从新浇筑拓宽部分的墩台及基础。
4 结束语
在公路改造设计中，很多情况下桥梁加固和加宽是同时进行的。在加宽宽度不大的情况下，尽量将加宽部分与原桥连为一体，使新旧桥共同工作，利用新加宽部分，调整原桥内力，减轻原梁负担，间接达到加固补强的目的。此外，桥梁加固设计应注意各种加固方法的综合利用，通过调整结构内力，尽量地减轻原梁的负担，将加固补强工作量压缩到最少，使旧桥继续发挥固有的使用功能，以保证公路交通畅通无阻。
