桥梁加固与维修
2010-09-10
随着我国公路交通事业的迅猛发展，公路交通量不断增加，超载重车辆不断出现，公路桥梁负荷日趋加重。而公路桥梁本身在施工过程中受到一些难以控制的不利因素的影响，在建成运营中又受到风、雨、水流的侵袭，温度、湿度变化的影响，通过车辆荷载及冲击的作用，甚至遭到地震、船舶撞击的严重损害，使得其承载能力与交通需求的矛盾日益突出。为逐步解决这一矛盾，在现有的国民经济条件下，对有缺陷的桥梁进行加固补强与技术改造已成为公路养护与设计研究部门的当务之急。
公路桥梁的结构缺陷种类众多，情况复杂，但无论是梁桥结构、拱桥结构或是索桥结构，也不论是桥梁上部结构还是下部结构，归结起来，也不外乎有裂缝、钢筋锈蚀、混凝土结构破坏、承载能力不足以及结构的局部损坏等缺陷。若是预应力结构，还有无粘结预应力混凝土的若干问题、预应力索失效等缺陷。同时，桥梁附属结构包括桥面铺装、防水层、伸缩缝、支座等均存在各自的缺陷和病害。下面主要介绍几种桥梁加固的常用方法及实例。
1.体外预应力加固法
1.1 概述
钢筋混凝土梁桥，当其存在结构缺陷，尤其是承载能力不足或需要提高荷载等级，即需要对桥梁主要受力结构进行加固时，可在梁体外部(梁底和梁两侧)设置预应力加劲钢丝索或预应力粗钢筋补强，并分别锚固在梁的两端，通过设置一定的联结构件使预应力拉杆(钢丝索或预应力粗钢筋)与梁体构成一个桁架体系，成为一次超静定结构，从而抵消部分恒载应力，起到卸载作用，从而较大幅度地提高桥梁的承载能力。体外预应力加固法比梁底增焊(或粘贴)钢筋(或钢板)的加固方法相比，不需清凿混凝土保护层，且损伤梁体程度小，加固时不影响或少影响交通，能恢复或提高桥梁的荷载等级，经济效果较明显。但对于梁体外的预应力筋和有关构件应采取切实有效的防护措施，否则在温度、腐蚀等外界条件作用下，容易造成预应力筋断裂而使加固工作失败。
通过在梁体外布设钢材的拉杆或撑杆并与被加固的梁体锚固连接，然后施加预应力，强迫后加的拉杆或撑杆受力，从而改变原结构的内力分布，并降低原结构应力水平，使结构总承载力显著提高，且可减少结构的变形、裂缝宽度缩小甚至完全闭合。这就是体外预应力加固梁桥，并能提高其承载能力的机理。
1.2 加固实例
广州市丫髻沙特大桥副航道桥为86m+160m+86m连续刚构。2000年3月竣工，6月通车运营。运营3年多后，发现使用中出现桥面下挠，并在随后进行的梁体外观检查中发现刚构中跨跨中区域梁体底板及腹板开裂现象严重，中跨跨中底板横向裂缝宽度在0.15mm-0.3mm之间，最大裂缝达0.5mm；腹板出现斜裂缝，主要分布在边跨现浇合拢段和中跨0.3L-0.45L，0.55L-0.70L位置，最大裂缝宽0.45mm；中跨跨中最大下挠度22.23cm。
1.2.1 体外预应力索布置
根据连续刚构的受力特点，仅在中跨沿两腹板外侧布置预应力索，为折线形布置，每侧4束，全桥两幅共16束。体外索通过双薄壁墩顶0号块腹板外侧设置的两对锚箱锚固，所有体外索均在1号锚箱完成转向，1号索和3号索在1号锚箱锚固，2号索和4号索在2号锚箱锚固。在跨中每根索对称跨径中心线设置两个转向点。在体外束直线段，为防止桥面行车引起钢束过大振动，沿体外束纵向每隔10 m左右设置一道防振限位装置，此外在跨中转向点处，为防止未转向索振动时与转向点钢箱加劲板相碰应设置保护措施。
1.2.2 主要施工工艺
(1)0号块锚固点：a．搭设施工支架(平台)；b．清理和修整混凝土表面；e．在腹板锚固钢箱位置钻孔植螺杆；d．安装箱内钢板；e．吊装焊接好的锚固钢箱，并将腹板内侧钢板及外部锚固钢箱用板
材用环氧粘接剂和锚栓连接在腹板上，此时须拧紧螺栓并初张拉横向预应力钢绞线，最后在箱内浇筑混凝土，待浇筑的混凝土达到设计强度后将横向预应力张拉到设计值。
(2)体外索转折点：a．在预制转向钢箱的同时在梁体的锚固位置种植化学螺栓；b．将制作好的钢箱安装在箱梁底板上；e．将一幅桥的两侧钢箱在箱底用焊接型钢连接。
(3)体外索张拉：体外索应对称逐级张拉(张拉时一幅桥的8根索应同步对称张拉)，每级不超过张拉设计值的30%，在每张拉完一级时要仔细检查每个锚固点及转向点的受力情况，是否有新的裂缝及过大变位出现，如有不良病害出现立即停止张拉，查明原因采取补强措施后再进行张拉；当张拉到设计值的50%时，查看跨中底板裂缝的闭合情况及跨中开裂区是否产生压应力；如裂缝闭合且开裂区有小的压应力出现可进行裂缝灌浆，灌浆完毕后将体外索张拉至设计值，读取跨中下缘应力及上挠值，与设计预计值对比。
(4)体外索防振设施：采用在腹板外侧打孔埋栓方式与索上的减振器连接(索夹)。
2.粘钢法加固
粘钢法加固桥梁一般采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板、钢筋或玻璃钢等抗拉强度高的材料粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载能力的目的。一般将钢板粘贴在被加固桥梁结构受力部位的外边缘，以便充分发挥粘贴的钢板强度与作用，同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷，约束混凝土变形，从而有效地提高被加固构件的刚度和抗裂性。
(1)为了提高桥梁结构的抗弯能力，一般在构件的受拉缘表面粘贴钢板，使钢板与原结构形成整体来受力，此时以钢板与混凝土粘结处的混凝土局部抗剪切强度控制设计。合理与安全的设计应控制在钢板发生屈服变形前，粘结处混凝土不出现剪切破坏。
(2)当桥梁结构的主拉应力区斜筋不足，为了加固和增加结构的抗剪切强度时，可将钢板粘贴在结构的侧面，并垂直于剪切裂缝的方向斜向粘贴(斜度一般为45º-60º)，以承受主拉应力。
(3)补强设计时，钢板可作为钢筋的断面来考虑，将钢板换算成钢筋，原有构件承受恒载与活载，增加的钢板承受原有构件承受不了的那部分活载。
(4)在构造设计时，加固用的钢板可按实际需要采用不同的形状，但钢板的厚度必须比计算出的厚度大些。用于抗弯能力补强的钢板尺寸尽可能薄而宽，厚度一般为4mm-6mm，较薄的钢板可有足够的弹性来适应构件表面形状。用于抗剪能力提高的钢板厚度宜厚些，依设计而定。
(5)设计钢板长度时，应将钢板的两端延伸到低压力区，以减少钢板锚固段的粘结应力集中，防止粘结部位构件出现裂缝或粘贴钢板被拉脱现象的发生。
(6)粘贴法加固桥梁，如何确保钢板和被加固构件形成整体受力是加固成功与否的关键，所以，在补强设计时，除应考虑钢板具有足够的锚固长度、粘结剂具有足够的粘结强度和耐久性外，为避免钢板在自由端脱胶拉开，端部可用夹紧螺栓固定，或设置U型箍板、水平锚固板等，并在钢板上按一定的距离用螺栓固定，确保钢板与混凝土之间的粘结力满足抗拉或抗剪强度的需要。
3.外包混凝土法加固
外包混凝土加固法又称加大截面加固法，它是增大构件的截面和配筋，用以提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性，也可用来修补裂缝等，适用于梁式桥和拱式桥。
根据不同的加固目的和要求，可分为加大截面为主加固和加配筋为主的加固，或两者同时采用的加固。加固中应将新旧钢筋以焊接，或用锚杆联结补强钢筋和原构件，同时将旧混凝土表面凿毛清洗干净，确保新旧混凝土良好结合。外包混凝土加固法使用普通混凝土，强度等级不低于C20，当加固层较薄，钢筋较密时，可用细石子混凝土，在条件许可的情况下亦可采用钢纤维混凝土加固，配置的钢材除普通钢筋外还可采用型钢和钢板。外包混凝土加固法缺点是现场湿作业工作量大，养护期较长，并对结构外观和净空有一定影响。
外包混凝土加固法的构造要求：1)新浇混凝土的最小厚度不应小于40mm，用喷射混凝土施工时不应小于50mm。2)配制混凝土用的石子宜用坚硬耐久的卵石或碎石，其最大粒径不宜大于20mm。3)当采用钢筋补强时，纵向受力钢筋的直径不宜小于12mm；封闭式箍筋直径不宜小于8mm，U型箍筋直径宜与箍筋直径相同。4)当采用型钢和钢板补强时，应将其和原结构的钢筋进行联结，或采用锚栓与原结构联系，切实保证力的有效传递和能够参与原结构共同受力。5)加固的受力钢筋与原构件的受力钢筋间的净距不应大于20mm，并应采用短筋焊接连接；箍筋应采用封闭的或U型箍筋。
4.结语
旧桥的加固、维修工作应当说是一项技术上可行、经济上合理的举措，但也存在许多实际困难，如旧桥原始资料难以查找，缺乏资金和成熟的技术支持，使得旧桥加固工作难以开展。然而，随着我国高速公路的建设和发展，将逐步建成全国干线和高速公路网络，其中原有的公路将发挥干线到支线、到各地分散物流的重要作用。因此，研究延长既有桥梁使用寿命的方法，力求加以充分利用，使有限的建设资金用于当前亟需的工程，是一项十分重要而有意义的工作。
