公路旧桥的结构检算和加固设计
2011-06-03 来源：
1 前言
随着国民经济的发展和时代的进步，人们对安全、快速、舒适和美观的公路交通提出了越来越高的要求。由于历史和资金等原因，我国大部分20世纪六、七十年代甚或五十年代修建的桥梁仍在营运使用，但其设计荷载标准偏低和桥梁宽度偏小等因素，这些桥梁已成为交通运输中的潜在隐患。对这些旧桥、危桥如要全部推倒重建，则既不科学，更不现实。更何况岁月无情，任何一座“新”建的桥梁经过若干年大自然的侵蚀和使用，终将成为一座“旧”桥。所以，旧桥加固、维修将是一个永久性的技术课题，旧桥的加固利用和改造已成为桥梁工程建设中既古老、又年轻的新兴学科；实践证明，旧桥的检测、评定与加固是一项既综合繁杂，又在不断发展创新、逐步完善的技术，也是当今国际土木工程界所共同关心的热点问题之一，亦是桥梁建设可持续发展的一个重要组成部分和关键技术之一。旧桥加固改造技术，是针对正在使用的旧桥进行检测、评定、维修、加固或改造等技术对策的总称。国内、外的实践均以证明，旧桥加固、维修工作是一项技术上可行、经济上合理的举措。但由于旧桥加固的过程中常存在原始资料和图纸不全的客观原因；旧桥加固设计的规程尚在制订；旧桥加固设计的制约因素和技术风险远比设计新桥要大得多。
而且，旧桥加固是一项繁杂的系统工作，工程量往往不大，但涉及面广，并关联到诸多隐蔽工程。病害原因、加固方法常常因桥、因地而异，且施工工艺多具特殊性和复杂性。上述情况是旧桥加固工作的特点，应引起我们的重视。同时，实践也证明，尽管每座旧桥的情况各不相同，具有各自不同的特点，但旧桥加固也同其他任何事情一样，有其内在的规律，也存在一定的共性。我们应遵循桥梁加固、改造工作的共性，结合具体桥梁的特殊性，在实践中发挥积极性和创造性，不断进取和探索，采用最先进的技术和材料，在旧桥检测、评定、加固和改造工作中，创造和总结出多种多样的、切实可行的技术和方法。
1.1 旧桥加固工作内容
具体到对某座旧桥进行加固和改造时，既要针对其病害特点和环境条件等，采取相应的、有效的、甚至极具创造性的具体措施，同时也应遵循一定的工作步骤来开展工作。这些工作包括：
①日常养护发现桥梁存在较为严重的结构病害后决定进行加固的决策过程；
②对桥梁进行结构检查、检测和技术状况评定；
③旧桥的结构检算与加固维修方案的拟定；
④加固设计和编制工程预算；
⑤加固施工和加固后的鉴定、验收；
⑥加固前、后必要时进行动、静载试验等等。
1.2 关键的三项工作
上述旧桥加固的工作内容当中，以下三项是关键性的：
①检测、评定是旧桥加固工作的“前提”：目的——了解“病情”，诊断“病状”；要求——检查要全面、仔细，病害分析要准确。
②结构检算和加固设计是旧桥加固工作的“基础”：加固方法要合理，技术上要安全、可靠，加固方案的针对性强；灵活应用各种技术方法，创造性地开出“处方”。
③施工质量是旧桥加固工作的“关键”：加固施工好比外科医生给病人“做手术”，“成败”在此 一举。
2 公路旧桥的结构检算
2.1 旧桥结构检算和新桥设计理论计算的关系与区别
在进行公路旧桥结构检测与评定和加固设计前均应进行必要的桥梁的结构检算，这项工作是对旧桥进行实际状态评定和采取什么样的有效方法与措施进行加固维修设计的重要前提。
①一般来讲，新桥的设计与结构计算是经济、合理地拟定结构尺寸，检算桥梁结构的可靠性，并使其满足桥梁的使用和相应规范要求的过程。而旧桥的结构检算则是利用桥梁现有的结构尺寸、材料等信息，以及通过现场检查、检测而发现桥梁业已存在的病害和缺损等结果，对桥梁的受力性能和状况、以及安全可靠性进行分析并作出加固维修方案的决策过程。由于两者的工作在不同阶段进行，两者所拥有的信息及信息量必然会产生较大变化，这就导致旧桥的结构检算和新桥设计不仅在宏观上（涉及过程、原理、准则等）有所区别，在具体实施中（涉及对荷载和抗力的确定、结构分析方法的选择以及安全系数的调整等）也会有差异。对绝大多数桥梁来说，其新桥设计是一次完成的，而旧桥的维修与加固却常常是在不同的时间点可进行多次。另外由于所搜集到的信息、所采取的方法不同，即使对同一座旧桥进行结构检算和状态评定，桥梁工程师也可能会得出相差很大甚至相反的结论。
②目前公路旧桥的结构检算与分析，仍是基本上采用新桥的设计理论和方法再次进行验算，且大多数计算方法是以弹性理论为基础，尽量也考虑了某些因素对承载能力的影响，但由于对结构力学模型的简化与实际受力状况的差别（如未考虑实际支座的位置、钢桁梁节点的弹性、以及拱脚的固结情况等等），以及计算采用的简化材料本构关系与结构材料多维受力下本构关系的不同；以新桥设计理论和计算方法来进行旧桥的结构计算，难以充分反映桥梁的实际承载能力和状况，有相当多的检算结 果是偏于保守的。事实上，对特定使用条件的特定桥型其承载能力应是一个客观存在，所以对旧桥进行的结构检算应区别于新桥的设计验算方法。因此，有必要深入研究一种能合理、可靠、真实地充分考虑桥梁实际工作状况、以及结构和材料情况的旧桥检算与分析评定方法。
③为真实反映旧桥的实际承载能力，在进行旧桥结构检算中应考虑材料的真实情况，如可以考虑混凝土在双向受力下的破坏准则及非线性本构关系。混凝土在双向受压和未开裂时为各向同性材料，开裂后应视为正交异性材料，并应考虑拉伸劲化和软化效应；而对于混凝土和钢筋的强度及弹性模量则应尽量采用在旧桥结构检测时的实测值。当肋式拱桥的拱脚出现较严重的横向裂缝时，应考虑到原拱脚的固定条件已改变，宜按铰接来简化并按内力重分布的方法进行结构检算。
2.2 旧桥的结构检算特点
①在我国已建成通车的公路桥梁中以中、小跨径的梁式桥和拱式桥居多，由于近年来的计算理论的发展、计算机及桥梁结构计算分析软件的普及与应用、以及桥梁静、动载测试设备的完善及测试经验与资料的积累，充分证明了过去在桥梁的设计理论和结构计算中许多未予考虑和不甚明了的因素。诸如由于桥面铺装层的参与结构受力使得跨中实测挠度普遍小于理论计算挠度值；而拱上建筑的联合作用和活载的横向不均匀分布等也都被广泛证实是客观存在的，其影响程度是不容忽视的，尤其是在旧桥的结构计算分析和加固设计时应充分考虑和加以利用的。
②在旧桥的结构检算时，一定要根据桥梁的实际结构型式，尤其是桥梁的实际横向联系的形式和强弱来选择采用哪种荷载横向分布系数的计算理论和方法。例如，对于预制安装的T梁桥，当横隔板间距较小时，宜采用比拟正交异性板法来计算荷载横向分布系数；当横隔板间距较大时，则宜采用刚接梁法来计算荷载横向分布系数才更符合桥梁实际受力状态。
③在进行旧桥的结构检算时，还应根据桥梁检测时所发现的较显著的病害来补充必要的局部结构检算。例如，许多连续箱梁桥的桥面铺装层网裂和破损非常严重，检查后发现多为少设或未设横隔板的宽箱窄腹板的箱梁。对于此类桥的结构检算，不仅要计算箱梁的纵向弯曲应力和刚性扭转应力，还应计算横向截面的畸变应力和横向弯曲应力。当横向弯曲应力过大，或箱梁顶板厚度较薄、刚度较小，即为桥面网裂和破损病害产生的主要原因，对应的加固方案为重做桥面铺装层（此时一般不宜增加其 厚度，避免影响桥梁纵向线型），设置加密的钢筋网，并加粗配置横向钢筋，或者增设横隔板。
④和新桥的结构计算不同的是，当旧桥的水泥混凝土桥面铺装层和梁体结合可靠、且无破损现象时，可扣除表面2cm磨耗层后将其考虑与梁体共同受力，一并参与结构计算。
⑤在截面应力检算时，不仅要按新桥一样对各控制截面进行计算，还应着重对有严重缺损的截面在考虑截面折减后进行检算，并以此作为选择加固方案和加固设计的一个重要依据。
2.3 旧桥结构检算的一般程序
①公路旧桥的结构检算一般至少要进行两次：首先是基于桥梁原设计资料和经现场结构检查、检测得到的桥梁实际情况进行结构检算（加固前），并以此检算结果作为评定桥梁状况和判定是否要进行加固维修的重要依据。其次，则是在拟定加固维修方案后，根据不同的结构处理后的信息再次进行结构检算（加固后），检算结果主要用于判定加固方案是否可行和是否达到加固设计要求。
②加固前对桥梁结构的结构检算，其结构离散后的计算模型应根据桥梁结构检查、检测结果进行必要的修正，充分考虑桥梁结构的实际情况和材料性能的变化，计入旧桥检算系数和结构恶化系数等影响。
③加固方案确定后的结构检算，应采用加固后的桥梁结构型式和截面尺寸等来进行加固后的桥梁结构内力计算和承载力检算。加固后的桥梁可能是组合结构，在检算时应注意区别对待。
3 公路旧桥的加固设计
3.1 加固方案的选择
旧桥的病害原因找准后，接下来就是选择加固方案。国内外已有很多成熟的旧桥加固技术和方法，但要针对某座桥的具体特点加以综合考虑，要重点考虑技术可行性、经济合理性和体现创造性。一种病害可能采用多种方法都能处理，如何选择最优的方案，这是切实加固好一座桥梁的最基础工作。
3.2 加固设计
加固方案确定后，接着就是进行细部的结构设计。要强调是：由于旧桥加固施工的特殊性，设计人员应将施工方法、工艺流程或施工顺序阐述清楚，并应有相应的技术要求和衡量工程质量的指标。
3.3 桥梁加固设计人员的职责与要求
①既要熟练掌握桥梁设计理论和方法、相关设计规范和标准，还要了解熟悉施工工艺和要求，另外，随时跟进掌握国内外可用于桥梁维修与加固的新材料、新技术和新工艺，才能做好旧桥的加固设计。
②应熟悉和掌握桥梁的设计荷载和实际使用荷载的特点与区别；如在分析桥梁结构如何承受荷载，及承受荷载后的应力和应变（变形）情况时，应明白作用在公路桥梁上的使用荷载是活荷载，而移动性、暂时性是其特点，该作用的大小及作用点，是随时间而变的。
③设计人员通过对桥梁的检测和分析，已了解了桥梁的病害和产生原因，也针对性地提出处治措施，并绘制了加固设计图，但最终还是要通过施工单位的加固施工去体现其意图和达到加固补强的目的。因此，设计人员要切实配合好施工全过程，尤其是施工前的技术交底，要详细讲解，以求施工人员明白设计意图和工程质量要求。同时，要充分调动施工人员的积极性和创造性，从而补充和完善加固设计的不足。最终目的就是共同搞好加固施工，使加固设计意图和目的完全达到。
4 结束语
旧桥加固技术是一门新兴的学科，也是始终在完善、补充、发展的学科，随着桥型的改变、新材料、新工艺、新技术的出现，新的、更好的加固方法就会出现和得到应用。所以，旧桥加固是一项非常有意义、有前途、有成效的工作，也可以充分体现技术人员个性化：一个病害可以用很多种方法处理，谁优？科学抉择；好坏？实践检验。
总之，要做好旧桥的结构检算和加固设计工作，应多收集资料，积累经验，多加交流，共同进步与发展；应努力做到：认真工作，慎重决策，精心设计，创造性开展工作。
