旧桥承载力演变过程及加固施工方法对其影响分析
2015-06-30
引言
随着国家国民经济的发展和人们物质文化生活水平的日益提高，对通行能力的需求呈迅速增长的发展态势，交通运输车辆载重量急剧增加、车速提升，对道路技术标准提高意愿日益急切，由此而来，交通需求的增长与桥梁承载力衰变之间呈现的供需矛盾日益突出。然而，已建桥梁超负荷运作的外因，不断激发结构本身性能的衰变，当桥梁结构安全富余能力耗散之后，各种内部缺陷及诱发病害日益显露出来，在长期疲劳荷载与环境灾害作用下，结构逐渐衰变。结构衰变的功能特征表现在桥梁结构的强度、刚度、稳定性、耐久性等物理力学性质的衰退。由于桥梁结构的复杂性，利用目前的桥梁检测手段，可以对桥梁的外观病害和荷载响应做出基本判断，初步评估桥梁的工作状态，并根据桥梁检测结果提出加固补强方案。但是在大量桥梁加固过程之中，桥梁加固后的承载能力并没有得到有效提升，很难满足交通对桥梁承载力不断提升的需求。在加固方案设计阶段，更多的是对旧桥进行病害治理，达到旧桥新建时候的承载力为最终目标，而旧桥是否存在承载力继续提升可能性和如何提升方面考虑的并不深入；在施工阶段，很多病害治理和加固过程存在旧桥受力变化，不同的施工顺序对旧桥承载力影响也不尽相同。
本文基于桥梁承载力演变理论，对旧桥承载力演变过程进行分析，提出旧桥处于各种承载力阶段应注意的养管特点和最佳加固阶段选择。以金渝大道渝长高速跨线桥应急抢险工程为例，分析了该桥承载力所处演化阶段，探讨了市政桥梁加固施工方法对桥梁承载力的影响。
1、旧桥承载力演变过程分析
桥梁建成后整个服役期，结构性能总是处于变化的过程中，其变化总的趋势是由新至旧、由高到低、由好到坏的减弱变化过程，且符合客观事物生存兴衰变化总势趋。变化的功能特征表现在桥梁结构的强度、刚度、稳定性、耐久性等物理力学性质的衰退；结构自身外部特征表现在结构变形增大、裂缝发育、混凝土表面碳化加剧、钢筋锈蚀加重、构件呈现损伤破坏等。重庆交通大学肖盛燮教授等[1]对桥梁承载力演变做了深入研究，提出桥梁承载力演变理论，将桥梁承载力演变分为四个阶段，分别为承载力耗散阶段、承载力衰变阶段、承载力溃损阶段、承载力提升阶段，各阶段递推和衔接关系如图2示。
根据桥梁承载力演变规律，采取不同的养管措施。承载力耗散阶段是桥梁富余承载力被逐渐消耗的过程，是桥梁承载力变化的初期阶段，主要采取经常性的养护维修，以维持桥梁的正常运营，保持和延长桥梁寿命。但是在旧桥有新的使用要求或存在不能满足交通通行能力需求时，需进行必要的补强加固技术改造，提升桥梁承载力。桥梁承载力耗散阶段即是结构自身开始呈现病害，承载力逐渐降低的过程，还是旧桥承载力与交通供需之间安全富余逐渐减少的过程。
在桥梁承载力衰变阶段，桥梁出现不同程度的病害，虽然能够基本满足安全运营，但需要进行结构补强、限载等技术管理措施来维持桥梁的正常运营，延长桥梁寿命。目前，大量的旧桥加固都是在这个阶段进行的，在对旧桥定期检测之后发现不断出现更多新的病害。因此旧桥加固的效果就极为重要，可能能够提升旧桥承载力，可能能够保持旧桥承载力当前水平，但也有可能只是延缓了旧桥承载力继续下降的趋势。在旧桥检测过程之后，应加强旧桥承载力定量评估，对旧桥承载力提升做可行性评估，进而确定最优加固方案。旧桥按照加固方案实施之后，应对加固后的旧桥承载力进行重新检测，最终确定旧桥承载力加固之后的真实状态。
当桥梁进入溃损阶段时，桥梁结构处于失效状态，即在当前状态下结构可靠性不能满足要求，虽然经过加固后可以满足可靠性要求，但在剩余使用寿命期内所创造的效益小于加固费用或目标效益，导致结构不值得加固或维修。在这个阶段，应该封闭桥梁继续运营，或者改变为交通荷载要求更低的用途，或者拆除重建。
2、旧桥最佳加固阶段的选择
基于以上对承载力演化各阶段的分析，可以初步确定旧桥最佳加固阶段为承载力耗散阶段中后期，提升旧桥承载力与交通供需的富余程度。根据交通需求趋势设计加固方案，提高旧桥承载力达到或者超过新建时候承载水平，保持旧桥安全运营，减缓旧桥承载力耗散速度，控制病害向关键部位发展。在这个阶段进行旧桥加固可以比较容易达到或超过新建时候的承载力，能够满足交通日益增长的需求。
旧桥出现明显病害，而且发展趋势明显，旧桥的承载力处于衰变阶段。这个阶段的旧桥结构越来越明显表现出满足交通需求困难，则必须进行对旧桥承载力提升，保证交通正常运行。处于这个阶段的旧桥提升承载力需进行可行性评估，评估结构病害是否能通过加固措施能够提升至或者超过新建时候的承载水平。工程实践表明，通过加固技术措施，大多数桥梁只能接近新建时候的承载水平，或者只能勉强满足目前交通需求。因此，对于承载力处于此阶段的旧桥应该加大检测密度，定期掌握加固之后的响应状态，防止旧桥病害向结构关键部位发展，必要时需采取交通限制措施。
3、工程示例
3.1工程概况
金渝大道渝长高速跨线桥位于金渝大道上，上跨渝长高速公路，为一座两跨预应力砼预制空心板桥，桥梁总长为50m，桥跨布置为25m+25m，半幅桥面宽23m。预制孔板为C40砼，板宽1.49m，板高1.1m，桥梁分为左右两幅，两个桥横向完全分离，中间设置8m隔离带。桥面铺装采用12cm厚的钢筋混凝土桥面铺装。该桥于2003年建成通车，原设计荷载等级为汽-超20、挂-120。
该桥于2009年12月进行了一次桥梁检测，检测结果为：（1）全桥每片预制板均发现2～5条顺预应力钢束裂缝，裂缝一般较长，沿桥间断分布，缝宽介于0.06～0.20mm；（2）桥面车行道铺装层表面有大量纵向裂纹，台后搭板存在不同程度破损、开裂现象等。 2012年1月，对该桥重新进行了一次检测，上部结构裂缝与前一次检测基本一致，主要表现为空心板底板纵向裂缝，但裂缝呈增多、变宽趋势；桥面铺装病害严重加剧，并出现穿孔破坏，裂缝增多变宽；伸缩缝钢板预埋筋外露锈蚀，与铺装接缝处砼碎边等；最后对该桥技术状况评定为D级桥梁。
3.2旧桥承载力分析
根据检测报告，金渝大道渝长高速跨线桥结构承载力能够满足设计荷载要求，但桥梁横向整体性较差，荷载横向分布系数达不到设计要求，由空心板整体受力逐渐向单片独立受力方向发展，空心板受局部荷载增大。旧桥整体性能减弱主要原因为：（1）桥面铺装开裂，导致车辆荷载直接作用于空心板上，尤其是铰缝附近；（2）交通量增大，超载超限车辆增多，铰缝传递荷载时在重载反复作用下出现疲劳损坏，严重降低了铰缝横向传递荷载能力。
通过现场病害勘查和检测结果，可以判断该桥承载力正在耗散，病害正在加剧，处于旧桥承载力耗散阶段中后期。通过设计计算分析，该桥通过治理承载力可以提升，达到或者超过新建时候的承载力。该桥经设计专家评审结论：鉴于现有桥梁结构承载能力满足要求，建议进一步简化空心板底面处治，必要时可对于车行道范围的空心板在采用粘贴碳纤维布进行耐久性处置同时，适当增强结构承载力，以适应交通量的不断增大。
基于检测报告和专家评审意见，该桥主要加固措施为：（1）优化植筋方案，仅在空心板腹板位置增加植筋，并采取了加强新旧砼的粘结的措施和桥面钢筋网，以确保桥面铺装部分参与结构工作和桥梁横向整体性；（2）对空心板之间铰缝进行加强，桥面上部分将铰缝破损部分凿除灌注环氧砼，桥底下面对空心板拼缝进行灌注环氧砼封闭，增强桥梁横向整体受力能力；（3）优化碳纤维加固方案，仅在车行道范围内增加碳纤维，以提高空心板承载能力，对空心板上的纵向裂缝进行灌注处理。
3.3加固施工方法
旧桥加固过程既有加载过程，也有卸载过程。根据不同加固部位和工序，加卸载过程也不同，旧桥加固过程存在受力变化。为了达到该桥加固目的，提升桥梁承载能力，该桥加固施工是在封闭桥上交通条件下进行的。
该桥加固施工顺序如下：凿除桥面铺装、清除绿化带及过厚土层→空心板底部裂缝处理→桥底空心板拼缝环氧砼灌注封闭→粘贴碳纤维、全桥耐久性涂装施工→桥面铰缝处理、桥面铺装施工→更换伸缩缝→防抛网、人行道、抗滑层施工→桥梁荷载试验→验收通车。
3.4加固后旧桥承载力情况
按照加固设计图施工和施工顺序完成之后，对该桥进行了荷载试验，检测结果反映，该桥通过加固改造之后，结构承载力得到了大幅度提高，超过新建时候的承载能力，横向分布系数达到设计标准，各项检测指标满足设计荷载要求。
4、结论
旧桥检测、评估、设计、施工应该围绕旧桥承载力为主线，根据旧桥承载力发展不同阶段和交通变化情况制定相应的养管措施，建立旧桥承载力发展变化趋势信息库，从而适时掌握旧桥健康状况，确保旧桥安全运营。本文引用的加固示例说明，旧桥承载力的一些力学指标通过加固技术措施是可以超过新建时候的水平，满足交通增长需求，实现更大的社会效益。
