铁路桥梁加固（一）
2015-04-20
第一章 绪论
第一节 国内外桥梁现状及加固改造的迫切性
随着国民经济的发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越大，尤其是推行拖挂运输和集装箱运输后，重型车辆日益增多，现有相当一部分公路桥梁已满足不了使用要求，这是世界各国所面临的严峻问题。例如：据美国1981年统计共有公路桥梁566000座，曾调查了514000座，其中98000座桥必须关闭交通，或降低使用标准或立即整修，约占总数的20％；102000座桥老化，桥面太窄或承载能力偏低，约占总数的20％。其他国家均面临同样的问题。桥梁的陈旧、老化、强度降低，这是一个全球性的问题，引起了世界各国的极大关注，并提到了刻不容缓的议事日程上。目前，在世界范围内，桥梁维修、养护、加固的技术已成为交通研究领域中的重要课题。由西方24个发达国家参加的联合国“经济合作与发展组织(OECD)”，于1981年召开“关于道路桥梁维修管理国际会议”；1982年召开的“国际桥梁与结构会议”，1983年召开“第十七届国际道路会议”，很多国家对现有桥梁的安全性评价、检查及维修加固等方面，提出了众多篇有价值的论文。该“组织”还组织有关国家进一步开展这方面的研究工作。1980年在巴黎和布鲁塞尔，1982年在华盛顿，都曾召开关于旧桥问题的国际专题讨论会。
随着世界上许多发达国家公路网络的日趋完善，新建公路、桥梁逐渐减少，已建公路、桥梁的维修、养护、加固、改造已成为公路交通部门的工作重心。
在我国，建国以来随着交通运输事业的发展，特别是近20年来，我国公路建设事业蓬勃发展，不仅车辆数量急剧增加，而且车辆重量越来越大。尽管我国公路的通行能力和服务水平已经得到了很大的改善和提高，尤其是“九五”期间，国家进一步加大了基础设施建设投资，公路面貌日新月异，每年新建的高速公路由几十公里上升到一千公里以上，到2000年底，全国高速公路总里程已达到16285公里(未计人台*防屏蔽*湾省)，全国公路里程达到167．98万公里，公路密度达到17．5公里／百平方公里，为1978年的1．86倍。二级以上公路占全国公路总里程的比重由1979年的1．3％提高到2000年的13．1％，主要城市之间的公路交通条件显著改善，公路交通紧张状况初步缓解。同时，县乡公路里程快速增长，质量也有很大提高，有的省份已实现全部县道铺筑沥青路面，乃至达到二级技术标准，全国实现了100％的县、98％的乡和89％的行政村通公路。但是我国幅员辽阔，就整个公路网络而言，在国民经济总体中，公路交通设施的“瓶颈”制约因素，尚未得到根本的缓解。在现有公路上，数以万计的旧桥，特别是上个世纪80年代以前修建的桥梁，由于设计荷载标准低，承载能力不足，宽度不够，加之年久失修、维修养护不够，相当多的桥梁发生不同程度的破损，正逐步成为危桥，成了不断提升技术等级的公路上卡脖子路段。根据1982年不完全统计，我国在20世纪80年代以前修建的公路桥梁有136，000座，大部分是按1972年以前部颁标准建造的，其中危桥4，823座，共12，788延米，单是大、中桥，汽一10级以下标准的就占8．6％，近11．7万延米。以当时四川省为例，全省公路里程为95592公里，公路桥梁共14，573座，共416，011延米，其中大、中桥梁2，873座，229，311．9延米。而汽一20、挂一100荷载等级以上的桥梁只有230座，35，060．5延米，仅占全省大、中桥梁总数的8％。全国其他省、市、自治区的情况也大致如此。边远省份的状况更严重一些，例如，新疆除1978年以后按汽一20、挂一100荷载标准设计修建的8座桥梁外，其余91．7％的桥梁均是按汽一15以下荷载标准设计修建的，而汽一13、拖一60以下标准占了59．89％，远远跟不上交通发展的需要。尽管改革开放以来，我国的交通建设取得了长足发展，截至1998年底，全国已共有公路桥梁210，822座。但由于我们国家是个发展中国家，虽然建设桥梁时，充分考虑了当时、当地远景经济发展和社会诸多方面的技术需求，采用了当时先进的技术和材料，但仍在很大程度上难以摆脱历史的局限性，并受到当时经济状况的制约。
随着我国经济建设的高速发展，社会工业化水平提高，不仅车辆数量急剧增加，车辆重量增大，而且车速也相继提高，人们对道路的服务水平也提出了新的要求。近20年来，尽管我国开始了对旧桥加固改造技术的研究，在“六五”、“七五”计划期间，各地交通部门对大批旧危桥进行了加固改造，但由于旧危桥数量庞大，加上20世纪80年代以后修建的桥梁随着运营年限的增加，也逐步进人了维修养护期，缺陷和病害开始显现和发展，特别是大型、重型车辆与日俱增，超限、超载车辆越来越多，对桥梁的损伤和破坏日趋严重，大批桥梁又加入了维修、养护、加固改造的行列，从而使桥梁建设可持续发展问题日显重要和突出。以重庆市旧危桥加固改造计划为例，截止2003年底，重庆市共有桥梁1800余座，国、省道上尚存四类危桥143座，承载力不足，亟待提高荷载等级的旧危桥601座，占现有桥梁总数的40％以上；据四川省2001年普查资料，全省共有桥梁17，521座，虽经多年加固改造，目前仍存在病危桥945座，占桥梁总数的5．4％，并有相当比例的桥梁承载力偏低，不能满足交通发展的需要，有待于加固提高荷载等级。特别值得一提的是，即使20世纪90年代以后修建的钢架拱桥、悬索桥、肋拱桥、斜拉桥等由于车辆超载现象严重、超负荷运行及设计不合理、养护未跟上等诸多原因，也相继出现病害。重庆长江二桥(李家沱长江大桥)为主跨440m的混凝土斜拉桥，通车不到十年，就出现大量病害，投入了上千万元的加固补强费用。全国各省市的情况基本相似，必须引起我们的高度重视。交通部《公路科学养护与规范化管理纲要》(1991-2000年)中提出“到本世纪末，基本上消除国、省干线公路上的危桥，并初步达到通行国际标准集装箱车辆的标准”。历史已进入21世纪，目前来看，要达到纲要上制定的目标，还有相当的差距，任重而道远。
对于上述不能适应现代交通运输的桥梁，如果全部拆除重建，不仅资金耗费巨大，而且在时间上也不允许。即使经济最发达的美国，若将40％的桥梁推倒重建，大约需要3000-5000{乙美元，也是不现实的。因此，世界各国不论是发达国家或是发展中国家，无一不把已建桥梁视为国家的宝贵财富，竞相投人大量的人力、物力，不断加强现有桥梁的维修、养护、加固与改造，使其恢复设计承载能力或提高荷载标准，把延长桥梁的使用年限，保障公路建设的可持续发展作为一项基本国策。在公路建设中，我国交通部也要求各级交通主管部门要积极贯彻“建养并重”方针，切实纠正“养路不养桥”的倾向，将桥梁的检查、维修、加固与改造工作列入议事日程，及时发现桥梁发生的病害和出现的缺陷，并及时维修、加固补强，防患于未然，加快旧危桥整治、加固的步伐，确保交通畅通和发展。因此，加固旧危桥，恢复和提高它们的承载能力，使其继续为现代交通运输服务，可以给国家带来巨大的社会效益和经济效益。据国外资料介绍，旧桥的加固改造费用仅为新建桥梁的10％-20％左右，国内已有经验表明，一般情况下拱式桥梁的加固费用约为重建新桥的20％—30％，梁桥的加固费用约高于拱桥，通常为30％—40％，较重建新桥可以为国家节省大量的资金，社会、经济效益十分显著。
20世纪80年代以来，我国在旧桥加固改造技术的研究和试验方面进行了大量的工作。交通部在“六五”、“七五”计划期间下达了一系列有关旧桥检测、承载力评定及加固技术的科研课题，举办了多次桥梁维修、养护、加固、改造技术的学术会议。各省、市、自治区交通部门都在桥梁维修、养护、加固、改造的实践中取得了不少成功的经验，并在实践中获得了显著的社会、经济效益，推动了交通事业的发展。随着交通运输的发展需要，旧桥的维修、养护、加固与改造必将成为桥梁工程中的一门新兴学科，这是毫无疑义的。西方一些发达国家已先后把公路、桥梁的维修、养护、加固与改造纳入大专院校土木工程学科的重点课题，培养了一大批维修，养护和加固改造的专门技术人才。随着社会的进步和发展，在我国也只是时间早晚的问题。
第二节 桥梁加固改造的技术途径、设计原则及基本要求
一、旧桥加固与技术改造中的几个问题
1. 旧桥
旧桥凡是需要进行维修、检测、加固及技术改造的桥梁，都可认为是“旧桥”。在一般情况下，旧桥不外乎要解决三大问题：维修、整治、加固和技术改造。
（1）维修
旧桥正常维护和修缮工作内容：常规的排、堵、防水设施维修，桥面伸缩缝中的异物清理、破损围栏的修复，支座的防护等。
（2）整治
对桥梁(不影响桥梁受力的构件部位)常见的缺损和缺陷进行整治和处理，如：桥面铺装层、伸缩缝装置、防水设施、轻微的结构破碎等的常规维护和修复工作。
（3）桥梁加固与技术改造
对桥梁构件补强、改善结构性能，提高桥梁的承载能力和通行能力，延长桥梁的使用寿命，适应现代交通运输的要求。桥梁维修加固和改造一般分为：永久性加固和临时性加固；前者加固的结构需要长期的保留在桥梁的结构之中；后者是为了通行超重车而采用的临时性加固措施。
2．旧桥加固与技术改造的主要工作内容
(1)加固与技术改造
①桥梁上部构件加固；
②桥梁下部构件加固；
③桥梁基础处理；
④拓宽桥梁的行车道、人行道；
⑤提升桥梁上部结构；
⑥更换桥梁结构；
⑦桥梁引道的路线线性改造。
（2）桥梁维护、整治
①桥梁结构小修和小养
桥面的整治；排水系统处理；裂缝、剥落、缺角、钢筋外露处理(在不影响桥梁承载力情况下)；支座维护处理；防锈、防腐处理。
②桥梁的定期检查。
③桥梁的超重车控制。
④桥梁的技术资料的管理和保存。
二、目前桥梁加固改造的技术途径
桥梁加固一般是指：通过对构件的补强和结构的性能改善，以恢复或提高现有桥梁的承载能力，延长使用寿命，适应现代交通运输的要求。目前，国内外对桥梁进行加固改造的技术途径主要有以下五种：
1.加强薄弱构件
在桥梁上，对于有严重缺陷的部位，或者因要通行重型车辆而不能满足承载要求的部位，如：梁桥的跨中部位、支座部位、承受负弯矩的部位；拱桥的拱顶、拱脚、1／4拱跨部位；以及其他变截面处等，采取加强措施，进行补强。在桥梁结构中，特别要注意的是：桥梁的薄弱处一般在受拉区范围内，受压区的情况则比较少。所以，对于薄弱处补强方法，往往采用喷射混凝土、粘贴钢板，增大主梁或主拱圈截面的方法，增加其强度，以及采用高等强度混凝土或环氧混凝土砂浆封填裂缝，增设预应力钢筋或粘贴附加构件对缺陷进行处理。
2．增加辅助构件
在桥梁承载力不足或因为某种原因致使桥梁遭受破损时，可以在原有的结构上增加新的受力构件，如：梁桥中增设主梁、横隔梁；简支梁之间加设辅助构件，使其成为连续梁的工作状态；梁下部采用八字支撑方式，增加跨孔改变受力状态；拱桥中采用梁式结构替代回填料等。特别注意的是：在更换原有结构上的有严重缺陷、又不能修复的构件时，必须设置足够的临时支撑，或采取可靠的措施，以保证整个结构在施工中的安全。
3．改变结构体系
根据桥梁的实际状况，采用梁式结构改为拱式结构；拱式结构改为梁式结构；简支梁改为连续梁；单跨结构改为多跨结构；增加支点；铰接支撑改为刚性连接等，通过这些手段达到改善结构薄弱处的受力状态，提高整体桥梁的承载能力。
4．减轻恒载
减轻桥梁上部结构的恒载，改善原桥梁的受力状态，提高桥梁的承载能力，特别是在桥梁基础承载力受到限制，不能满足加固上部结构和提高活载承载力时，通过减轻桥梁恒载的办法来提高承受活载的能力，是一种经济有效的措施，如：将实腹式拱桥改建为空腹式拱桥，或更换拱上填料的办法，对提高拱桥承载力，具有十分显著效果。
5．加固桥墩、台及基础
在桥梁结构中，有相当的一些缺陷是由桥梁墩、台和基础的病害引起的，因此，需要从其着手进行加固处理。通常采用的办法是：用钢筋混凝土套箍并施加外部预应力加固墩身。对于基础加固措施，常采用加桩法和扩大基础法进行处理。
三、加固桥梁设计的原则
进行旧桥加固和技术改造前，需要进行详细设计。对于关键技术措施，应先进行室内试验，掌握技术要求和检测方法，才可能完成和完善施工图的设计。旧桥加固设计仍然以现行的桥梁理论为基础，采用桥梁《规范》为标准进行设计。旧桥加固改造方案的确定，首先要根据桥梁的现有技术状况、存在的病害、车辆通行的需要、以及将来交通发展的趋势，对加固改造的必要性和可能性作出分析判断。然后对各种加固改造方法的技术经济效益进行比较，选择合理的加固方案。设计时特别要注意以下几点：
(1)加固后的桥梁，在使用荷载作用下，原有的结构和新增加的结构各部分的强度、刚度和裂缝，均应符合现行设计规范的要求。
(2)当仅要求提高活载能力时，加固改造工作可以在原结构保持恒载应力状态下进行。此时，原有结构的全部恒载和加固改造后所增加的恒载，均由原结构承担，活载由原结构和新增加的构件或加大后的截面共同承担。
(3)如果通过检测和计算，原结构的工作应力已接近或已超过允许值，需要减小原桥的恒载应力，应采取一定的卸载措施，如：减少拱上填料；用轻质材料更换原桥面铺装层；用外加预应力使桥梁产生附加上拱度，或者在桥梁的跨中部位适当的顶起，使桥梁在卸去部分恒载的情况下进行加固，此时新构件(截面)除与原结构共同承担活载外，还承担原有结构的一部分恒载，新旧结构按整体受力计算。
(4)采用增大截面法进行旧桥加固改造时，由于新旧结构的材料性质或混凝土之间收缩率的不同，引起结构内力的重分布，在新旧材料或新旧结合面处将出现较大的拉应力，极易出现裂缝而影响结构的整体性。因此，必要时应该进行收缩应力的计算；在新旧材料或者新旧结构之间的结合面处采用增加纤维和采用性能相近的材料进行补强。
四、桥梁加固的基本要求
1.需要进行加固的桥梁
桥梁加固和技术改造所涉及到的因素很多，通常需要加固的桥梁都是：
(1)处于交通要道，车辆通行密度大，通行的车辆荷载高。
(2)桥梁的建造年代久远、有不同程度的缺陷和病害。
当前，有个别部门往往对病态的桥梁认识不足，认为桥梁还能行车就可以维持等，桥梁的加固和技术改造工作不易取得辉煌的业绩，因而没有摆到重要议程。
从某种意义来讲，旧桥加固和技术改造的难度甚至超过了新建造一座桥，因此，对现有的桥梁加固改造需要提出以下基本要求。
2．旧桥加固改造的基本要求
(1)加固改造技术可靠，耐久性满足使用要求。
(2)加固费用省，经济效益高(与新建造一座桥梁相比)。
(3)设备简单，施工方便。
(4)尽量不中断交通或少断交通。
(5)加固改造的材料性能好，养护工作量少。
(6)尽量减少对原桥梁结构的损伤。
3. 桥梁加固改造应注意的问题
进行旧桥加固改造工作前，需要先进行详细的设计工作。对关键的技术措施，应先进行室内试验，掌握其技术要求和检验方法。加固设计时应注意以下几点：
(1)加固后的桥梁，在使用荷载作用下，原有结构和新增加的结构各部分的强度、刚度和裂缝，均应符合现行设计规范的要求。
(2)当仅要求提高活载能力时，加固改造工作可以在原结构保持恒载应力状态下进行。此时，原有结构的全部恒载和加固改造后所增加的恒载，均由原结构承担，活载由原结构和新增加的构件或加大后的截面共同承担。
(3)如果通过检测和计算，原结构的工作应力已接近或已超过允许限值，需要减小原桥的恒载应力，应采取一定的卸载措施，如：减少拱上填料；用轻质材料更换原桥面铺装层；用外加预应力使桥梁产生附加上拱度，或者在桥梁的跨中部位适当的顶起，使桥梁在卸去部分恒载的情况下进行加固，此时新构件(截面)处与原结构共同承担活载外，还承担原有结构的一部分恒载，新旧结构按整体受力计算。
(4)采用增大截面法进行旧桥加固改造时，由于新旧结构的材料性质或混凝土之间收缩率的不同，引起结构内力的重分布，在新旧材料或新旧混凝土的结合面上将出现较大的拉应力，容易出现裂缝而影响到结构的整体性。因此，必要时应该进行收缩应力的计算；在新旧材料或者新旧结构之间的结合面处，采用增加纤维和采用性能相近的材料进行补强。为减小混凝土收缩的不利影响，新浇混凝土不宜采用过高等级的水泥和较大的水灰比，并在新浇混凝土中设置钢丝网或者尽可能采用性能相近的材料进行加固补强。
