浅谈梁式桥上部结构的加固与改造
2015-06-03
桥梁是国家的基础交通设施，对国民经济的建设与发展起着举足轻重的作用。然而，随着桥梁服役年限的不断提高，长期荷载作用和自然环境的影响，大量既有桥梁渐渐进入老化期。因此，既有桥梁的检测、养护、维修、加固与改造成为摆在桥梁工作者面前的一大问题。下面结合实践中的方法，浅谈梁式桥上部结构的加固与改造问题。
梁式桥上部结构的加固，主要从桥梁承受外力因素和桥梁自身状况两方面入手。从外力角度出发，常常是改变原桥结构体系以减少主梁荷载内力，从而到达加固目的；从桥梁自身状况出发，往往使用增大主梁截面惯性矩或粘贴加固的方法，提高主梁的承载能力。
1.增大主梁截面惯性矩
由于桥梁修建年代的限制，过去修建的很多桥梁荷载等级设计偏低，已不能够满足现代交通发展的需求，其中很大部分就是由于截面尺寸设计偏小。主要途径有以下几种：
（1）加厚桥面板。有些桥梁桥墩和基础承载能力好，而桥面的截面面积小导致承载力不足。为提高抗弯刚度，可将原来的桥面铺装层拆去，在桥面板上新筑钢筋混凝土加强层，加固后再重新铺设桥面铺装层。这种方法通过增大截面高度来增大惯性矩，施工简单方便。但此法较大地增加了桥梁自重，加之下部受拉钢筋的应力强度仍然控制着结构强度，故常仅适用于中小跨度的桥梁。
（2）增设受拉钢筋。桥面下缘部分为受拉区，主要利用纵向钢筋的抗拉性能来承载弯矩。对于承载力不足的桥梁，从梁板结构下部进行加强，也是常用加固方法。实际工程中，将下缘混凝土保护层除去，切断箍筋，在原有的纵向钢筋上焊接或捆扎增设的钢筋，然后将箍筋恢复，最后采用环氧树脂混凝土浇筑混凝土保护层以保护增设钢筋。
（3）加宽梁的下缘。对于T型截面的梁式桥，常常加宽梁的下缘，增大截面并在受拉区增设钢筋，也能达到良好的加固效果。
2.粘贴加固
很多桥梁在使用过程中已出现裂缝并正在发展，为了减小裂缝的发展，可采用粘贴加固的方法。由于粘贴法具有无需破坏原有结构、几乎不增大结构尺寸和自重、施工期短、施工成本低、几乎不影响原桥梁艺术价值等优点，近年来广泛运用于桥梁的加固工程。
最常见的粘结材料是环氧树脂材料，这种材料具有很高的抗拉强度和抗剪强度，能够很好地满足工程要求。加强材料常使用钢板（或钢筋）和碳纤维材料。粘贴钢板是一种较早使用的办法，可使钢板与混凝土整体共同承受外力，提高原结构刚度，减少裂缝发展，并能增强梁承受正弯矩的能力。碳纤维材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性好、抗疲劳、抗老化等特点，已越来越多用于钢筋混凝土结构的加固上。
粘贴加固施工工艺较简单，但仍有不少问题需要注意：①必须严格控制环氧树脂胶结材料的配合比，保证加固效果和加固质量；②选择合适的施工温度，通常适宜在15至30摄氏度温度下进行；③粘贴要均匀，避免气泡形成空洞而出现应力集中现象；④采用有效的加压方式，常可使用螺栓或木楔进行加压，保证成型时有足够的压力，不会造成加固件脱落下坠的现象。
3.预应力加固
在工程结构构件承受外荷载之前,对受拉模块中的钢筋，施加预压应力,能提高构件的刚度,推迟裂缝出现的时间,增加构件的耐久性。为了达到不同的加固效果，施加预应力的方式不同，主要有以下几种：
（1）横向张拉法。在梁下缘部分对称地布置钢筋拉杆，离梁端适当距离处弯起并锚固于梁端钢板上，用螺栓垂直于拉杆方向收紧拉杆以产生预应力，则梁受到轴向的预应压力和由拉杆产生的负弯矩，能够抵消部分正弯矩。但由于这种方法拉杆锚固于梁端下部，向上弯起过少，故不能有效减少端部剪力。
（2）纵向张拉法。不同于横向张拉法在横向上施力，纵向张拉法是沿拉杆轴向施以预应力。构造上与横向张拉法最大区别在于，此法将弯起钢筋两头锚固于梁的顶部或梁的腹板上，利于减小端部剪力。
（3）预弯梁法。这种方法可先在跨中部分利用支架将原桥顶起并浇筑新桥面板，待新桥面板硬化后将支架下落，同时布置张拉预应力钢筋，最后对桥面系施工。这种方法对于减少梁上缘开裂有良好的效果。
4.改变结构体系
构件的结构体系决定了其受力状况，合理的结构体系能很大程度上增大构件承载能力。通过改变桥梁结构体系以减少梁中内力、增大梁的抗弯性能是非常有效的加固方法。常见的改造方法有以下几种：
（1）简支梁改为连续梁，将多跨简支梁用钢筋在梁端连接起来成为连续梁。连续梁跨中正弯矩小于简支梁，到达减小梁中应力的目的，大大提高了梁的承载能力。
（2）单跨简支梁下增设桥墩，将静定梁变为超静定梁，减小跨中弯矩。
（3）在梁下增设斜腿刚架，为上部结构增加了两个弹性受压支承，使原来的单跨梁变成三跨梁。山东省潍河大桥就使用这种方法大大提高原桥承载能力。
（4）叠合梁，在梁下增设桁架结构或拱梁结构，与上部结构共同承担外力。
桥梁是国家宝贵的财富，对既有桥梁进行加固与改造，不仅能够确保交通顺畅和安全，更能为国家带来巨大的社会效益和经济效益。旧桥的加固与改造也必然成为桥梁工程中重要的课题之一！
