公路橋梁舊橋加固改造探討
2010-05-19
1 問題的提出
隨著時間的推移，任何公路橋梁都會成為舊橋。在橋梁使用期間內(nèi)，由于交通量不斷增大、重型車輛增加及超載現(xiàn)象嚴重、超限運輸?shù)某霈F(xiàn)和增加，以及外界各種因素作用和影響，導致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害、出現(xiàn)缺陷，嚴重影響到橋梁正常使用。為了保證交通暢通，就需要對橋梁進行維修、加固和改造，提高舊橋的承載能力，確保交通運輸?shù)陌踩?br />
近20多年來，我國公路建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，公路的通行能力和服務(wù)水平進一步得到改善和提高，國家進一步加大了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資，公路面貌日新月異。但是，我國幅員遼闊，就整個公路網(wǎng)絡(luò)而言，在國民經(jīng)濟整體中，公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的“瓶頸”制約因素，并沒有得到根本的緩解。在現(xiàn)有的公路上，數(shù)以萬計的舊橋，因設(shè)計荷載標準低，年久失修、失養(yǎng)，正在逐步成為危橋，成了不斷提升技術(shù)等級的公路上卡脖子路段。我國在20世紀60～70年代修建的橋梁，設(shè)計荷載標準較低，而且大部分公路橋梁仍在服役，已不適應(yīng)交通量日益增長的需要。因此，舊危橋加固、維修任務(wù)十分繁重，全部重建既不現(xiàn)實，也不科學。實踐證明，采用適當?shù)募庸碳夹g(shù)和拓寬措施，對恢復和提高舊橋的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以滿足現(xiàn)代化交通運輸?shù)男枰?，是可行的。這樣一方面能節(jié)省大量投資，收到良好的社會經(jīng)濟效益，特別是對貧困省份來說，尤為重要；其次，通過維修和改造舊危橋，是消除交通安全隱患，提高公路通行能力和服務(wù)水平的有效途徑。舊橋加固工作應(yīng)當說是一項技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的舉措。
2 橋梁病害分析
2．1 引起橋梁病害的原因分析
橋梁結(jié)構(gòu)的病害表現(xiàn)形式多種多樣，引起病害的原因錯綜復雜。由于河床屢遭洪水沖刷，河床底部加深，橋梁墩臺基礎(chǔ)外露、沖空，產(chǎn)生不均勻沉降，導致橋臺、拱圈產(chǎn)生附加應(yīng)力而出現(xiàn)開裂，有的甚至出現(xiàn)開合現(xiàn)象；有的橋梁由于橋臺較高，受行車及臺后土壓力的作用，橋臺出現(xiàn)開裂、凸肚等病害；橋面混凝土鋪裝層由于使用時間長加之重車作用，導致開裂、剝落等病害。從引起病害的原因來分析，可以將其劃分為兩大類：
2．1．1 由環(huán)境作用引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷與破壞由于混凝土的缺陷(例如裂隙、孔道、氣泡、孔穴等)，環(huán)境中的水及侵蝕性介質(zhì)就可能滲入混凝土內(nèi)部，與混凝土中某些成分發(fā)生化學、物理反應(yīng)，引起混凝土損傷，影響結(jié)構(gòu)的受力性能和耐久性。
2．1．2 由荷載作用或設(shè)計、施工不當造成的混凝土結(jié)構(gòu)損傷由于超載作用引起的裂縫，動力沖擊作用引起疲勞破壞。構(gòu)造措施和施工方法不當引起結(jié)構(gòu)裂縫等。
2．2 引起結(jié)構(gòu)裂縫原因的分析
實踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫。所以，對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測，首先應(yīng)從對結(jié)構(gòu)的裂縫調(diào)查、檢測與分析人手。混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴展而引起的。引起裂縫的原因很多，但可歸納為兩大類：
2．2．1 由外荷載引起的裂縫
由外荷載引起的裂縫稱為結(jié)構(gòu)性裂縫(又稱為受力裂縫)，其裂縫的分布及寬度與外荷載有關(guān)。這種裂縫的出現(xiàn)，預示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在其他嚴重問題。
2．2．2 由變形引起的裂縫
由變形引起的裂縫稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結(jié)構(gòu)變形受到限制時，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當此應(yīng)力達到混凝土抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)，變形得到釋放，拉應(yīng)力也就消失了。
兩類裂縫有明顯的區(qū)別，危害效果也不相同，有時兩類裂縫融在一起。X,-I"裂縫原因的分析是裂縫危害性評定，裂縫修補和加固的依據(jù)，若對裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進行處理，不僅達不到預期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險。
3 橋梁加固改造技術(shù)與方法
3．1 舊橋上部結(jié)構(gòu)加固、改造
3．1．1 橋面鋪裝層的加固
橋面鋪裝層開裂或剝離等病害，對于鋼筋混凝土梁板橋容易使鋼筋銹蝕，減弱橋梁的橫向整體性；同時由于橋面鋪裝層的破損，引起橋面平整度差，車輛通行時，使橋梁產(chǎn)生震動，對橋梁產(chǎn)生不利影響，同時又加重了橋面鋪裝層的病害。根據(jù)橋梁的具體情況，采用不同的加固方法，對于使用年限長、破損嚴重的采用拆除、修復的加固方案。一般先鑿除舊橋鋪裝混凝土，在梁頂重新澆筑一層鋼筋混凝土，使其與原有主梁形成整體，改善鉸接梁板的荷載橫向分布，從而提高橋梁的承載能力。而對于病害較輕，使用年限短，且混凝土強度仍符合設(shè)計要求的則先處治病害，在不降低設(shè)計荷載標準的前提下可采用加鋪瀝青碎石層的方案。
3．1．2 增大截面和配筋加固法
當梁的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性能不足時，通常采用增大構(gòu)件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。這種方法是在梁底面或側(cè)面加大尺寸，增配主筋，提高梁的有效高度和抗彎強度，從而提高橋梁的承載力。該方法 般用于梁橋及拱橋拱肋的加固。
3．1．3 錨噴混凝土加固法
借助高速噴射機械，將新混凝土混合料連續(xù)地噴射到已錨固好鋼筋網(wǎng)的受噴面上，凝結(jié)硬化而形成鋼筋混凝土，從而增大橋梁的受力斷面和補強鋼筋，加強結(jié)構(gòu)的整體性，使其能承受更大的外荷載作用。
3．1．4 粘貼抗拉補強材料(鋼板、復合纖維)加固法
當交通量增加，主梁出現(xiàn)承載力不足時，采用粘結(jié)劑及錨栓，將鋼板或高強復合纖維(碳纖維、芳綸纖維等)粘貼錨固在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或薄弱部位，使其與結(jié)構(gòu)形成整體，以鋼板或高強復合纖維代替增設(shè)的補強鋼筋，達到提高梁的承載能力的目的。
這種加固方法的特點是：不需要破壞被加固的原結(jié)構(gòu)的尺寸，施工工藝簡單，施工質(zhì)量較容易控制，施工工期短。這種加固方法，設(shè)計時必須考慮橋梁帶載加固分階段受力特點。后加補強材料的強度發(fā)揮程度受原梁變形的限制，一般情況下是達不到其抗拉強度設(shè)計值。特別是采用直接粘貼高強復合纖維加固時，在極限狀態(tài)下，復合纖維的高強抗拉性能根本無法充分發(fā)揮作用。若不考慮分階段受力特點，過高地估計了后加補強材料的作用，設(shè)計是不安全的。
3．1．5 改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法
這種加固、改造方法是通過改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系，達到提高橋梁承載能力的目的。如：在簡支梁下增設(shè)支架或橋墩，或把簡支梁與簡支梁縱向加以連接，由簡支變連續(xù)梁，或在梁下增設(shè)鋼桁架等加勁或疊合梁等，以減小梁內(nèi)應(yīng)力 達到提高梁的承載力目的。 改變結(jié)構(gòu)體系的方法有多種，但往往都需要在橋下操作，或設(shè)置永久設(shè)施，因而減少橋下凈空，或施工時會影響通航，所以必須考慮通航及橋梁排洪能力。
3．1．6 體外預應(yīng)力加固法
對于鋼筋混凝土或預應(yīng)力混凝土梁或板橋，采用對受拉區(qū)施以體外預加力加固，可以改善原梁板的應(yīng)力狀態(tài)，抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載的作用，從而能較大幅度地提高梁的承載能力和抗裂性能。體外預應(yīng)力加固法優(yōu)點是：在自重增加很小的情況下，能夠大幅度改善和調(diào)整原結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高承重結(jié)構(gòu)的剛度、抗裂性能；由于承重結(jié)構(gòu)自重增加小，故對墩臺及基礎(chǔ)受力狀況影響很小，可節(jié)省對墩臺及基礎(chǔ)的加固；對橋梁營運影響較小，可在不限制通行的條件下加固施工。預應(yīng)力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級的措施。
3．1．7 增設(shè)縱梁加固法(拓寬改建)
在墩臺地基安全性能好，并具有足夠承載能力的情況下，可采用增設(shè)承載力高和剛度大的新縱梁。新梁與舊梁相連接，共同受力。由于荷載在新增主梁后的橋梁結(jié)構(gòu)中重新分布，使原有梁中所受荷載得以減少，由此使加固后的橋梁承載能力和剛度得到提高。當增設(shè)的縱梁位于主梁的一側(cè)或兩側(cè)時，則兼有加寬的作用。為保證新舊混凝土能夠共同工作，必須注意做好新舊梁之間的橫向連接。橫向的連接方法，如：企口鉸接、鍵槽連接、焊接及鋼板鉸接等，使新增主梁與舊梁牢固連接，可提高主梁之間的橫向連接剛度，有利于荷載的橫向分布。
3．1．8 拱圈增設(shè)套拱加固法
當拱式橋梁的主拱圈為等截面或變截面的磚、石或混凝土等實體板拱時，且下部構(gòu)造元病害，同時橋下凈空與泄水面積容許部分縮小時，可在原主拱圈腹面下增設(shè)一層新拱圈，即緊貼原拱圈底面上，澆筑或錨噴混凝土新拱圈，外形上就像是在原拱圈下套做了一個新拱圈。
3．2 舊橋下部結(jié)構(gòu)加固、改造
橋梁下部構(gòu)造易產(chǎn)生的缺陷與病害有：墩、臺身裂縫、剝落、空洞、老化，鋼筋外露、銹蝕，結(jié)構(gòu)變形、移位等；基礎(chǔ)不均勻沉陷、滑移和傾斜，基底局部沖空，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的異常應(yīng)力和開裂。
3．2．1 擴大基礎(chǔ)加固法
橋梁基礎(chǔ)擴大底面積的加固，稱為擴大基礎(chǔ)加固法。此法適用于基礎(chǔ)承載力不足或埋深太淺，而墩臺又是磚石或混凝土剛性實體式基礎(chǔ)時的情況。擴大基礎(chǔ)底面積應(yīng)由地基強度驗算確定。當?shù)鼗鶑姸葷M足要求而缺陷僅僅表現(xiàn)為不均勻沉降變形過大時，采用擴大基礎(chǔ)底面積的加固，主要由地基變形計算來加以選定。
3．2．2 增補樁基加固法
當橋梁墩臺基底下有軟臥層，或墩臺基礎(chǔ)未下至堅硬巖層時，墩臺發(fā)生沉陷；當橋梁墩臺采用樁基礎(chǔ)，而樁的深度不足，或由于水流沖刷等原因使樁發(fā)生傾斜。這些病害都直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用和服務(wù)年限。對此，采用增補樁基加固法是一種常用而且有效的方法。這種加固方法是：在樁式基礎(chǔ)的周圍補加鉆孔樁，或打人鋼筋混凝土預制樁，擴大原承臺，以此提供基礎(chǔ)的承載力，增強基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。
3．2．3 鋼筋混凝土套箍或護套加固法
當橋梁墩臺由于基礎(chǔ)埋置深度不夠，或因施工質(zhì)量控制不嚴等原因，導致墩臺開裂破損時，有時會出現(xiàn)貫通裂縫，可采用鋼筋混凝土圍帶或鋼箍進行加固。加固時一般在墩身上中下分設(shè)三道圍帶，其間距應(yīng)大致相當于橋墩側(cè)面的寬度。當墩臺損壞嚴重，如有嚴重裂縫及大面積表面破損、風化和剝落時，則可采用圍繞整個墩臺設(shè)置鋼筋混凝土護套的方法進行加固。
3．2、4 橋臺新建輔助擋土墻加固法
由于橋臺臺背水平土壓力過大，引起橋臺傾斜，應(yīng)設(shè)法采取平衡橋臺后壁的土壓力處理，在臺背之后加建一擋墻，以抵御過大的土壓力。
3．2．5 墩臺拓寬方法
利用舊橋基礎(chǔ)，靠墩臺蓋梁挑出懸臂加寬部分，以便安裝加寬的上部結(jié)構(gòu)。此種情況為只加寬墩臺的蓋梁，墩臺身和基礎(chǔ)則不需予以加固。采用此法加寬墩臺時，舊橋墩臺基礎(chǔ)必須完好、穩(wěn)定，且需經(jīng)過承載力驗算后才能采用。否則，應(yīng)在老橋的墩臺旁，從新澆筑拓寬部分的墩臺及基礎(chǔ)。
4 結(jié)束語
在公路改造設(shè)計中，很多情況下橋梁加固和加寬是同時進行的。在加寬寬度不大的情況下，盡量將加寬部分與原橋連為一體，使新舊橋共同工作，利用新加寬部分，調(diào)整原橋內(nèi)力，減輕原梁負擔，間接達到加固補強的目的。此外，橋梁加固設(shè)計應(yīng)注意各種加固方法的綜合利用，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，盡量地減輕原梁的負擔，將加固補強工作量壓縮到最少，使舊橋繼續(xù)發(fā)揮固有的使用功能，以保證公路交通暢通無阻。
