橋梁加固與維修
2010-09-10
隨著我國公路交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，公路交通量不斷增加，超載重車輛不斷出現，公路橋梁負荷日趨加重。而公路橋梁本身在施工過程中受到一些難以控制的不利因素的影響，在建成運營中又受到風、雨、水流的侵襲，溫度、濕度變化的影響，通過車輛荷載及沖擊的作用，甚至遭到地震、船舶撞擊的嚴重損害，使得其承載能力與交通需求的矛盾日益突出。為逐步解決這一矛盾，在現有的國民經濟條件下，對有缺陷的橋梁進行加固補強與技術改造已成為公路養(yǎng)護與設計研究部門的當務之急。
公路橋梁的結構缺陷種類眾多，情況復雜，但無論是梁橋結構、拱橋結構或是索橋結構，也不論是橋梁上部結構還是下部結構，歸結起來，也不外乎有裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土結構破壞、承載能力不足以及結構的局部損壞等缺陷。若是預應力結構，還有無粘結預應力混凝土的若干問題、預應力索失效等缺陷。同時，橋梁附屬結構包括橋面鋪裝、防水層、伸縮縫、支座等均存在各自的缺陷和病害。下面主要介紹幾種橋梁加固的常用方法及實例。
1.體外預應力加固法
1.1 概述
鋼筋混凝土梁橋，當其存在結構缺陷，尤其是承載能力不足或需要提高荷載等級，即需要對橋梁主要受力結構進行加固時，可在梁體外部(梁底和梁兩側)設置預應力加勁鋼絲索或預應力粗鋼筋補強，并分別錨固在梁的兩端，通過設置一定的聯結構件使預應力拉桿(鋼絲索或預應力粗鋼筋)與梁體構成一個桁架體系，成為一次超靜定結構，從而抵消部分恒載應力，起到卸載作用，從而較大幅度地提高橋梁的承載能力。體外預應力加固法比梁底增焊(或粘貼)鋼筋(或鋼板)的加固方法相比，不需清鑿混凝土保護層，且損傷梁體程度小，加固時不影響或少影響交通，能恢復或提高橋梁的荷載等級，經濟效果較明顯。但對于梁體外的預應力筋和有關構件應采取切實有效的防護措施，否則在溫度、腐蝕等外界條件作用下，容易造成預應力筋斷裂而使加固工作失敗。
通過在梁體外布設鋼材的拉桿或撐桿并與被加固的梁體錨固連接，然后施加預應力，強迫后加的拉桿或撐桿受力，從而改變原結構的內力分布，并降低原結構應力水平，使結構總承載力顯著提高，且可減少結構的變形、裂縫寬度縮小甚至完全閉合。這就是體外預應力加固梁橋，并能提高其承載能力的機理。
1.2 加固實例
廣州市丫髻沙特大橋副航道橋為86m+160m+86m連續(xù)剛構。2000年3月竣工，6月通車運營。運營3年多后，發(fā)現使用中出現橋面下撓，并在隨后進行的梁體外觀檢查中發(fā)現剛構中跨跨中區(qū)域梁體底板及腹板開裂現象嚴重，中跨跨中底板橫向裂縫寬度在0.15mm-0.3mm之間，最大裂縫達0.5mm；腹板出現斜裂縫，主要分布在邊跨現澆合攏段和中跨0.3L-0.45L，0.55L-0.70L位置，最大裂縫寬0.45mm；中跨跨中最大下撓度22.23cm。
1.2.1 體外預應力索布置
根據連續(xù)剛構的受力特點，僅在中跨沿兩腹板外側布置預應力索，為折線形布置，每側4束，全橋兩幅共16束。體外索通過雙薄壁墩頂0號塊腹板外側設置的兩對錨箱錨固，所有體外索均在1號錨箱完成轉向，1號索和3號索在1號錨箱錨固，2號索和4號索在2號錨箱錨固。在跨中每根索對稱跨徑中心線設置兩個轉向點。在體外束直線段，為防止橋面行車引起鋼束過大振動，沿體外束縱向每隔10 m左右設置一道防振限位裝置，此外在跨中轉向點處，為防止未轉向索振動時與轉向點鋼箱加勁板相碰應設置保護措施。
1.2.2 主要施工工藝
(1)0號塊錨固點：a．搭設施工支架(平臺)；b．清理和修整混凝土表面；e．在腹板錨固鋼箱位置鉆孔植螺桿；d．安裝箱內鋼板；e．吊裝焊接好的錨固鋼箱，并將腹板內側鋼板及外部錨固鋼箱用板
材用環(huán)氧粘接劑和錨栓連接在腹板上，此時須擰緊螺栓并初張拉橫向預應力鋼絞線，最后在箱內澆筑混凝土，待澆筑的混凝土達到設計強度后將橫向預應力張拉到設計值。
(2)體外索轉折點：a．在預制轉向鋼箱的同時在梁體的錨固位置種植化學螺栓；b．將制作好的鋼箱安裝在箱梁底板上；e．將一幅橋的兩側鋼箱在箱底用焊接型鋼連接。
(3)體外索張拉：體外索應對稱逐級張拉(張拉時一幅橋的8根索應同步對稱張拉)，每級不超過張拉設計值的30%，在每張拉完一級時要仔細檢查每個錨固點及轉向點的受力情況，是否有新的裂縫及過大變位出現，如有不良病害出現立即停止張拉，查明原因采取補強措施后再進行張拉；當張拉到設計值的50%時，查看跨中底板裂縫的閉合情況及跨中開裂區(qū)是否產生壓應力；如裂縫閉合且開裂區(qū)有小的壓應力出現可進行裂縫灌漿，灌漿完畢后將體外索張拉至設計值，讀取跨中下緣應力及上撓值，與設計預計值對比。
(4)體外索防振設施：采用在腹板外側打孔埋栓方式與索上的減振器連接(索夾)。
2.粘鋼法加固
粘鋼法加固橋梁一般采用環(huán)氧樹脂或建筑結構膠將鋼板、鋼筋或玻璃鋼等抗拉強度高的材料粘貼在鋼筋混凝土結構物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結構物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結構的鋼筋及混凝土的應力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，從而達到加固補強、提高橋梁承載能力的目的。一般將鋼板粘貼在被加固橋梁結構受力部位的外邊緣，以便充分發(fā)揮粘貼的鋼板強度與作用，同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土變形，從而有效地提高被加固構件的剛度和抗裂性。
(1)為了提高橋梁結構的抗彎能力，一般在構件的受拉緣表面粘貼鋼板，使鋼板與原結構形成整體來受力，此時以鋼板與混凝土粘結處的混凝土局部抗剪切強度控制設計。合理與安全的設計應控制在鋼板發(fā)生屈服變形前，粘結處混凝土不出現剪切破壞。
(2)當橋梁結構的主拉應力區(qū)斜筋不足，為了加固和增加結構的抗剪切強度時，可將鋼板粘貼在結構的側面，并垂直于剪切裂縫的方向斜向粘貼(斜度一般為45º-60º)，以承受主拉應力。
(3)補強設計時，鋼板可作為鋼筋的斷面來考慮，將鋼板換算成鋼筋，原有構件承受恒載與活載，增加的鋼板承受原有構件承受不了的那部分活載。
(4)在構造設計時，加固用的鋼板可按實際需要采用不同的形狀，但鋼板的厚度必須比計算出的厚度大些。用于抗彎能力補強的鋼板尺寸盡可能薄而寬，厚度一般為4mm-6mm，較薄的鋼板可有足夠的彈性來適應構件表面形狀。用于抗剪能力提高的鋼板厚度宜厚些，依設計而定。
(5)設計鋼板長度時，應將鋼板的兩端延伸到低壓力區(qū)，以減少鋼板錨固段的粘結應力集中，防止粘結部位構件出現裂縫或粘貼鋼板被拉脫現象的發(fā)生。
(6)粘貼法加固橋梁，如何確保鋼板和被加固構件形成整體受力是加固成功與否的關鍵，所以，在補強設計時，除應考慮鋼板具有足夠的錨固長度、粘結劑具有足夠的粘結強度和耐久性外，為避免鋼板在自由端脫膠拉開，端部可用夾緊螺栓固定，或設置U型箍板、水平錨固板等，并在鋼板上按一定的距離用螺栓固定，確保鋼板與混凝土之間的粘結力滿足抗拉或抗剪強度的需要。
3.外包混凝土法加固
外包混凝土加固法又稱加大截面加固法，它是增大構件的截面和配筋，用以提高構件的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，也可用來修補裂縫等，適用于梁式橋和拱式橋。
根據不同的加固目的和要求，可分為加大截面為主加固和加配筋為主的加固，或兩者同時采用的加固。加固中應將新舊鋼筋以焊接，或用錨桿聯結補強鋼筋和原構件，同時將舊混凝土表面鑿毛清洗干凈，確保新舊混凝土良好結合。外包混凝土加固法使用普通混凝土，強度等級不低于C20，當加固層較薄，鋼筋較密時，可用細石子混凝土，在條件許可的情況下亦可采用鋼纖維混凝土加固，配置的鋼材除普通鋼筋外還可采用型鋼和鋼板。外包混凝土加固法缺點是現場濕作業(yè)工作量大，養(yǎng)護期較長，并對結構外觀和凈空有一定影響。
外包混凝土加固法的構造要求：1)新澆混凝土的最小厚度不應小于40mm，用噴射混凝土施工時不應小于50mm。2)配制混凝土用的石子宜用堅硬耐久的卵石或碎石，其最大粒徑不宜大于20mm。3)當采用鋼筋補強時，縱向受力鋼筋的直徑不宜小于12mm；封閉式箍筋直徑不宜小于8mm，U型箍筋直徑宜與箍筋直徑相同。4)當采用型鋼和鋼板補強時，應將其和原結構的鋼筋進行聯結，或采用錨栓與原結構聯系，切實保證力的有效傳遞和能夠參與原結構共同受力。5)加固的受力鋼筋與原構件的受力鋼筋間的凈距不應大于20mm，并應采用短筋焊接連接；箍筋應采用封閉的或U型箍筋。
4.結語
舊橋的加固、維修工作應當說是一項技術上可行、經濟上合理的舉措，但也存在許多實際困難，如舊橋原始資料難以查找，缺乏資金和成熟的技術支持，使得舊橋加固工作難以開展。然而，隨著我國高速公路的建設和發(fā)展，將逐步建成全國干線和高速公路網絡，其中原有的公路將發(fā)揮干線到支線、到各地分散物流的重要作用。因此，研究延長既有橋梁使用壽命的方法，力求加以充分利用，使有限的建設資金用于當前亟需的工程，是一項十分重要而有意義的工作。
