鐵路橋梁加固（一）
2015-04-20
第一章 緒論
第一節(jié) 國內(nèi)外橋梁現(xiàn)狀及加固改造的迫切性
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，交通運輸量大幅度增長，行車密度及車輛載重越來越大，尤其是推行拖掛運輸和集裝箱運輸后，重型車輛日益增多，現(xiàn)有相當(dāng)一部分公路橋梁已滿足不了使用要求，這是世界各國所面臨的嚴(yán)峻問題。例如：據(jù)美國1981年統(tǒng)計共有公路橋梁566000座，曾調(diào)查了514000座，其中98000座橋必須關(guān)閉交通，或降低使用標(biāo)準(zhǔn)或立即整修，約占總數(shù)的20％；102000座橋老化，橋面太窄或承載能力偏低，約占總數(shù)的20％。其他國家均面臨同樣的問題。橋梁的陳舊、老化、強度降低，這是一個全球性的問題，引起了世界各國的極大關(guān)注，并提到了刻不容緩的議事日程上。目前，在世界范圍內(nèi)，橋梁維修、養(yǎng)護、加固的技術(shù)已成為交通研究領(lǐng)域中的重要課題。由西方24個發(fā)達(dá)國家參加的聯(lián)合國“經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)”，于1981年召開“關(guān)于道路橋梁維修管理國際會議”；1982年召開的“國際橋梁與結(jié)構(gòu)會議”，1983年召開“第十七屆國際道路會議”，很多國家對現(xiàn)有橋梁的安全性評價、檢查及維修加固等方面，提出了眾多篇有價值的論文。該“組織”還組織有關(guān)國家進一步開展這方面的研究工作。1980年在巴黎和布魯塞爾，1982年在華盛頓，都曾召開關(guān)于舊橋問題的國際專題討論會。
隨著世界上許多發(fā)達(dá)國家公路網(wǎng)絡(luò)的日趨完善，新建公路、橋梁逐漸減少，已建公路、橋梁的維修、養(yǎng)護、加固、改造已成為公路交通部門的工作重心。
在我國，建國以來隨著交通運輸事業(yè)的發(fā)展，特別是近20年來，我國公路建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，不僅車輛數(shù)量急劇增加，而且車輛重量越來越大。盡管我國公路的通行能力和服務(wù)水平已經(jīng)得到了很大的改善和提高，尤其是“九五”期間，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，每年新建的高速公路由幾十公里上升到一千公里以上，到2000年底，全國高速公路總里程已達(dá)到16285公里(未計人臺*防屏蔽*灣省)，全國公路里程達(dá)到167．98萬公里，公路密度達(dá)到17．5公里／百平方公里，為1978年的1．86倍。二級以上公路占全國公路總里程的比重由1979年的1．3％提高到2000年的13．1％，主要城市之間的公路交通條件顯著改善，公路交通緊張狀況初步緩解。同時，縣鄉(xiāng)公路里程快速增長，質(zhì)量也有很大提高，有的省份已實現(xiàn)全部縣道鋪筑瀝青路面，乃至達(dá)到二級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全國實現(xiàn)了100％的縣、98％的鄉(xiāng)和89％的行政村通公路。但是我國幅員遼闊，就整個公路網(wǎng)絡(luò)而言，在國民經(jīng)濟總體中，公路交通設(shè)施的“瓶頸”制約因素，尚未得到根本的緩解。在現(xiàn)有公路上，數(shù)以萬計的舊橋，特別是上個世紀(jì)80年代以前修建的橋梁，由于設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)低，承載能力不足，寬度不夠，加之年久失修、維修養(yǎng)護不夠，相當(dāng)多的橋梁發(fā)生不同程度的破損，正逐步成為危橋，成了不斷提升技術(shù)等級的公路上卡脖子路段。根據(jù)1982年不完全統(tǒng)計，我國在20世紀(jì)80年代以前修建的公路橋梁有136，000座，大部分是按1972年以前部頒標(biāo)準(zhǔn)建造的，其中危橋4，823座，共12，788延米，單是大、中橋，汽一10級以下標(biāo)準(zhǔn)的就占8．6％，近11．7萬延米。以當(dāng)時四川省為例，全省公路里程為95592公里，公路橋梁共14，573座，共416，011延米，其中大、中橋梁2，873座，229，311．9延米。而汽一20、掛一100荷載等級以上的橋梁只有230座，35，060．5延米，僅占全省大、中橋梁總數(shù)的8％。全國其他省、市、自治區(qū)的情況也大致如此。邊遠(yuǎn)省份的狀況更嚴(yán)重一些，例如，新疆除1978年以后按汽一20、掛一100荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計修建的8座橋梁外，其余91．7％的橋梁均是按汽一15以下荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計修建的，而汽一13、拖一60以下標(biāo)準(zhǔn)占了59．89％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上交通發(fā)展的需要。盡管改革開放以來，我國的交通建設(shè)取得了長足發(fā)展，截至1998年底，全國已共有公路橋梁210，822座。但由于我們國家是個發(fā)展中國家，雖然建設(shè)橋梁時，充分考慮了當(dāng)時、當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)景經(jīng)濟發(fā)展和社會諸多方面的技術(shù)需求，采用了當(dāng)時先進的技術(shù)和材料，但仍在很大程度上難以擺脫歷史的局限性，并受到當(dāng)時經(jīng)濟狀況的制約。
隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，社會工業(yè)化水平提高，不僅車輛數(shù)量急劇增加，車輛重量增大，而且車速也相繼提高，人們對道路的服務(wù)水平也提出了新的要求。近20年來，盡管我國開始了對舊橋加固改造技術(shù)的研究，在“六五”、“七五”計劃期間，各地交通部門對大批舊危橋進行了加固改造，但由于舊危橋數(shù)量龐大，加上20世紀(jì)80年代以后修建的橋梁隨著運營年限的增加，也逐步進人了維修養(yǎng)護期，缺陷和病害開始顯現(xiàn)和發(fā)展，特別是大型、重型車輛與日俱增，超限、超載車輛越來越多，對橋梁的損傷和破壞日趨嚴(yán)重，大批橋梁又加入了維修、養(yǎng)護、加固改造的行列，從而使橋梁建設(shè)可持續(xù)發(fā)展問題日顯重要和突出。以重慶市舊危橋加固改造計劃為例，截止2003年底，重慶市共有橋梁1800余座，國、省道上尚存四類危橋143座，承載力不足，亟待提高荷載等級的舊危橋601座，占現(xiàn)有橋梁總數(shù)的40％以上；據(jù)四川省2001年普查資料，全省共有橋梁17，521座，雖經(jīng)多年加固改造，目前仍存在病危橋945座，占橋梁總數(shù)的5．4％，并有相當(dāng)比例的橋梁承載力偏低，不能滿足交通發(fā)展的需要，有待于加固提高荷載等級。特別值得一提的是，即使20世紀(jì)90年代以后修建的鋼架拱橋、懸索橋、肋拱橋、斜拉橋等由于車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重、超負(fù)荷運行及設(shè)計不合理、養(yǎng)護未跟上等諸多原因，也相繼出現(xiàn)病害。重慶長江二橋(李家沱長江大橋)為主跨440m的混凝土斜拉橋，通車不到十年，就出現(xiàn)大量病害，投入了上千萬元的加固補強費用。全國各省市的情況基本相似，必須引起我們的高度重視。交通部《公路科學(xué)養(yǎng)護與規(guī)范化管理綱要》(1991-2000年)中提出“到本世紀(jì)末，基本上消除國、省干線公路上的危橋，并初步達(dá)到通行國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱車輛的標(biāo)準(zhǔn)”。歷史已進入21世紀(jì)，目前來看，要達(dá)到綱要上制定的目標(biāo)，還有相當(dāng)?shù)牟罹?，任重而道遠(yuǎn)。
對于上述不能適應(yīng)現(xiàn)代交通運輸?shù)臉蛄海绻坎鸪亟?，不僅資金耗費巨大，而且在時間上也不允許。即使經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的美國，若將40％的橋梁推倒重建，大約需要3000-5000{乙美元，也是不現(xiàn)實的。因此，世界各國不論是發(fā)達(dá)國家或是發(fā)展中國家，無一不把已建橋梁視為國家的寶貴財富，競相投人大量的人力、物力，不斷加強現(xiàn)有橋梁的維修、養(yǎng)護、加固與改造，使其恢復(fù)設(shè)計承載能力或提高荷載標(biāo)準(zhǔn)，把延長橋梁的使用年限，保障公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展作為一項基本國策。在公路建設(shè)中，我國交通部也要求各級交通主管部門要積極貫徹“建養(yǎng)并重”方針，切實糾正“養(yǎng)路不養(yǎng)橋”的傾向，將橋梁的檢查、維修、加固與改造工作列入議事日程，及時發(fā)現(xiàn)橋梁發(fā)生的病害和出現(xiàn)的缺陷，并及時維修、加固補強，防患于未然，加快舊危橋整治、加固的步伐，確保交通暢通和發(fā)展。因此，加固舊危橋，恢復(fù)和提高它們的承載能力，使其繼續(xù)為現(xiàn)代交通運輸服務(wù)，可以給國家?guī)砭薮蟮纳鐣б婧徒?jīng)濟效益。據(jù)國外資料介紹，舊橋的加固改造費用僅為新建橋梁的10％-20％左右，國內(nèi)已有經(jīng)驗表明，一般情況下拱式橋梁的加固費用約為重建新橋的20％—30％，梁橋的加固費用約高于拱橋，通常為30％—40％，較重建新橋可以為國家節(jié)省大量的資金，社會、經(jīng)濟效益十分顯著。
20世紀(jì)80年代以來，我國在舊橋加固改造技術(shù)的研究和試驗方面進行了大量的工作。交通部在“六五”、“七五”計劃期間下達(dá)了一系列有關(guān)舊橋檢測、承載力評定及加固技術(shù)的科研課題，舉辦了多次橋梁維修、養(yǎng)護、加固、改造技術(shù)的學(xué)術(shù)會議。各省、市、自治區(qū)交通部門都在橋梁維修、養(yǎng)護、加固、改造的實踐中取得了不少成功的經(jīng)驗，并在實踐中獲得了顯著的社會、經(jīng)濟效益，推動了交通事業(yè)的發(fā)展。隨著交通運輸?shù)陌l(fā)展需要，舊橋的維修、養(yǎng)護、加固與改造必將成為橋梁工程中的一門新興學(xué)科，這是毫無疑義的。西方一些發(fā)達(dá)國家已先后把公路、橋梁的維修、養(yǎng)護、加固與改造納入大專院校土木工程學(xué)科的重點課題，培養(yǎng)了一大批維修，養(yǎng)護和加固改造的專門技術(shù)人才。隨著社會的進步和發(fā)展，在我國也只是時間早晚的問題。
第二節(jié) 橋梁加固改造的技術(shù)途徑、設(shè)計原則及基本要求
一、舊橋加固與技術(shù)改造中的幾個問題
1. 舊橋
舊橋凡是需要進行維修、檢測、加固及技術(shù)改造的橋梁，都可認(rèn)為是“舊橋”。在一般情況下，舊橋不外乎要解決三大問題：維修、整治、加固和技術(shù)改造。
（1）維修
舊橋正常維護和修繕工作內(nèi)容：常規(guī)的排、堵、防水設(shè)施維修，橋面伸縮縫中的異物清理、破損圍欄的修復(fù)，支座的防護等。
?。?）整治
對橋梁(不影響橋梁受力的構(gòu)件部位)常見的缺損和缺陷進行整治和處理，如：橋面鋪裝層、伸縮縫裝置、防水設(shè)施、輕微的結(jié)構(gòu)破碎等的常規(guī)維護和修復(fù)工作。
?。?）橋梁加固與技術(shù)改造
對橋梁構(gòu)件補強、改善結(jié)構(gòu)性能，提高橋梁的承載能力和通行能力，延長橋梁的使用壽命，適應(yīng)現(xiàn)代交通運輸?shù)囊蟆蛄壕S修加固和改造一般分為：永久性加固和臨時性加固；前者加固的結(jié)構(gòu)需要長期的保留在橋梁的結(jié)構(gòu)之中；后者是為了通行超重車而采用的臨時性加固措施。
2．舊橋加固與技術(shù)改造的主要工作內(nèi)容
(1)加固與技術(shù)改造
?、贅蛄荷喜繕?gòu)件加固；
?、跇蛄合虏繕?gòu)件加固；
?、蹣蛄夯A(chǔ)處理；
?、芡貙挊蛄旱男熊嚨?、人行道；
⑤提升橋梁上部結(jié)構(gòu)；
⑥更換橋梁結(jié)構(gòu)；
⑦橋梁引道的路線線性改造。
?。?）橋梁維護、整治
?、贅蛄航Y(jié)構(gòu)小修和小養(yǎng)
橋面的整治；排水系統(tǒng)處理；裂縫、剝落、缺角、鋼筋外露處理(在不影響橋梁承載力情況下)；支座維護處理；防銹、防腐處理。
?、跇蛄旱亩ㄆ跈z查。
③橋梁的超重車控制。
?、軜蛄旱募夹g(shù)資料的管理和保存。
二、目前橋梁加固改造的技術(shù)途徑
橋梁加固一般是指：通過對構(gòu)件的補強和結(jié)構(gòu)的性能改善，以恢復(fù)或提高現(xiàn)有橋梁的承載能力，延長使用壽命，適應(yīng)現(xiàn)代交通運輸?shù)囊蟆Ｄ壳?，國?nèi)外對橋梁進行加固改造的技術(shù)途徑主要有以下五種：
1.加強薄弱構(gòu)件
在橋梁上，對于有嚴(yán)重缺陷的部位，或者因要通行重型車輛而不能滿足承載要求的部位，如：梁橋的跨中部位、支座部位、承受負(fù)彎矩的部位；拱橋的拱頂、拱腳、1／4拱跨部位；以及其他變截面處等，采取加強措施，進行補強。在橋梁結(jié)構(gòu)中，特別要注意的是：橋梁的薄弱處一般在受拉區(qū)范圍內(nèi)，受壓區(qū)的情況則比較少。所以，對于薄弱處補強方法，往往采用噴射混凝土、粘貼鋼板，增大主梁或主拱圈截面的方法，增加其強度，以及采用高等強度混凝土或環(huán)氧混凝土砂漿封填裂縫，增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋或粘貼附加構(gòu)件對缺陷進行處理。
2．增加輔助構(gòu)件
在橋梁承載力不足或因為某種原因致使橋梁遭受破損時，可以在原有的結(jié)構(gòu)上增加新的受力構(gòu)件，如：梁橋中增設(shè)主梁、橫隔梁；簡支梁之間加設(shè)輔助構(gòu)件，使其成為連續(xù)梁的工作狀態(tài)；梁下部采用八字支撐方式，增加跨孔改變受力狀態(tài)；拱橋中采用梁式結(jié)構(gòu)替代回填料等。特別注意的是：在更換原有結(jié)構(gòu)上的有嚴(yán)重缺陷、又不能修復(fù)的構(gòu)件時，必須設(shè)置足夠的臨時支撐，或采取可靠的措施，以保證整個結(jié)構(gòu)在施工中的安全。
3．改變結(jié)構(gòu)體系
根據(jù)橋梁的實際狀況，采用梁式結(jié)構(gòu)改為拱式結(jié)構(gòu)；拱式結(jié)構(gòu)改為梁式結(jié)構(gòu)；簡支梁改為連續(xù)梁；單跨結(jié)構(gòu)改為多跨結(jié)構(gòu)；增加支點；鉸接支撐改為剛性連接等，通過這些手段達(dá)到改善結(jié)構(gòu)薄弱處的受力狀態(tài)，提高整體橋梁的承載能力。
4．減輕恒載
減輕橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載，改善原橋梁的受力狀態(tài)，提高橋梁的承載能力，特別是在橋梁基礎(chǔ)承載力受到限制，不能滿足加固上部結(jié)構(gòu)和提高活載承載力時，通過減輕橋梁恒載的辦法來提高承受活載的能力，是一種經(jīng)濟有效的措施，如：將實腹式拱橋改建為空腹式拱橋，或更換拱上填料的辦法，對提高拱橋承載力，具有十分顯著效果。
5．加固橋墩、臺及基礎(chǔ)
在橋梁結(jié)構(gòu)中，有相當(dāng)?shù)囊恍┤毕菔怯蓸蛄憾?、臺和基礎(chǔ)的病害引起的，因此，需要從其著手進行加固處理。通常采用的辦法是：用鋼筋混凝土套箍并施加外部預(yù)應(yīng)力加固墩身。對于基礎(chǔ)加固措施，常采用加樁法和擴大基礎(chǔ)法進行處理。
三、加固橋梁設(shè)計的原則
進行舊橋加固和技術(shù)改造前，需要進行詳細(xì)設(shè)計。對于關(guān)鍵技術(shù)措施，應(yīng)先進行室內(nèi)試驗，掌握技術(shù)要求和檢測方法，才可能完成和完善施工圖的設(shè)計。舊橋加固設(shè)計仍然以現(xiàn)行的橋梁理論為基礎(chǔ)，采用橋梁《規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。舊橋加固改造方案的確定，首先要根據(jù)橋梁的現(xiàn)有技術(shù)狀況、存在的病害、車輛通行的需要、以及將來交通發(fā)展的趨勢，對加固改造的必要性和可能性作出分析判斷。然后對各種加固改造方法的技術(shù)經(jīng)濟效益進行比較，選擇合理的加固方案。設(shè)計時特別要注意以下幾點：
(1)加固后的橋梁，在使用荷載作用下，原有的結(jié)構(gòu)和新增加的結(jié)構(gòu)各部分的強度、剛度和裂縫，均應(yīng)符合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求。
(2)當(dāng)僅要求提高活載能力時，加固改造工作可以在原結(jié)構(gòu)保持恒載應(yīng)力狀態(tài)下進行。此時，原有結(jié)構(gòu)的全部恒載和加固改造后所增加的恒載，均由原結(jié)構(gòu)承擔(dān)，活載由原結(jié)構(gòu)和新增加的構(gòu)件或加大后的截面共同承擔(dān)。
(3)如果通過檢測和計算，原結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力已接近或已超過允許值，需要減小原橋的恒載應(yīng)力，應(yīng)采取一定的卸載措施，如：減少拱上填料；用輕質(zhì)材料更換原橋面鋪裝層；用外加預(yù)應(yīng)力使橋梁產(chǎn)生附加上拱度，或者在橋梁的跨中部位適當(dāng)?shù)捻斊?，使橋梁在卸去部分恒載的情況下進行加固，此時新構(gòu)件(截面)除與原結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)活載外，還承擔(dān)原有結(jié)構(gòu)的一部分恒載，新舊結(jié)構(gòu)按整體受力計算。
(4)采用增大截面法進行舊橋加固改造時，由于新舊結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)或混凝土之間收縮率的不同，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，在新舊材料或新舊結(jié)合面處將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，極易出現(xiàn)裂縫而影響結(jié)構(gòu)的整體性。因此，必要時應(yīng)該進行收縮應(yīng)力的計算；在新舊材料或者新舊結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合面處采用增加纖維和采用性能相近的材料進行補強。
四、橋梁加固的基本要求
1.需要進行加固的橋梁
橋梁加固和技術(shù)改造所涉及到的因素很多，通常需要加固的橋梁都是：
(1)處于交通要道，車輛通行密度大，通行的車輛荷載高。
(2)橋梁的建造年代久遠(yuǎn)、有不同程度的缺陷和病害。
當(dāng)前，有個別部門往往對病態(tài)的橋梁認(rèn)識不足，認(rèn)為橋梁還能行車就可以維持等，橋梁的加固和技術(shù)改造工作不易取得輝煌的業(yè)績，因而沒有擺到重要議程。
從某種意義來講，舊橋加固和技術(shù)改造的難度甚至超過了新建造一座橋，因此，對現(xiàn)有的橋梁加固改造需要提出以下基本要求。
2．舊橋加固改造的基本要求
(1)加固改造技術(shù)可靠，耐久性滿足使用要求。
(2)加固費用省，經(jīng)濟效益高(與新建造一座橋梁相比)。
(3)設(shè)備簡單，施工方便。
(4)盡量不中斷交通或少斷交通。
(5)加固改造的材料性能好，養(yǎng)護工作量少。
(6)盡量減少對原橋梁結(jié)構(gòu)的損傷。
3. 橋梁加固改造應(yīng)注意的問題
進行舊橋加固改造工作前，需要先進行詳細(xì)的設(shè)計工作。對關(guān)鍵的技術(shù)措施，應(yīng)先進行室內(nèi)試驗，掌握其技術(shù)要求和檢驗方法。加固設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：
(1)加固后的橋梁，在使用荷載作用下，原有結(jié)構(gòu)和新增加的結(jié)構(gòu)各部分的強度、剛度和裂縫，均應(yīng)符合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求。
(2)當(dāng)僅要求提高活載能力時，加固改造工作可以在原結(jié)構(gòu)保持恒載應(yīng)力狀態(tài)下進行。此時，原有結(jié)構(gòu)的全部恒載和加固改造后所增加的恒載，均由原結(jié)構(gòu)承擔(dān)，活載由原結(jié)構(gòu)和新增加的構(gòu)件或加大后的截面共同承擔(dān)。
(3)如果通過檢測和計算，原結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力已接近或已超過允許限值，需要減小原橋的恒載應(yīng)力，應(yīng)采取一定的卸載措施，如：減少拱上填料；用輕質(zhì)材料更換原橋面鋪裝層；用外加預(yù)應(yīng)力使橋梁產(chǎn)生附加上拱度，或者在橋梁的跨中部位適當(dāng)?shù)捻斊?，使橋梁在卸去部分恒載的情況下進行加固，此時新構(gòu)件(截面)處與原結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)活載外，還承擔(dān)原有結(jié)構(gòu)的一部分恒載，新舊結(jié)構(gòu)按整體受力計算。
(4)采用增大截面法進行舊橋加固改造時，由于新舊結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)或混凝土之間收縮率的不同，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，在新舊材料或新舊混凝土的結(jié)合面上將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，容易出現(xiàn)裂縫而影響到結(jié)構(gòu)的整體性。因此，必要時應(yīng)該進行收縮應(yīng)力的計算；在新舊材料或者新舊結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合面處，采用增加纖維和采用性能相近的材料進行補強。為減小混凝土收縮的不利影響，新澆混凝土不宜采用過高等級的水泥和較大的水灰比，并在新澆混凝土中設(shè)置鋼絲網(wǎng)或者盡可能采用性能相近的材料進行加固補強。
