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桥隧网:公路桥梁加固技术分析

来源:桥隧网

 

    作者:陈存夫 单位:上海泰固建筑工程有限公司 职位:总经理 职称:高级工程师

    Email:chencunfu2008@163.com


    摘 要:如此庞大数量的问题桥,不论从经济上还是从保障交通畅通上来讲,推倒重建都是不可行的,实践证明,采用适当的加固技术和拓宽措施,对恢复和提高旧桥的承载能力及通行能力,延长桥梁的使用寿命,以满足现代化交通运输的需要,是可行的。

 

    关 键 词:公路桥梁 加固 养护 安全

 

    1 问题的提出

 

    近30年来,国家对基础设施建设投资巨大,我国公路建设事业蓬勃发展,公路的通行能力和服务水平进一步得到改善和提高,公路面貌日新月异。但是,我国幅员辽阔,就整个公路网络而言,在国民经济整体中,公路交通基础设施的“瓶颈”制约因素,并没有得到根本的缓解,数以万计的旧桥,因设计荷载标准低,年久失修、失养,正在逐步成为危桥,成了不断提升技术等级的公路上卡脖子路段。数量如此庞大的问题桥,不论从经济上还是从保障交通畅通上来讲,推倒重建都是不可行的,实践证明,采用适当的加固技术和拓宽措施,对恢复和提高旧桥的承载能力及通行能力,延长桥梁的使用寿命,以满足现代化交通运输的需要,是可行的。这样一方面能节省大量投资,收到良好的(此词被过滤)经济效益,特别是对贫困省份来说,尤为重要;其次,通过维修和改造旧危桥,是消除交通安全隐患,提高公路通行能力和服务水平的有效途径。旧桥加固工作应当说是一项技术上可行、经济上合理的举措。

 

    本人通过查阅大量的书籍、资料和结合实践经验,收集整理了桥梁常见的缺陷与病害,收集整理了桥梁常用的加固、改造方法和技术,并将有关的加固技术在桥梁加固的实际工作中得到了应用,收到显著的成效。

 

    2 桥梁病害分析

 

    2.1 引起桥梁病害的原因分析

 

    桥梁结构的病害表现形式多种多样,引起病害的原因错综复杂。由于河床屡遭洪水冲刷,河床底部加深,桥梁墩台基础外露、冲空,产生不均匀沉降,导致桥台、拱圈产生附加应力而出现开裂,有的甚至出现开合现象;有的桥梁由于桥台较高,受行车及台后土压力的作用,桥台出现开裂、凸肚等病害;桥面混凝土铺装层由于使用时间长加之重车作用,导致开裂、剥落等病害。从引起病害的原因来分析,可以将其划分为两大类:

 

    2.1.1 由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏由于混凝土的缺陷(例如裂隙、孔道、气泡、孔穴等),环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部,与混凝土中某些成分发生化学、物理反应,引起混凝土损伤,影响结构的受力性能和耐久性。

 

    2.1.2由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤由于超载作用引起的裂缝,动力冲击作用引起疲劳破坏。构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等。

 

    2.2 引起结构裂缝原因的分析

 

    实践表明,混凝土结构的任何损伤与破坏,一般都是首先在混凝土中出现裂缝。所以,对混凝土结构的损伤检测,首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析人手。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多,但可归纳为两大类:

 

    2.2.1 由外荷载引起的裂缝

 

    由外荷载引起的裂缝称为结构性裂缝(又称为受力裂缝),其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现,预示结构承载力可能不足或存在(此词被过滤)严重问题。

 

    2.2.2 由变形引起的裂缝

 

    由变形引起的裂缝称为非结构性裂缝,如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时,在结构内部就会产生拉应力,当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝,裂缝一旦出现,变形得到释放,拉应力也就消失了。

 

    两类裂缝有明显的区别,危害效果也不相同,有时两类裂缝融在一起。X,-I"裂缝原因的分析是裂缝危害性评定,裂缝修补和加固的依据,若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理,不仅达不到预期的效果,还可能潜藏着突发性事故的危险。

 

    3 桥梁加固改造技术与方法

 

    3.1 旧桥上部结构加固、改造

 

    3.1.1 桥面铺装层的加固

 

    桥面铺装层开裂或剥离等病害,对于钢筋混凝土梁板桥容易使钢筋锈蚀,减弱桥梁的横向整体性;同时由于桥面铺装层的破损,引起桥面平整度差,车辆通行时,使桥梁产生震动,对桥梁产生不利影响,同时又加重了桥面铺装层的病害。根据桥梁的具体情况,采用不同的加固方法,对于使用年限长、破损严重的采用拆除、修复的加固方案。一般先凿除旧桥铺装混凝土,在梁顶重新浇筑一层钢筋混凝土,使其与原有主梁形成整体,改善铰接梁板的荷载横向分布,从而提高桥梁的承载能力。而对于病害较轻,使用年限短,且混凝土强度仍符合设计要求的则先处治病害,在不降低设计荷载标准的前提下可采用加铺沥青碎石层的方案。

 

公路桥梁加固技术分析

图1 桥面铺装层的加固

 

    3.1.2 增大截面和配筋加固法

 

    当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时,通常采用增大构件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。这种方法是在梁底面或侧面加大尺寸,增配主筋,提高梁的有效高度和抗弯强度,从而提高桥梁的承载力。该方法一般用于梁桥及拱桥拱肋的加固。

 

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图2 拱圈增大截面

 

    3.1.3 锚喷混凝土加固法

 

    借助高速喷射机械,将新混凝土混合料连续地喷射到已锚固好钢筋网的受喷面上,凝结硬化而形成钢筋混凝土,从而增大桥梁的受力断面和补强钢筋,加强结构的整体性,使其能承受更大的外荷载作用。

 

    3.1.4 粘贴抗拉补强材料(钢板、复合纤维)加固法

 

    当交通量增加,主梁出现承载力不足时,采用粘结剂及锚栓,将钢板或高强复合纤维(碳纤维、芳纶纤维等)粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位,使其与结构形成整体,以钢板或高强复合纤维代替增设的补强钢筋,达到提高梁的承载能力的目的。

 

    这种加固方法的特点是:不需要破坏被加固的原结构的尺寸,施工工艺简单,施工质量较容易控制,施工工期短。这种加固方法,设计时必须考虑桥梁带载加固分阶段受力特点。后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制,一般情况下是达不到其抗拉强度设计值。特别是采用直接粘贴高强复合纤维加固时,在极限状态下,复合纤维的高强抗拉性能根本无法充分发挥作用。若不考虑分阶段受力特点,过高地估计了后加补强材料的作用,设计是不安全的。

 

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图3 桥梁底贴碳纤维布

 

    3.1.5 改变结构受力体系加固法

 

    这种加固、改造方法是通过改变桥梁结构受力体系,达到提高桥梁承载能力的目的。如:在简支梁下增设支架或桥墩,或把简支梁与简支梁纵向加以连接,由简支变连续梁,或在梁下增设钢桁架等加劲或叠合梁等,以减小梁内应力 达到提高梁的承载力目的。 改变结构体系的方法有多种,但往往都需要在桥下操作,或设置永久设施,因而减少桥下净空,或施工时会影响通航,所以必须考虑通航及桥梁排洪能力。

 

    3.1.6 体外预应力加固法

 

    对于钢筋混凝土或预应力混凝土梁或板桥,采用对受拉区施以体外预加力加固,可以改善原梁板的应力状态,抵消部分自重应力,起到卸载的作用,从而能较大幅度地提高梁的承载能力和抗裂性能。体外预应力加固法优点是:在自重增加很小的情况下,能够大幅度改善和调整原结构的受力状况,提高承重结构的刚度、抗裂性能;由于承重结构自重增加小,故对墩台及基础受力状况影响很小,可节省对墩台及基础的加固;对桥梁营运影响较小,可在不限制通行的条件下加固施工。预应力加固法既可作为桥梁通过重车的临时加固手段,又可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。

 

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图4 体外预应力加固

 

    3.1.7 增设纵梁加固法(拓宽改建)

 

    在墩台地基安全性能好,并具有足够承载能力的情况下,可采用增设承载力高和刚度大的新纵梁。新梁与旧梁相连接,共同受力。由于荷载在新增主梁后的桥梁结构中重新分布,使原有梁中所受荷载得以减少,由此使加固后的桥梁承载能力和刚度得到提高。当增设的纵梁位于主梁的一侧或两侧时,则兼有加宽的作用。为保证新旧混凝土能够共同工作,必须注意做好新旧梁之间的横向连接。横向的连接方法,如:企口铰接、键槽连接、焊接及钢板铰接等,使新增主梁与旧梁牢固连接,可提高主梁之间的横向连接刚度,有利于荷载的横向分布。

 

    3.1.8 拱圈增设套拱加固法

 

    当拱式桥梁的主拱圈为等截面或变截面的砖、石或混凝土等实体板拱时,且下部构造元病害,同时桥下净空与泄水面积容许部分缩小时,可在原主拱圈腹面下增设一层新拱圈,即紧贴原拱圈底面上,浇筑或锚喷混凝土新拱圈,外形上就像是在原拱圈下套做了一个新拱圈。

 

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图5 拱圈增设套拱加固

 

    3.2 旧桥下部结构加固、改造

 

    桥梁下部构造易产生的缺陷与病害有:墩、台身裂缝、剥落、空洞、老化,钢筋外露、锈蚀,结构变形、移位等;基础不均匀沉陷、滑移和倾斜,基底局部冲空,基础结构物的异常应力和开裂。

 

    3.2.1 扩大基础加固法

 

    桥梁基础扩大底面积的加固,称为扩大基础加固法。此法适用于基础承载力不足或埋深太浅,而墩台又是砖石或混凝土刚性实体式基础时的情况。扩大基础底面积应由地基强度验算确定。当地基强度满足要求而缺陷仅仅表现为不均匀沉降变形过大时,采用扩大基础底面积的加固,主要由地基变形计算来加以选定。

 

    3.2.2 增补桩基加固法

 

    当桥梁墩台基底下有软卧层,或墩台基础未下至坚硬岩层时,墩台发生沉陷;当桥梁墩台采用桩基础,而桩的深度不足,或由于水流冲刷等原因使桩发生倾斜。这些病害都直接影响桥梁结构的正常使用和服务年限。对此,采用增补桩基加固法是一种常用而且有效的方法。这种加固方法是:在桩式基础的周围补加钻孔桩,或打人钢筋混凝土预制桩,扩大原承台,以此提供基础的承载力,增强基础的稳定性。

 

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图6 增补桩基加固

 

    3.2.3 钢筋混凝土套箍或护套加固法

 

    当桥梁墩台由于基础埋置深度不够,或因施工质量控制不严等原因,导致墩台开裂破损时,有时会出现贯通裂缝,可采用钢筋混凝土围带或钢箍进行加固。加固时一般在墩身上中下分设三道围带,其间距应大致相当于桥墩侧面的宽度。当墩台损坏严重,如有严重裂缝及大面积表面破损、风化和剥落时,则可采用围绕整个墩台设置钢筋混凝土护套的方法进行加固。

 

    3.2.4 桥台新建辅助挡土墙加固法

 

    由于桥台台背水平土压力过大,引起桥台倾斜,应设法采取平衡桥台后壁的土压力处理,在台背之后加建一挡墙,以抵御过大的土压力。

 

    3.2.5 墩台拓宽方法

 

    利用旧桥基础,靠墩台盖梁挑出悬臂加宽部分,以便安装加宽的上部结构。此种情况为只加宽墩台的盖梁,墩台身和基础则不需予以加固。采用此法加宽墩台时,旧桥墩台基础必须完好、稳定,且需经过承载力验算后才能采用。否则,应在老桥的墩台旁,从新浇筑拓宽部分的墩台及基础。

 

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图7 墩台拓宽

 

    4  结束语

 

    随着经济的发展,大吨位车辆的出现,公路桥涵设计荷载标准也是大大提高。加强对公路桥梁的养护、维修与加固改造,提高桥梁的承载能力与行车性能,延长使用年限是我国公路桥梁管理部门亟待解决的问题,搞好这项工作不仅需要加强桥梁加固维修技术的探究和推广,也需要科学的管理的维护。有计划、有步骤地及时对现有桥梁承载能力进行维修加固,提高其荷载等级,确保交通运输的畅通无阻,充分发挥经济效益和社会效益,目前是工程界及管理部门的一个重大课题。科学技术的发展,新材料、新工艺、新设备的出现,对现有桥梁进行维修与加固,可大大提高机构的承载能力,延长使用年限,同时也可以节约大量建设资金。

 

    参考文献

 

    [1]尹伊林.论桥梁的加固技术.天津:南开大学出版社,2004
    [2]高树青.桥梁加固方法探析.山西:山西建筑杂志社,2008

 

 

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