混凝土梁橋加固方法及經濟性評價

劉美真，王博，陳文超，徐建國

（1.商丘市農村公路管理處，河南 商丘 476000；2.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州 450001）

0 前 言

現階段隨著社會經濟的發展，公路橋梁交通量急劇增加，重載車輛增多，當初建設標準低、施工質量差以及缺乏有效的養護，公路橋梁的老齡化問題日益嚴重。為了確保橋梁安全，必須及時進行維修加固，對危舊橋梁進行加固比新建橋梁更為復雜，一方面由于原有結構的影響，另一方面由于舊橋自身的損壞及存在的缺陷，使得對舊橋的維修加固難度更大。因此，在選擇橋梁的加固方案時，應當仔細考慮，嚴格遵守舊橋加固相關的原則和要求，確定的加固方案不但要安全可靠，滿足承載力要求，而且還要具有經濟合理性。魏洪昌在公路橋梁維修加固技術評價方法研究中使用的是宏觀經濟和微觀經濟進行綜合分析[1]，饒英惠在技術經濟評價研究在既有橋梁加固方案優選中的應用研究使用平均年費用進行經濟分析[2]，文章使用加固費用系數和加固壽命系數兩個指標進行評價，通過加固方案和重建方案作比較,更能具體反映方案之間的經濟性，便于決策者進行最后選擇。

1 橋梁加固基本原則

①一般情況下不應該更改舊橋結構形式，減少原有構件的更換和拆除。

②選擇投資少，影響交通程度小，技術上具有可行性，加固后耐久性滿足要求。

③應對舊橋現有結構材料的力學性能進行檢測，確定現有材料的實際強度等級。

④應當需考慮加固后橋梁空間情況、維修后的耐久年限等。

⑤應考慮經過加固后舊橋整體的受力分布和總體效應。

2 橋梁加固常用方法

2.1 增大截面法

鋼筋混凝土梁橋上部結構通常因為原結構截面不足，包括混凝土截面不足和鋼筋截面不足兩種情況，或者由于施工質量較低等原因，導致在長時間運營過程中出現裂縫、較大的變形等現象，造成結構的承載能力降低或者不能滿足新的荷載標準的要求。

2.1.1 增加主鋼筋補強加固

若梁內配置的主要受力鋼筋截面不足，不能滿足抗彎承載能力的要求，此時又受到橋下凈空高度的限制，不能過多增加主梁的高度，甚至有時連橋面高度也不能提高的時候，此時進行補強加固就可以采用增加縱向主鋼筋的方法，增加的主鋼筋采用焊接工藝與梁內原主鋼筋相連，具體施工包括增焊主筋、接長箍筋和恢復混凝土保護層等。

2.1.2 增大混凝土截面補強加固

增大混凝土截面通常做法是加厚橋面板，采用加厚橋面板進行補強首先把原有的橋面層鑿除，然后再澆筑一層新的鋼筋混凝土，做到新舊形成組合斷面，達到補強的效果，可以用來提高橋梁的抗彎剛度。為了使新舊兩層混凝土有很好的結合，舊的橋面在鑿毛之后必須做到清洗干凈，而且一定距離布置齒形剪力槽，也可以用環氧樹脂進行新舊混凝土的膠結。補強層中鋼筋網的鋼筋直徑與間距可根據補強層參與橋面板共同受力來確定。通常當采用此法進行補強加固時,可以不再做橋面鋪裝層，而在補強層表面加鋪瀝青砂作為橋面磨耗層，或者在設計確定補強層厚度時再增加2cm作為磨耗層考慮。采用加厚橋面板進行補強，施工簡便，不需搭設支架，對水上交通無影響，但施工時橋上行車受阻。因此，對于不允許中斷交通的大交通量地區的橋梁，采用此法受到一定的限制。采用此法由于必然會增加結構物的自重與恒載彎矩，而構件下緣受拉區并未得到真正的加強，因而往往仍由截面下緣受拉主鋼筋控制設計。所以，這種方法僅適用于較小跨徑的梁橋，為了彌補以上缺陷，有時它也與增焊主筋法配合使用。

2.2 粘貼加固法

粘貼加固法是一種將補強材料用化學粘貼劑粘貼到需要加固的結構外部的補強方法，該方法在國內外都得到了廣泛的應用，實踐證明，粘貼加固法是一種較為理想的加固方法。目前最常用的粘貼劑是環氧樹脂，可用來粘貼鋼筋、鋼板或玻璃纖維布（多層玻璃纖維布通過環氧樹脂粘結形成玻璃鋼）,達到提高構件的抗剪、抗彎能力以及減小裂縫的擴展等效果。粘貼加固法的最大優點在于施工較為簡便，基本上不影響橋梁下部的凈空，對橋上交通的影響程度也較小。

2.2.1 粘貼鋼板加固

粘貼鋼板可以增補原結構構件的強度，提高原結構的剛度，提高原有構件的抗彎、抗剪能力，限制裂縫的開展，改善鋼筋與混凝土的應力狀態。當粘貼鋼板試圖提高原構件的抗彎強度時，鋼板粘貼在梁底或板底，此時鋼板和混凝土是作為整體受力考慮，以鋼板與混凝土粘結面處混凝土的局部剪切強度控制設計。鋼板的規格宜薄且寬，厚度不應不超過6mm，薄鋼板由于具有較好的彈性而便于適應構件表面狀況。粘貼鋼板補強加固的合理設計應控制在鋼板發生屈服之前，混凝土不出現剪切破壞。為避免鋼板在自由端脫膠，端部應采用夾緊螺栓固定，也可在鋼板上按一定間距用螺栓固定。

采用粘貼鋼板進行補強加固時，粘貼質量的好壞對加固效果將有直接影響，為此必須保證粘貼密實，當發現粘貼有空隙時，應及時用膠結劑進行填補。為了防止粘貼的鋼板銹蝕，鋼板的外露面應當清除油污。并用鋼絲刷除去銹斑(若用螺栓加壓，螺栓亦應同樣處理)，并涂一層環氧樹脂薄漿罩面，再涂兩層防銹漆予以保護，以后每隔1~2年檢查一次防護層，若發現脫漆現象應及時修補。

2.2.2 粘貼玻璃鋼加固

采用環氧樹脂膠槳粘貼玻璃纖維布形成玻璃鋼，可以大大提高粘貼層的抗拉強度。根據廣東省交通科研所的試驗，以10%丙酮稀釋環氧樹脂凈漿制成含有四層玻璃纖維布的玻璃鋼，其抗拉強度可以達到170MPa。由于玻璃鋼的彈性模量較低，因此，在粘貼玻璃纖維布時摻加高強鋼絲，使玻璃鋼的剛度得到提高。為此，在補強加固工程中，常常在玻璃纖維布中間粘貼直徑為5mm的高強鋼絲。

2.2.3 粘貼鋼筋加固

由于玻璃鋼的彈性模量較混凝土低，當采用粘貼玻璃鋼補強時，在其受力時玻璃鋼的拉伸長度比混凝土大，因而控制結構變形的能力較差，粘貼鋼板又存在加工成型較為困難、需要一定數量的支托材料及輔助設備等問題。為彌補上述方法的不足，采用粘貼鋼筋進行補強加固可以取得較好的效果。采用粘貼鋼筋補強時，所用鋼筋的直徑以不超過8mm為宜，粘貼劑環氧砂漿的厚度一般為鋼筋直徑的2倍。

采用粘貼技術進行橋梁補強加固，其施工工藝較為簡單。但是，粘貼質量的好壞將直接影響加固的效果。為此，在施工時對下列幾個問題必須嚴格控制：嚴格掌握膠結材料的配合比；施工溫度；保持成型所需的壓力；涂膠要均勻且用力刮平將氣泡擠出以免形成空洞或脫膠；做好粘貼基面的處理和防護措施。

2.3 外部預應力改造技術加固

采用外部預應力對梁式橋上部結構進行補強加固，其做法是在梁的下緣受拉區設置用粗鋼筋形成的預應力拉桿或頂應力鋼絲束，通過張拉對梁體產生偏心預壓力，在這個偏心壓力的作用下，梁體會發生上拱，撓度可以減小，改善了橋梁結構的受力狀態，以此達到提高承載能力的目的。

2.3.1 下撐式預應力拉桿加固法

在橋下凈空允許的條件下,可以將預應力拉桿設置在梁下進行加固，粗鋼筋的兩端分別固定在梁端，中間部分可設單柱、雙拄或多柱進行支撐，原梁和粗鋼筋組合受力。有時為了避免粗鋼筋在梁端錨固困難，也可將粗鋼筋錨固在從梁端數起的第二道橫隔板上，通過改變支撐點的位置和調整拉桿中的拉力來滿足承載力的要求。

2.3.2 外部預應力鋼絲束加固法

采用外部預應力鋼絲束加固梁式上部結構，通常沿梁肋側面按類似于拋物線的曲線線形設置預應力鋼絲束，為使曲線線形固定鋼束位置可在梁底的位置每隔一定距離（50cm~100cm）設置一個定位箍圈，也可將定位銷埋設在梁肋的側面。鋼絲束的兩端頭則穿過梁端翼緣板上的斜孔伸至梁頂錨固。

為達到防止鋼絲束的銹蝕的效果，應該把預應力鋼絲束放在保護導管內，或者待張拉后在用混凝土包裹鋼絲束周圍。采用預應力鋼絲束加固時，由于設置并張拉鋼絲束常增加了梁端上緣的壓應力，從而導致梁端上緣混凝土因抗壓強度不足而開裂，因此，可以適當加厚橋面板以加強受壓翼緣。

3 加固技術經濟性評價

舊橋加固要根據橋梁的現有技術狀況，選取可行的加固方案，不僅要使橋梁經過加固后，其結構性能、承載力等滿足要求，而且要對多種加固方案的技術經濟性進行比較，確定最經濟合理的加固方案，文章選取加固費用系數和加固壽命系數兩個指標進行評價。

①加固費用系數m1=加固費用/新建費用。

加固費用=經濟總損失+加固工程費用；新建費用=經濟總損失+新建工程費用（含舊橋拆除費用）。

橋梁加固經濟總損失主要包括成本損失、擁擠損失、時間損失、繞行損失和事故損失等，用公式表示為：

式中:C 為全部橋梁使用者的經濟損失（萬元）；C1為橋梁加固期運輸成本提高的損失（萬元）；C2為橋梁加固期附近公路擁擠的運輸成本提高金額（萬元）；C3為橋梁加固期車輛繞行增加的運輸成本（萬元）；C4為運輸時間延長的價值（萬元）；C5為事故增加的損失（萬元）。

②加固壽命系數m2=（橋梁原設計壽命-已使用年限）/橋梁原設計壽命。

4 案例分析

某大橋為40m跨徑的簡支梁橋，橋面凈寬11m，主梁高2.5m，主梁腹板厚度16cm。近年由于該橋交通量日益增長，重載車輛增多，原有設計荷載不能滿足現有要求，經過前期的檢測計算，確定新建一座橋梁和采用增加主鋼筋補強加固兩套方案，文章對兩種方案的經濟性進行評價。

由加固費用系數計算公式可得：

加固費用=經濟總損失+加固工程費=840.38+1771.32=2611.70萬元

新建費用=經濟總損失+新建工程費用（含拆除舊橋費用）=5042.28+3270.78+763.18=9076.24萬元。

加固費用系數m1=2611.70/9076.24=0.288。

該橋設計使用壽命為50年，至今已使用32年，因此加固壽命系數m2=（50-32）/50=0.36。

根據橋梁加固技術經濟原則，當滿足加固壽命系數m2=M2，加固費用系數m1

M1、M2取值表 表1

根據計算，該大橋加固壽命系數m2=0.36，加固費用系數m1=0.288，與上表對比推算出運營年限為32年時，M2=0.36，M1=0.38。即滿足加固壽命系數n2=N2，加固費用系數n1=0.288，N1=0.38(n1

5 結 語

采用合理的加固方法對于恢復舊橋的承載能力，保證橋梁的通行能力，滿足交通需求是可行的。本文推薦的幾種常見加固方法具有很強的針對性和實用性，使用加固費用系數和加固壽命系數這兩個指標，對加固方案進行經濟評價是合理的，可以為其它舊橋加固提供參考。

[1]魏洪昌,張勁泉.公路橋梁維修加固技術經濟評價研究[J].公路交通科技,2005(3).

[2]饒英惠.技術經濟評價在既有橋梁加固方案優選中的應用研究[J].蘭州交通大學學報,2009(6).

[3]武同樂,徐岳.橋梁加固經濟性評價[J].公路交通科技,2006(4).

[4]張三省.道路運輸技術經濟學[M].北京:中國計劃出版社,1993.

[5]郝偉.橋梁加固設計方案的技術經濟評價研究[J].建筑管理現代化,2009(2).

[6]郝金華,郭占余,田玉女.橋梁加固重建方案的經濟淺析[J].建筑與預算,2004(5).

[7]盧堯.舊橋加固的經濟評價研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[8]李大義.在服橋梁加固技術經濟分析模型的研究[J].黑龍江交通科技,2009(2).