橋梁加固技術(shù)應(yīng)用研究

韓永軍

（國(guó)家能源集團(tuán)神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

1 我國(guó)橋梁主要病害及成因分析

橋梁受到自然、社會(huì)等諸多因素的影響，容易出現(xiàn)不同類型的病害，比如常見的鋼筋銹蝕、凍害、基礎(chǔ)沉降等。

1.1 鐵蝕病害

橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在大氣中，和空氣中的二氧化碳直接接觸。鋼筋又是橋梁的基礎(chǔ)材料之一，是橋梁的重要部分，對(duì)橋梁的抗拉、抗剪性能起決定作用。通常鋼筋表層具有致密的氧化膜，可以阻隔空氣，有效防止腐蝕。但由于外界環(huán)境的影響，在二氧化碳環(huán)境當(dāng)中，隨著雨水等滲入混凝土，致使鋼筋氧化膜發(fā)生破壞，發(fā)生連鎖腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致其剛度及強(qiáng)度急劇降低。此外酸性液體還會(huì)進(jìn)一步加劇鋼筋腐蝕，使鋼筋的整體性能大大降低，橋梁的整體承載能力急劇降低。

1.2 凍融病害

除鋼筋腐蝕病害外，凍融病害也是非常嚴(yán)重的一種病害形式。凍融病害通常和當(dāng)?shù)氐臍鉁赜泻艽箨P(guān)系，尤其是在我國(guó)的北方地區(qū)較為突出。在我國(guó)北方長(zhǎng)期凍融現(xiàn)象使得大量橋梁出現(xiàn)裂縫。一般在發(fā)現(xiàn)上述裂縫病害后，采取加固填充處理，但在處理時(shí)若措施不當(dāng)，反而會(huì)加劇破壞，增大裂縫。一般凍融病害主要原因在于當(dāng)?shù)貧夂?，但也?huì)有人為因素的存在。例如：在橋梁施工期間施工工藝不規(guī)范，監(jiān)管力度薄弱，以及橋梁養(yǎng)護(hù)期內(nèi)養(yǎng)護(hù)工作滯后等都會(huì)造成上述病害的發(fā)生。

1.3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降

因橋梁地基不穩(wěn)定因素（如地質(zhì)變化、外界環(huán)境變化等），導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降。發(fā)生不均勻沉降，可導(dǎo)致墩臺(tái)開裂；上部結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系開裂變形，梁體結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)性破壞，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)破裂，在墩臺(tái)銜接處發(fā)生不均勻沉降，易造成跳車等交通事故。現(xiàn)代交通運(yùn)輸行業(yè)的高速發(fā)展，類似像高速鐵路對(duì)路線線形要求更加苛刻，基礎(chǔ)沉降問題顯得異常重要，成為工程建設(shè)研究的重點(diǎn)。

1.4 裂縫問題

混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁，裂縫是很普遍的病害，甚至預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有些部位都會(huì)出現(xiàn)裂縫。當(dāng)橋梁使用較長(zhǎng)時(shí)間，由于各種外界因素、內(nèi)部原因共同影響，一般都會(huì)出現(xiàn)裂縫，根據(jù)其是否由外荷載引發(fā)，大致可歸納分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)物一旦出現(xiàn)裂縫，其受力截面發(fā)生應(yīng)力重分布，也就意味著有效受力截面變小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大，承載能力降低?；炷两Y(jié)構(gòu)的任何損傷和破壞，一般都首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫，裂縫已成為是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表，在工程施工及橋梁后期養(yǎng)護(hù)中需引起高度重視。

2 橋梁加固的重要意義

2.1 提高橋梁的安全性能

橋梁一旦發(fā)生病害，橋梁的安全性能就會(huì)降低。如橋梁發(fā)生裂縫病害后，其整體剛度就會(huì)急劇降低，力學(xué)性能發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生重分布，導(dǎo)致局部應(yīng)力可能超過允許應(yīng)力，致使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的裂縫，甚至可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂而導(dǎo)致橋梁垮塌，造成嚴(yán)重的安全事故。故橋梁加固對(duì)提高橋梁的安全使用性能具有重要意義。

2.2 節(jié)約建設(shè)成本

通過對(duì)橋梁進(jìn)行加固，不僅能恢復(fù)橋梁原有的功能，同時(shí)還能在很大程度上減少新建工程的資金投入，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益雙豐收。首先，翻新重建或拆除舊橋都需要耗費(fèi)大量的資金，增加了政府、企事業(yè)單位的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；其次，加固能夠使原有橋梁承載力提高，使用壽命增加，節(jié)約投資的同時(shí)，使得既有橋梁充分發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值，整體上節(jié)省了交通建設(shè)發(fā)展的投資成本。

2.2 有利于保障人民人身財(cái)產(chǎn)安全

改革開放以來，我國(guó)交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，尤其進(jìn)入“十三五”，交通供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，實(shí)現(xiàn)安全、便捷、高效、綠色的現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系。一方面，運(yùn)輸車型不斷發(fā)展，載重?cái)?shù)量不斷加大，車流量持續(xù)增加；另一方面，交通綜合管理相對(duì)滯后，監(jiān)管尚未實(shí)現(xiàn)全覆蓋，這就意味著，超載現(xiàn)象屢見不鮮、橋梁養(yǎng)護(hù)尚處落后，橋梁的實(shí)際高負(fù)荷承載使得橋梁垮塌事故時(shí)有發(fā)生、橋梁帶病運(yùn)行較普遍存在。橋梁加固能夠有效避免上述事故的發(fā)生，提高了交通運(yùn)行的安全性和可靠性，有助于保證行車安全，為國(guó)民的生命財(cái)產(chǎn)安全提供了保障。

2.3 促進(jìn)可持續(xù)、和諧發(fā)展

現(xiàn)代交通持續(xù)發(fā)展，尤其是在城市，交通擁擠已經(jīng)成為各大城市的痛點(diǎn)，平交方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)今持續(xù)緊張的交通狀況，對(duì)既有橋梁進(jìn)行加固改造，能有效的對(duì)高密度車流實(shí)行分流處置，大幅減少交通堵塞，為緩解城市交通起到舉足輕重的作用。方便人們正常生活工作的同時(shí)，也為當(dāng)今持續(xù)發(fā)展的物流業(yè)助力。此外，交通建設(shè)發(fā)展不可避免的占用了大量農(nóng)田，導(dǎo)致我國(guó)耕地保有量持續(xù)降低，威脅著我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。橋梁加固改造再利用，一定程度上省去了新建橋梁或路基填筑，節(jié)約耕地，保障了農(nóng)業(yè)的土地根本。同時(shí)，征地拆遷難度降低，有效的消除了工程建設(shè)的社會(huì)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，促進(jìn)了社會(huì)和諧可持續(xù)發(fā)展。

3 橋梁加固方法、各自特點(diǎn)及其適用性

3.1 碳纖維加固法

碳纖維近年來常見于混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁加固。加固方法基于混凝土的結(jié)構(gòu)原理，即鋼筋與混凝土之間良好的協(xié)調(diào)性，以及鋼筋在彈性模量與抗拉強(qiáng)度上的優(yōu)越性。粘貼碳纖維法就是利用碳纖維的高強(qiáng)度與相近的彈性模量，將粘結(jié)樹脂涂布到混凝土上，使碳纖維與混凝土結(jié)合，提高混凝土強(qiáng)度。碳纖維布粘貼時(shí)應(yīng)沿其受力方向用橡皮滾筒多次滾壓壓實(shí)， 將氣泡趕出， 保證碳纖維布粘貼密實(shí)，與混凝土表面緊密結(jié)合。第一層碳纖維布粘貼完成后， 應(yīng)及時(shí)進(jìn)行第二層黏結(jié)劑的涂抹，待黏結(jié)劑固化到一定程度后， 進(jìn)行第二層碳纖維布的粘貼， 重復(fù)上述步驟直到層數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的數(shù)量。碳纖維的端部通常較難固定，可采用鋼板固定等方法進(jìn)行處理。碳纖維布粘貼完成后，需要在最外層外面涂抹一層膠料形成表面防護(hù)層。防護(hù)層可以采用在黏結(jié)膠料中加入少量的滑石粉的方法配制，在膠料固化后利用無機(jī)材料進(jìn)行一道表面涂裝。

碳纖維加固法可用于混凝土結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪加固。在多種結(jié)構(gòu)的橋梁上應(yīng)用也較為廣泛，例如最常見的混凝土結(jié)構(gòu)、木材或鋼材結(jié)構(gòu)橋梁的加固。使用碳纖維材料進(jìn)行加固以后，橋梁的承重能力、抗震能力以及抗腐蝕能力都有了顯著的提高。

3.2 預(yù)應(yīng)力加固法

在原構(gòu)件體外增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋，通過對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力的方法，改變?cè)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布狀態(tài)，以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載力的目的。增設(shè)的預(yù)應(yīng)力桿、撐與原結(jié)構(gòu)有良好的共同工作性能，其承載力提高的幅度也比較大。預(yù)應(yīng)力加固施工技術(shù)有諸多特點(diǎn)，如施工難度較低，不影響橋梁結(jié)構(gòu)本身，施工工序較為簡(jiǎn)單等。在橋梁施工中，體外預(yù)應(yīng)力加固法主要被用于連續(xù)體系梁、懸臂梁、簡(jiǎn)支梁橋等在內(nèi)的梁式橋在其正常使用極限狀態(tài)出現(xiàn)超限情況下的結(jié)構(gòu)加固，此外大跨度結(jié)構(gòu)以及采用一般方法無法加固或加固效果很不理想的較高應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的大型結(jié)構(gòu)加固。通過對(duì)已建橋梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固，不但可以達(dá)到降低或者消除裂縫的目的，與其他加固方法相比，還有助于減小梁體的斷面尺寸和自重，提高橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.3 增大構(gòu)件截面加固法

增大構(gòu)件截面法指通過增加鋼筋或混凝土截面面積等進(jìn)行橋梁加固的方法。增加鋼筋法需在混凝土保護(hù)層上進(jìn)行處理，然后通過焊接連接新舊主鋼筋、接長(zhǎng)箍筋，以及恢復(fù)混凝土保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)。

采用增大截面法加固有以下特點(diǎn)：1）現(xiàn)代橋梁主要使用的材料為混凝土，鋼筋及植筋膠，材料成本低廉且易取得，施工簡(jiǎn)便，技術(shù)含量相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)有效。相對(duì)于其他加固方法，施工質(zhì)量最易控制；2）在設(shè)計(jì)中主梁受力明確，計(jì)算簡(jiǎn)單，減少設(shè)計(jì)計(jì)算工作量，加快了設(shè)計(jì)周期；3）增大截面法加固施工中濕作業(yè)的工作量大，可以結(jié)合橋面一起進(jìn)行改造，改善橋梁橫向傳力，提高橋梁的整體剛度和穩(wěn)定性。實(shí)際工程中，該技術(shù)在拱橋、連續(xù)橋梁、雙曲拱橋、受彎構(gòu)件、火損橋梁、橋臺(tái)加固等方面有著廣泛的應(yīng)用。

4 我國(guó)橋梁加固技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

加固技術(shù)問世后陸續(xù)被世界各國(guó)廣泛的應(yīng)用到了橋梁加固當(dāng)中，并且取得了較好的效果，明顯的提高了橋梁的抗震性能與安全性。我國(guó)的橋梁加固技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于起步的階段，直到2008 年才出臺(tái)了我國(guó)橋梁的加固設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范，并在實(shí)踐中得以應(yīng)用，以探索總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)加固的橋梁進(jìn)行全方位評(píng)估尚處空白，目前僅可依據(jù)養(yǎng)護(hù)規(guī)范進(jìn)行間接評(píng)估。從整體上來說， 我國(guó)的橋梁加固技術(shù)與世界上先進(jìn)國(guó)家依然存在著巨大的差距， 橋梁加固技術(shù)水平還有待于進(jìn)一步提高。目前，橋梁加固技術(shù)日趨成熟，加固技術(shù)已經(jīng)由通用加固技術(shù)向?qū)ｉT針對(duì)各種形式的拱橋(如石拱橋、雙曲拱橋)、PC 混凝土斜拉橋、連續(xù)梁橋和剛構(gòu)橋等橋梁結(jié)構(gòu)體系的維修加固技術(shù)、防震預(yù)加固及地震后的維修加固技術(shù)的方向發(fā)展。此外還針對(duì)橋梁加固之后如何對(duì)加固的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)定以及加固時(shí)選取的新材料應(yīng)用效果進(jìn)行專題研究，并取得了良好的效果。通過這些深層次的專項(xiàng)研究，我國(guó)的橋梁的加固技術(shù)必將走向更加先進(jìn)成熟的快車道。同時(shí)我們也看到，從2008 年汶川大地震，到近幾年全國(guó)各地地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，其不確定性和自身的強(qiáng)大破壞力，給國(guó)家及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失；同時(shí)我國(guó)抵御自然災(zāi)害的體制機(jī)制，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控體系建設(shè)也日趨完善，防風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)不斷增強(qiáng)，抵御自然災(zāi)害的能力逐步提升。所以，新時(shí)代新要求，橋梁加固改造系列領(lǐng)域的建設(shè)發(fā)展，肩負(fù)著時(shí)代的要求和崇高的歷史使命，必須不遺余力，攻堅(jiān)克難，繼往開來。

5 橋梁加固工程實(shí)例分析

5.1 工程概況

某公路中橋建于上世紀(jì)90 年代，橋梁全長(zhǎng)47.5m，橋面寬度為凈4.5m+2×0.75m 人行道，設(shè)計(jì)荷載為汽車-15 級(jí)。是一座跨徑為30 米的空腹式等截面懸鏈線拱橋。主拱圈由混凝土預(yù)制塊砌筑，厚0.75m，寬6m，凈矢高6m，矢跨比f/L=1/5。拱式腹拱孔跨徑為3m。重力式橋臺(tái)，基礎(chǔ)及側(cè)墻采用M7.5 漿砌片石砌筑，橋臺(tái)兩側(cè)設(shè)有錐坡。

5.2 主要病害

主拱圈裂縫。主拱圈中波有大量縱向裂縫，橫橋向中心線位于第 3 拱波頂處各孔中波頂均存在大量縱向裂縫，大都自拱頂開始至 L/4 附近止，裂縫寬度最大約0.4mm；拱肋、拱波連接處存在大量裂縫，水泥砂漿脫落嚴(yán)重，滲水現(xiàn)象明顯。

5.3 主要病害原因分析

裂縫的主要原因是有效預(yù)應(yīng)力不足。在預(yù)應(yīng)力管道的施工過程中，受放線精準(zhǔn)度的影響，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道的部分位置發(fā)生輕微彎折，亦或預(yù)應(yīng)力管道曲率不符合預(yù)期要求等問題，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置出現(xiàn)偏差，使該處混凝土的徑向預(yù)應(yīng)力發(fā)生突變，造成混凝土開裂。

5.4 改造加固方案比選

（1）方案一：根據(jù)初步計(jì)算的結(jié)果采用增大截面法對(duì)主拱圈進(jìn)行加固，即在主拱圈下襯30cm 等厚鋼筋混凝土層以改善主拱圈的受力，如下圖所示。使其荷載等級(jí)提高到公路-Ⅱ級(jí)。鑒于原橋橋面寬度不足，增加到凈7.0m，全寬8.0m 的要求。拆除原橋面系設(shè)置懸臂長(zhǎng)0.85m，重新鋪20cm 厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土行車道板（其他外觀等缺陷修復(fù)內(nèi)容略）。工程造價(jià)約80 萬元。

圖：主拱圈加固圖

（2）方案二：新建2—16m 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。在現(xiàn)有橋下游與路線順接處，修建2—16m 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，并對(duì)橋頭引線進(jìn)行改造。工程造價(jià)約120 萬元。

（3）方案比選：方案一較方案二優(yōu)勢(shì)明顯，節(jié)約工程投資，外觀與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，減少了對(duì)周邊環(huán)境的破壞，且施工工期較短，故選方案一。

5.5 主要施工工序及相關(guān)要求

加固改造時(shí)，先拆除橋面系（卸載）；再加固主拱圈及拱腳基礎(chǔ)；疏通排水系統(tǒng)；現(xiàn)澆行車道板；澆筑鋼筋混凝土橋面鋪裝及防撞護(hù)欄；鋪筑瀝青混凝土鋪裝；安裝標(biāo)志、標(biāo)線安全設(shè)施；所有施工工藝和技術(shù)均應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程要求。

5.6 加固效果及效益

（1）從橋梁自身看：加固完成后，通過靜動(dòng)載試驗(yàn)表明，橋梁的荷載等級(jí)已達(dá)到公路-Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，異常應(yīng)力已消除，其他截面應(yīng)力相比容許值小，各項(xiàng)指標(biāo)均在加固設(shè)計(jì)計(jì)算允許值范圍內(nèi)，加固效果良好，且其他表觀缺陷經(jīng)過修補(bǔ)后，裂縫徹底消除，整座橋梁煥然一新，增加了服役的安全性和可靠性，發(fā)揮了自身應(yīng)有的價(jià)值和功能。

（2）從經(jīng)濟(jì)、民生方面看：該橋加固方案節(jié)約投資40 萬元，與新建橋梁相比節(jié)約投資33%，大大減少了企業(yè)的成本支出；另外該橋?yàn)槠髽I(yè)及群眾生產(chǎn)生活的重要通道，短工期完工且未侵?jǐn)_周邊環(huán)境，為企業(yè)正常生產(chǎn)節(jié)約了寶貴的時(shí)間，也為附近群眾生活帶來了便利。

6 結(jié)語

橋梁加固是工程領(lǐng)域研究的重要課題，也是時(shí)代發(fā)展的必然要求，我們必須著眼全局，充分分析利害得失，采用最科學(xué)的加固技術(shù)方案和工藝，同時(shí)將基礎(chǔ)理論研究與科技進(jìn)步緊密結(jié)合，不斷總結(jié)，推陳出新。此外，針對(duì)橋梁加固相關(guān)參建單位，一定要制定科學(xué)完備的施工方案及措施，確保施工的安全性和可靠性，保證施工質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)對(duì)加固橋梁進(jìn)行后評(píng)價(jià)，建立檔案卡，總結(jié)得失，分析技術(shù)、材料、工藝的利弊性和使用效果，以豐富我國(guó)橋梁加固經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，努力為我國(guó)橋梁事業(yè)的發(fā)展做出新的更大的貢獻(xiàn)。