常用公路橋梁加固技術及其應用探析

葛建勇

摘要：近年來，隨著我國經濟與科技的不斷進步，交通運輸業也取得了長足發展。就上世紀或本世紀初設計修建的一些橋梁而言，其原本設計規范標準偏低，所以難以支撐現今日益增加的交通量和車輛超限超載現象，加之公路橋梁的設計和施工與當時的社會經濟條件、環境問題等密切相關，大部分橋梁出現了不同程度的病害。相對于橋梁拆除重建，加固再提高結構承載力、增強結構整體性、滿足行車平順性的同時，還能達到節省工期，縮減投資、降低能耗和環境的負擔，滿足可持續發展要求。本論述通過分析造成公路橋梁出現病害的原因，總結了公路橋梁常見的病害及相應的加固方法。通過工程實例，說明了針對橋體結構和不同部位病害的處理方法及其達到的效果。本論述的研究，對于橋梁加固工作的施工與方法選擇均具有一定的指導和參考作用。

關鍵詞：橋梁工程;橋梁病害;維修與加固;應用

中圖分類號：U445.7 文獻標志碼：A

0引言

近年來，隨著我國經濟與科技的不斷進步，交通運輸業也取得了長足發展。上世紀或本世紀初設計修建的一些橋梁，原本設計規范標準偏低，難以支撐現今日益增加的交通量和車輛超限超載現象。加之公路橋梁的設計和施工與當時的社會經濟條件、環境問題等密切相關，橋梁在運營過程中，同時受到自然環境與使用環境的影響，如果將出現病害或者承載能力降低的橋梁全部拆除重建，在耗費巨額建設資金的同時，也會因工期和施工期間的交通阻斷給交通運輸系統帶來巨大壓力。因此，若對出現病害的橋梁進行有序、適當的加固和維修，不僅可以在一定程度上提高橋梁的承載能力，也可以減少資金投入，帶來可觀的經濟與社會效益。因此，對橋梁進行加固和維修，具有重要的經濟和社會意義。

橋梁加固的主要目的在于確保橋梁工程的耐久性、安全性、適用性的同時，恢復或在一定程度上提高其原有的承載能力，進而保證橋梁的正常使用性能及運營過程中的行車舒適性與安全性。橋梁加固的基本要求包括：了解并掌握加固橋梁的基本結構狀況和技術資料;在保證加固效果的同時，優先選擇能降低成本的加固方法;加固過程應盡量減少對交通的影響;加固方案的設計應嚴格遵循相關的國家與行業規范;加固過程中，對于已經確定的橋梁病害，應通過加固一次性徹底解決;加固及其過程應盡量降低對原有橋梁結構的損傷;加固技術應成熟可靠，并具備較高的耐久性與適用性，且便于以后的養護。

1橋梁常見病害及維修加固方法

為節約施工建設成本，提高橋梁結構的耐久性與承載能力，保證橋梁在運營過程中的安全性與行車舒適性，須對橋梁工程的病害及常見的加固維修措施進行分析研究，以保證加固方法的實用性和適用性。

1.1公路橋梁常見病害

公路橋梁的病害根據結構位置和橋體結構形式的不同，常見的包括以下幾種。就常見的橋型而言，梁體病害可分為以下幾種：預應力空心板橋上部結構的病害主要有梁底面的縱向裂縫，其分布在空心板連體的底面中央及兩側位置對應的預應力鋼束處，沿預應力筋呈現通長或斷續通長分布。T梁的裂縫主要出現在翼板底面和腹板位置處，分別沿縱向和豎向分布。其中，底面及翼板位置的裂縫呈橫向分布，腹板的裂縫分布在腹板的側面位置，部分裂縫會沿腹板豎向一直延伸到梁的底面及翼緣板位置，豎向裂縫一般出現在翼板與腹板的連接位置及翼板底面的中央位置，順橋向分布。對于連續箱梁而言，裂縫主要出現在翼板底面，呈橫向分布;梁腹板位置處，呈豎向分布;梁底面位置，呈橫向分布，以及腹板側面位置，其裂縫沿預應力束方向的分布。

另外，橋梁的下部結構及其他部位也常出現病害。尤其是橋梁墩臺的基礎位置，在長期使用過程中在土壓力、溫度梯度、浮力、風力、水流作用、重型車輛通行的壓力及沖擊力、自然環境等多重因素的共同作用下，承受的荷載往往較其他位置大得多，加之基礎深埋在地下或水下，病害不像上部結構可以直接觀測得到，在長期作用下會不可避免的影響墩臺的安全使用。此外，鋼筋的銹蝕也經常出現在公路橋梁中。鋼筋的銹蝕一般發生在梁體內部，病害發生之初往往無法第一時間監測發現，直到病害發展到較為嚴重時方可發現，而且鋼筋銹蝕會導致自身體積膨脹，造成鋼筋周圍混凝土的開裂和剝蝕，進而縮小結構的截面有效尺寸，鋼筋的銹蝕會直接造成自身斷面面積減小，也會降低混凝土與鋼筋之間的握裹力，嚴重影響結構自身的承載能力。

1.2公路橋梁常見病害的成因分析

總體而言，公路橋梁病害的成因有以下五種。第一，橋梁的結構設計欠缺合理。部分橋梁在設計過程中，沒有充分考慮環境條件、使用條件、偶然荷載、最大運輸量等方面因素對橋梁正常使用的影響，致使橋梁結構在設計過程中處于不合理的受力狀態，甚至出現受力薄弱點、應力集中等現象，嚴重影響了橋梁結構的承載能力和耐久性;第二，施工設計欠佳，施工質量把控不嚴格。部分施工單位為追求效益，盲目追趕工期，未按照設計要求嚴格組織施工進程，未嚴格控制施工環節與施工質量，施工中的管理和技術人員整體專業素養偏低，進而導致了施工質量不達標等問題;第三，原材料的選取和存放未進行嚴格控制。混凝土骨料和水泥種類與混凝土工程的質量有密切聯系，選材須結合當地的環境條件和施工工藝，對原材料的物理性能和力學性能從源頭上進行管控，盡量減少混凝土澆筑后的徐變、收縮、應力松弛等。此外，水泥與鋼筋等原材料的存放須依照規范和標準分類、分別堆放與加工，避免水泥因受潮而發生凝結，也應避免鋼筋的銹蝕。

此外，混凝土養護和后期運營過程中的管理也對橋梁質量有影響。混凝土澆筑后的養護不到位，致使混凝土結構在澆筑后的凝結硬化階段便出現了干縮微裂縫，對后期混凝土的防裂工作極為不利;運營過程中管理不到位，對于橋梁的日常巡檢與維護重視不夠，加快了橋體病害的發展，且對車輛的超載、超限、超速等問題的忽略，重載車對于公路橋梁的高速沖擊，進一步加劇了結構的病害發展歷程，縮短了結構的使用壽命，對橋梁結構的耐久性影響較大。

1.3公路橋梁常用加固方法

隨著施工技術與整體工藝水平的提升，越來越多的橋梁加固方法被開發出來并應用于實際工程中，常見的有增大截面法、體外預應力法、體系轉換法、粘貼鋼板加固、復合材料加固技術（FRP）、繞絲加固法、SRAP加固方法等。

增大截面加固的方法，又稱外包混凝土加固法，其通過擴大混凝土結構的截面面積并對須要加固的部位配置一定量的鋼筋來達到提高結構自身的承載能力并滿足正常使用性能的加固方法。該方法工藝簡單成熟，有較多相關的成熟經驗可供參考借鑒，經常應用到小跨徑、T梁橋的病害維修及加固中，該方法施工后可有效提高梁體的剛度，缺點是要經過較長時間的濕作業，且加固后會減小橋下凈空。

體外預應力加固是一種改變橋梁結構體系的方法，增設的拉桿增加了梁體的超靜定次數，與梁體一同受力，通過對橋梁施加預加應力來達到抵消超出的那部分恒載作用力，能在很大程度上提高梁自身的剛度、承載力、以及抗裂性，可用于大型結構的加固與梁體裂縫及鋼筋疲勞應力幅的控制等情況。其最顯著的缺點是工藝復雜，對施工人員的整體技術水平要求較高。

體系轉換法是通過增設附加構件或結構改造，進而改變橋梁結構體系來達到減少梁內應力的目的。目前最常用的體系轉換方式有梁橋與梁拱組合體系的轉換、多跨簡支梁轉為連續橋面簡支梁橋、增設輔助墩等。粘貼鋼板加固則通過特制的粘結劑和錨栓，將鋼板牢固地粘貼錨固于混凝土結構的薄弱部位，使粘貼的鋼板與被加固的結構形成一個統一的整體，達到提高混凝土結構自身承載能力，提高橋梁結構耐久性的目的。該方法的缺點是鋼板會隨著使用時間的推移產生一定程度的銹蝕。

復合材料加固中，常用的復合材料包括玻璃纖維、芳倫纖、碳纖維等，其中以碳纖維板和碳纖維布最為常用，由于碳纖維自身具有高強度、高彈性模量的力學特性，因此可以利用該特性對混凝土結構物進行補強與加固。而繞絲加固法，則是通過約束被加固的混凝土來實現對結構的加固和補強，達到改善結構受力狀況，延長使用壽命的目的，常用的方法是在混凝土結構對應的構件外表面纏繞退火鋼絲。SRAP加固方法是近年發展起來的導入預應力概念的新型橋梁梁體加固法，該法通過結合SR增強材料的高強特性與AP樹脂砂漿防腐防水、粘合力強的特點，采用特殊的方法對材料施加預應力，實現橋梁加固。

2工程應用實例

2.1工程概況

該橋為我國南方某地國道上1987年通車的舊橋，全長63.9 m，橋面寬度為1.75 m+12.0 m+1.75 m，橋梁上部結構為1x50 m的剛架拱，橫向拱片共有5片，拱片之間以橫梁、橋面鋪裝及微彎板連接成統一的整體;橋臺形式為u形，樁基礎為常用的鉆孔灌注樁。由于該橋的服役時間相對較長，且修建時間較早，隨著近年來交通量的不斷增加，該橋面的交通壓力也越來越多，車輛的超載、超限、超速現象日益增加，加之使用環境和自然條件的影響，梁體部分構件產生了一定的損傷，須根據具體的監測與監測結果，制定適宜的維修加固方案，對該橋進行加固。

經現場檢測后發現，該橋的主要病害包括：橋面鋪裝有不同程度的磨損、開裂、老化現象，個別部位甚至出現了塌陷、骨料與內部構造鋼筋外露，在橋梁兩端與原有路堤的連接部位發生了不同程度的橫向開裂;主拱圈的軸線產生了不同程度的下撓和變形，造成了拱頂的下沉，影響結構的安全性和美觀性;伸縮縫發生了局部開裂和一定程度的變形，影響行車舒適性和結構的整體性;行車道兩旁的人行道欄桿周圍的混凝土產生了較為嚴重的膨脹和脫落;橋體的橫向連接系普遍出現了混凝土的開裂，個別部位甚至出現了通長縫，且剛架拱的節點與弦桿的連接部位出現了開裂。

2.2橋梁加固

針對橋梁檢測過程中發現的病害情況和橋梁加固的基本原則，對橋體不同部位的病害制定相應的方案進行加固與維修。

對于橋面鋪裝出現的病害，將原有的橋面鋪裝鑿除后更換為新型的聚丙烯纖維鋼筋混凝土鋪裝，并在其中植入豎向的抗剪鋼筋以協同結構承受荷載。為了便于橋面排水，延長橋面鋪裝的使用壽面，在橋面增設1.5%的雙向橫坡。伸縮縫部位，將原來破損的伸縮縫全部更換為毛勒伸縮縫，以提高橋面的平順性和結構的整體性。此外，將人行道的護欄更換為安全系數更高、結構可靠性更好的防撞護欄，并在兩邊的橋頭分別設置8m長的橋頭搭板。

對于承重構件如主拱片節點、弦桿、實腹段、斜撐接點、拱腿接點等部位均進行粘貼鋼板加固，并在鋼板的外層用防銹漆進行防銹處理。粘貼鋼板加固的具體工藝流程為：對應位置混凝土結構的表面處理一埋置粘貼鋼板所用的鉆孔螺桿一對使用的鋼帶現場進行配套打孔并對鋼板粘貼面的表面進行處理一配制粘貼鋼帶所需的結構膠并粘貼一對已粘貼的鋼板進行加壓固定一固化及粘貼效果檢驗一防腐處理。粘貼鋼板的工作應盡可能安排在橋面系拆除后或恒載卸載至最小時進行，以保證鋼板粘貼后能與原有的橋體協同受力，更好地參與橋跨結構受力。

將聯結系的微彎板拆除并以整體現澆橋面代替，同時將橫系梁也進行更換，并用焊接鋼板和植入鋼筋相結合的方法對新更換的橫梁進行預防性加固。此外，出現鋼筋銹蝕、混凝土膨脹、開裂、脫落等病害的部位與構件，采用環氧砂漿、改性砂漿等方法進行加固與修補。此外，考慮到橋梁加固施工期間新加的混凝土在其澆筑期間對橋梁結構的恒載作用，應在此期間盡量減少橋面上的車輛行駛，以減輕其對橋體的沖擊作用及其對新舊混凝土結合的影響。

2.3橋梁加固效果分析

橋梁加固后進行靜載試驗，測定梁體的靜應變、撓度及加載過程中的梁體開裂情況，以確定加固后結構的可靠性、安全性，驗證加固的效果。靜載試驗的結果表明，橋梁上部結構具有較強的抗偏載能力，增強了結構的整體性，加固后的附件構件能與原結構共同受力，且荷載的橫向分布良好，橋梁在汽車荷載作用下的剛度和承載能力基本滿足現有的規范和標準要求。加固后對橋梁進行為期三年的監測發現，三年內加固維修后的橋面板和承重構件并未出現開裂及其他病害，表明加固效果達到了預期的目的。此外，加固后的橋梁能達到二級公路橋梁的荷載標準，與新建橋梁相比，在滿足了運營要求、節省工期、縮減投資的同時，也降低了施工過程中的能耗和環境負擔，滿足可持續發展要求。

3結束語

橋梁加固通過對出現病害或已破損的構件采取適宜的方法進行修補或更換，達到恢復或提高其原有的承載能力并確保橋梁結構的耐久性、安全性、適用性的目的。本論述通過分析得出了造成橋梁工程病害的五方面原因，包括設計、施工、原材料、養護、運營管理等方面的質量管控，并總結了不同形式的橋梁在上部結構、下部結構可能出現的病害，如結構破損、梁體變形、混凝土開裂、鋼筋銹蝕等，進而分析了公路橋梁常用的七種加固方法各自的優缺點，最后通過工程實例，說明了針對橋體結構和不同部位病害的處理方法，工程實際結構的加固效果表明，橋梁加固在提高結構承載力、增強結構整體性、滿足行車平順性的同時，還能達到節省工期，縮減投資、降低能耗和環境負擔，滿足可持續發展要求。