橋梁結構加固設計安全性探討

李文江

中鐵大橋勘測設計院集團有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430074

1 橋梁結構加固設計的原則和常用方法

1.1 加固設計原則

為了取得理想的橋梁加固改造效果，實現工程預期建設目標，在制訂橋梁結構加固設計方案時，設計人員應遵循以下原則：第一，實際出發原則?？紤]到不同橋梁工程的使用年限、結構類型、周邊環境特征、結構老化磨損程度、交通運輸需求具有明顯差異，照搬相關設計規范或同類工程加固方案，將無法保證設計方案的可行性與實際加固效果。因此，應做好前期調查工作，如全面性檢測橋梁結構使用情況與各項性能，綜合評估橋梁結構安全性，從必要性與可行性兩方面對橋梁加固需求進行綜合分析，結合工程情況，選擇合理的加固技術。第二，全面性加固。唯有對橋梁結構的承載能力、耐久性、抗震性能和使用功能四個方面進行全面加固，以保證橋梁結構的使用安全，取得預期的加固效果，僅從單一方面對橋梁結構進行加固設計，可能無法保證加固后橋梁的安全運營。第三，保存原狀。在不改變原有橋梁結構尺寸的前提下，優先采取粘貼加固法和增大截面法的橋梁結構加固技術，從而達到加固效果。如果大幅度改變橋梁結構尺寸，那么相應的工程費用也將提高，實際投入的加固成本將超過橋梁結構的剩余利用價值。

1.2 常用加固方法

近年來，隨著施工技術體系的優化完善以及施工水平的不斷提高，出現了多種橋梁結構加固方法，各類加固方法的適用范圍與效果存在明顯差異，應結合工程實際情況慎重選擇。常見的橋梁結構加固方法如下。

（1）增大截面法（見圖1）。采取植筋方式，在橋梁主拱圈下方等部位增加拱肋等構件，經由橫梁將拱肋進行橫向連接，通過增加拱肋的受壓截面與有效高度，達到強化主梁強度和提升剛度的加固效果。該方法適用于加固構件強度與剛度不足的橋梁工程，可以取得顯著的加固效果，但是會增加結構的整體重量。

圖1 增大截面加固現場圖

（2）體外預應力法（見圖2）。該方法在橋梁結構外側布置預應力筋，通過錨固塊和轉向塊等構件與既有橋梁結構進行連接，然后施加一定的預應力，達到預壓效果，從而改變結構的內力分布狀態，進而影響梁體的應力分布。與其他加固方法相比，體外預應力法具有不明顯改變橋梁結構自重、加固期間不影響橋梁通車運營、預應力處理隨意性強、橋下凈空值基本不變等優勢，被用于廣東韶關錦江大橋、何圩橋、大洋橋等項目中。

圖2 體外預應力加固現場圖

（3）粘貼加固法（見圖3）。清理橋梁結構表面附著的灰塵污漬，對缺陷破損部位進行修復處理，然后在構件表面均勻涂刷環氧樹脂等黏合劑、粘貼鋼板、碳纖維布等材料，使其與橋梁結構受拉側進行聯結，達到提高橋梁結構承載性能、抗拉強度和耐久性的作用。結合實際施工情況來看，在不破壞原有結構的優勢前提下，粘貼加固法工期短、造價底，工藝流程簡單，但具有一點的局限性，對橋梁結構的限高限寬有著嚴格要求，同時對施工隊伍的技術要求較高。

圖3 粘貼加固現場圖

（4）噴錨混凝土加固法（見圖4）。該方法在橋梁結構補強部位中植入錨筋與安裝鋼筋網，在鋼筋網表面均勻噴涂混凝土漿料，混凝土層、鋼筋網與原有橋梁結構形成整體性結構，共同承擔外部荷載。同時，可選擇使用新型鋼纖維混凝土材料代替一般混凝土，可以進一步改善橋梁結構的抗變形能力，其中鋼纖維材料可以吸收一部分的變形力。

圖4 噴錨混凝土加固現場圖

2 橋梁結構計算

2.1 上部結構計算

在橋梁上部結構計算環節，將施工圖與現場實地考察報告作為主要依據，全面掌握相關工程信息，如橋梁凈跨徑、標準跨徑、橋梁總長、橋下凈空高度、橋面縱坡、橋頭引道縱坡值等，將各項數據導入特定計算公式，從而驗算橋梁結構的承載能力極限狀態，如跨中部位的最大彎矩值、支點部位的最大剪力、支反力位置的豎向最大值等。然后，將上部結構驗算結果與工程建設標準與相關設計規范進行對比分析，判斷橋梁結構中各部位的實際強度與抗剪截面是否滿足規范要求。將對比結果作為橋梁結構加固設計方案的主要依據，采取適當的加固措施。

2.2 結構極限狀態計算

在橋梁結構極限狀態計算環節，結合橋梁工程使用情況，選擇一個工作狀態下的閾值，設定橋梁結構的基本隨機變量，將隨機變量導入極限狀態方程式進行計算，如果計算結果大于零，則表明橋梁結構處于安全可靠狀態；如果計算結果等于零，表明橋梁結構處于極限狀態；如果計算結果小于零，表明橋梁結構處于不安全與不耐用的失效狀態。例如，使用X1，X2，…，Xn表示橋梁結構的基本隨機變量，導入極限狀態方程式Z=g（X1,X2,…,Xn），描述橋梁結構的工作狀態。

2.3 箱梁斜面抗裂力

在橋梁箱梁斜面抗裂力計算環節，導入公式

計算橋梁構件的斜截面抗裂力限值，再將計算結果與相關斜截面設計要求進行對比分析，具體規范限值計算公式為

以此為基礎，確定短期條件下的構件截面邊緣應力。同時，設計人員需開展抗壓容力計算，根據計算結果確定橋梁預拉區內的縱向配筋率要求。

2.4 設計抗傾覆系數

在橋梁抗傾覆系數計算環節：（1）嚴格遵循《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）中的驗算方法進行計算，正確掌握橋梁傾覆過程中的明確特征狀態，一是箱梁抗扭支承是否全部失效，二是箱梁的單向受壓支座是否開始脫離受壓。（2）在確定橋梁具備以上特征狀態后，對橋梁支座布置情況與墩柱支座中心連線情況，進行核驗分析，確定橋梁結構中最易出現傾覆問題的部位，如旋轉軸部位。（3）在橋梁結構加固方案中，采取相應措施，改善特定墩柱的支座受力控制情況，做好墩柱間的支座中心連線作業，在保留旋轉軸支座的同時，解決橋梁傾覆問題，如消除圓弧內外兩側扭矩的差異，以此預防傾覆問題出現。（4）設計人員通過約束計算，獲取傾覆結構具體情況，驗算得出抗傾覆力矩與抗傾覆穩定系數，將其作為制訂橋梁結構加固方案與選擇加固方法的主要依據。

3 橋梁結構加固方案的安全評估

3.1 橋梁結構安全性評估

在橋梁結構加固設計準備階段，為了明確結構加固設計思路，需要對橋梁原有結構的使用狀態與安全性能進行綜合性評估，將評估結果作為橋梁加固改造的主要依據，具體分析相關方法。

（1）外觀調查法。遵循《公路橋涵養護規范》（JTGH11—2004）與《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）等規范，采取分層綜合評定與外觀檢查方法，對橋梁整體結構、各部件與具體構件的技術狀況，進行全面調查和綜合評比，將橋梁結構分為1類～5類，共5個等級，1類橋梁處于全新狀態，各項使用功能完好，而5類橋梁的構件嚴重老化磨損，危及結構安全。與其他安全性評估方法，外觀調查法的評估速度較快，可以在較短時間內判斷橋梁結構的大體使用狀況，但是無法準確識別細小損傷，且檢測結果無法真實反映橋梁結構的承載性能。

（2）理論分析計算法。技術人員使用有限元軟件，構建橋梁模型，導入橋梁結構計算結果，通過相應工程式，計算橋梁的極限承載性能、截面折減系數、承載能力檢算系數。其中，橋梁承載能力檢算系數的計算公式為

式中：D為橋梁檢算系數評定標度；αj為檢測指標權重；Dj為橋梁結構某項檢測指標的評定標度。

（3）荷載試驗法。荷載試驗法分為靜載試驗與動載試驗。其中，靜載試驗是將橋梁設計數據為基礎，基于試驗結果來構建橋梁有限元模型，通過模型來計算橋跨結構內力和關鍵截面，觀測施加靜態負載后的橋梁應力、應變力與撓度，從而反映橋梁結構的實際承載力。動載試驗是使橋梁處于振動狀態，持續觀測振動期間的橋梁行車沖擊系數、阻尼比、動撓度等指標，以此為基礎，評價接近自然應力狀態下的橋梁承載性能與結構受力情況。

3.2 加固方案論證

為了驗證橋梁結構加固方案的可行性，準確判斷加固后橋梁結構的技術狀況與安全系數，需要對橋梁結構加固初步設計方案進行安全論證。例如，設計人員構建驗算模型，在模型中的橋梁跨中部位增設一處支點，由該支點承擔部分的橋梁結構活載重量，觀察增設支點后的結構最大彎矩、最大剪力、活載產生負彎矩情況，并檢查跨中與支點部位的強度和截面是否滿足設計規范要求與橋梁使用需求。最后，根據論證結果，對加固方案進行優化調整，如采取頂升措施，在跨中部位設定一定的向上位移量，以此改善中支點的反力分配情況。

3.3 橋梁加固對構件的影響

根據實際施工情況來看，在部分橋梁加固改造工程中，受到所采取加固方法與工藝技術的限制，對橋梁原有結構狀態造成影響，致使部分橋梁構件的使用功能發揮受阻。因此，設計人員還應對橋梁加固方案的原有構件使用功能與技術狀態造成的影響進行分析。通過采取相應設計措施，消除加固設計對構件造成的不利影響。例如，在某橋梁加固工程中，選擇在橋梁跨中部位增設一處支點，將支點設定1.0cm的向上位移量，同步觀察梁端支點反力和原設計荷載作用下支反力情況，判斷加固設計方案是否對橋臺墩身、基礎結構、蓋梁等部位起到有利影響。加固改造后的橋梁結構完全滿足安全通行要求與工程建設標準。

4 橋梁結構加固的安全性設計要點

4.1 橋梁結構病害成因分析及處理

在多數橋梁工程使用期間，受到上部行車荷載、外部環境與自身結構老化等多方面因素影響，不但橋梁結構的強度、承載性能和耐久性會出現明顯下滑，還將出現拱腳位移、基礎沉降、墩臺開裂等質量通病。如果沒有妥善解決這類質量通病，而是直接采取碳纖維粘貼、增大截面等加固方法，將無法為橋梁結構的通車運營安全提供有力保障，影響橋梁結構的實際加固效果。

因此，在橋梁結構加固設計階段，出于安全角度著想，需要做好前期調查工作，結合橋梁結構技術狀況，重點對病害問題做好防治處理工作。例如，橋梁結構中存在橋面坑槽、開裂、破損質量通病，這類通病產生主要原因：橋面持續受到車輛荷載、溫度變化與雨水侵蝕的影響，使行車道形成坑槽與裂縫，增加了車輛的沖擊力。對此，在橋梁加固設計方案中，需要根據裂縫寬深度與坑槽面積，采取表面封閉法與內部修補法，清除坑槽與裂縫內部的松散混凝土和雜物，向其中高壓灌注水泥砂漿，達到關閉裂縫、改善橋面防水耐久性能的目的。應用表面處理法，清理裂縫與坑槽表面的松散混凝土，均勻涂抹環氧樹脂等材料，再粘貼碳纖維布即可。

此外，在出現橋頭跳車質量通病時，應分析具體的問題成因，如形成伸縮縫引起的接頭沉降、產生過大剛度差引起的沉降跳車、臺背填土壓縮、天然地基土沉降。然后，在橋梁結構加固方案中，采取相對應的處理措施，如應用深層攪拌加固法，使用深層攪拌機，持續向軟弱黏性土地基中噴出水泥漿等固結劑，通過物理化學反應，提高地基結構的強度和承載力，并且改善其水穩定性。

4.2 采取臨時加固措施

為了滿足橋梁工程的實際使用需求，保障安全運營，在橋梁超限運輸大型變壓器與通行大件車輛等特殊情況下，在橋梁結構加固方案中采取臨時性的加固措施，通過所設置的支撐構件，分散橋梁結構的部分荷載，臨時性強化橋梁結構的承載性能。常見的橋梁臨時性加固方法包括跨越卸載法和豎向支撐法。其中，跨越卸載法是在橋面上鋪設跨越全橋的木梁或是鋼梁，對加固梁兩端鋪設連接跳板進行順坡處理，使上部車輛荷載由加固梁承擔。在制訂跨越卸載加固方案時，設計人員應重點考慮鋼梁自重荷載、梁跨中撓度與兩端支撐高度的關系、橋梁下部結構極限承載力等因素。豎向支撐法是將上部結構簡支梁調整為多點彈性支撐連續梁，通過設置中間支撐點與支撐件，改善上部結構控制截面與基礎結構的受力狀態。在采取臨時加固措施時，應嚴格控制臨時支點間距，如果支點間距過大，將對橋梁結構體系轉換情況造成不利影響。

4.3 加固前后橋梁結構有限元分析計算

為了全面、直觀地反映橋梁結構加固效果，設計人員應采取有限元分析法，在設計信息與工程資料基礎上構建仿真模型，對加固前后的橋梁結構承載能力極限狀態，進行對比分析，主要指標包括原有橋梁結構與全新結構的彈性模量、彎曲抗拉極限強度、抗拉極限強度、容重、強度等級、直接抗剪極限強度等。根據承載能力極限狀態驗算結果，判斷橋梁結構中的拱腳等部位的最大、最小軸力和彎矩的受力性質，以及加固后的極限狀態是否滿足設計規范要求。

5 結束語

綜上所述，橋梁加固改造作為一項系統性工程，需要全面開展數據驗算與安全性評估工作，以制訂切實可行的結構加固方案，保證橋梁安全通行。在這一工程背景下，設計人員應正確認識到橋梁結構加固安全設計意義，根據橋梁結構計算結果，確定加固設計思路，選擇合理的加固方法與設計措施。