淺談公路橋梁加固技術(shù)研究

蔡忠祥

摘 要：公路養(yǎng)護(hù)是交通運(yùn)輸行業(yè)的一項(xiàng)重要工作，尤其是橋梁更顯突出，若因管理養(yǎng)護(hù)不到位，將導(dǎo)致交通中斷，甚至引發(fā)安全事故。橋梁主要由鋼筋、混凝土等材料組成。在日常使用過程中，根據(jù)不同環(huán)境因素及使用情況可能會對公路橋梁造成不同程度的損害。其中常見的橋梁病害主要表現(xiàn)為：混凝土風(fēng)化脫落、鋼筋銹蝕、混凝土裂縫等等，導(dǎo)致橋梁承載能力下降，從而影響使用安全，基于此類橋梁病害，在不新建的情況下，必須采取有效的處治措施加以維護(hù)，針對不同的病害采取有效的加固措施。本文就橋梁部分常見的病害類型進(jìn)行分析;同時(shí)，以加固完成的大己保橋通過荷載試驗(yàn)檢測情況為例提供參考。對提升公路承載力提出點(diǎn)滴意見，為后期同類型施工提供理論參考。

關(guān)鍵詞：公路施工;橋梁加固;加固技術(shù)

0 前言

公路作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，保證其安全、暢通是關(guān)鍵。早期修建的公路隨著時(shí)間的推移，在行車荷載作用及自然因素影響下，不同程度存在很多病害。產(chǎn)生病害原因包括：早期修建的公路大多因建設(shè)資金的投入、修建的等級、設(shè)計(jì)的深度、施工能力等不同程度存在先天的不足;在后期運(yùn)營過程行車荷載的作用，地質(zhì)、氣候的影響;加之近年大型超限超載車輛的運(yùn)輸也給公路承載能力造成了一定的影響等且產(chǎn)生大量病害。若過程管護(hù)跟不上，將對使用者的人身安全造成極大威脅。所以要切實(shí)提高建設(shè)與養(yǎng)護(hù)并重的認(rèn)識，在建項(xiàng)目投入使用后出現(xiàn)病害時(shí)須及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，通過科學(xué)的技術(shù)方法提高公路使用效率。

1 橋梁常見病害類型及加固方式

1.1 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是橋梁修建過程中出現(xiàn)頻率最大的病害類型，引發(fā)此類病害的誘因較多，主要是由混凝土強(qiáng)度和密實(shí)性未達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)，另外鋼筋材料在使用過程中如若暴露在空氣中容易出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象，所以需要對其設(shè)置保護(hù)層，保護(hù)層厚度的數(shù)值需要根據(jù)不同的施工條件進(jìn)行差異化選擇。鋼筋銹蝕會給橋梁建造引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，裸露引發(fā)的鋼筋銹蝕極大程度上降低了橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，橋體受力不均將會造成混凝土的裂縫，影響投入使用效率（如圖1）。類似病害，清理露筋區(qū)域，對鋼筋除銹，用聚合物水泥砂漿修復(fù)。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土裂縫

常規(guī)靜、動荷載超標(biāo)會使橋梁混凝土產(chǎn)生裂縫，我們常稱為荷載裂縫（如圖2）;另外由于混凝土的熱脹冷縮特性，在內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，混凝土?xí)軠囟扔绊懽冃危礈囟攘芽p，溫度裂縫受溫度影響較大，會隨著溫度變化隨之發(fā)生改變（如圖3）;混凝土收縮發(fā)生變形導(dǎo)致的裂縫稱為收縮裂縫，與使用原材料的質(zhì)量有關(guān)，包括差異化水灰比、骨料品種等，同時(shí)不恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)技術(shù)及振搗澆筑技術(shù)也會導(dǎo)致橋梁混凝土出現(xiàn)裂縫。預(yù)應(yīng)力混凝土T梁裂縫，成因多樣，可能是一種或多種原因疊加形成。其一是由混凝土配比缺陷導(dǎo)致的，當(dāng)混凝土中水泥用量過大時(shí)會導(dǎo)致水化熱偏大，引起混凝土裂縫，其次在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)需要選擇適宜的氣候因素，如若在早晚溫差較大的季節(jié)進(jìn)行施工將會直接導(dǎo)致溫度裂縫（如圖4）。類似病害，結(jié)合完成的橋梁加固案例，加固上采取碳纖維布加固法，此方法操作簡單，施工材料質(zhì)量較小，施工簡單，可有效防止混凝土裂縫的擴(kuò)張。

預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁腹板“U”形裂縫。導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁腹板產(chǎn)生豎向裂縫，可能的原因有：①受工期和材料供應(yīng)條件的限制，采用安息期過短的散裝水泥，導(dǎo)致混凝土水化熱過高，產(chǎn)生拉應(yīng)力;②T形梁早期養(yǎng)護(hù)過程中，預(yù)制場地環(huán)境溫度與混凝土發(fā)生水化熱的內(nèi)部溫度引起較大溫差，由于保溫、保濕措施不到位，濕養(yǎng)護(hù)期過短，產(chǎn)生拉應(yīng)力;③預(yù)制臺座脫模劑質(zhì)量缺陷或脫模劑涂刷后與T形梁混凝土澆筑的時(shí)間間隔過長，拆模后導(dǎo)致T形梁馬蹄底部與臺座接觸面摩阻力增大，早期預(yù)制梁的自由伸長受到約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力;④采用鋼模板，模板在室外暴曬，安裝后即刻澆筑混凝土，夜間溫度驟降，導(dǎo)致溫差過大，產(chǎn)生拉應(yīng)力;⑤T形梁堆放和安裝后，臺座上的多點(diǎn)支承變?yōu)?點(diǎn)支承，邊界條件發(fā)生了變化，原來隱性的、肉眼觀察不到的微裂縫逐漸顯現(xiàn)出來，甚至個(gè)別梁片由于預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)混凝土齡期過短，導(dǎo)致混凝土收縮析變引起的預(yù)應(yīng)力損失值比設(shè)計(jì)計(jì)算的理論值大，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束永存應(yīng)力降低，腹板設(shè)計(jì)壓應(yīng)力儲備下降，投入使用后在車輛荷載反復(fù)沖擊作用下，原有的腹板豎向裂縫寬度出現(xiàn)增大的趨勢。針對此類似病害，可采用包括體外預(yù)應(yīng)力加固法和改變結(jié)構(gòu)體系加固法之類的主動加固方法，可以抑制裂縫病害的擴(kuò)展抑制裂縫擴(kuò)展，提高構(gòu)件的耐久性，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的T梁（如圖5）。

1.3 橋梁支座

橋梁支座一方面可將橋梁載荷傳遞到橋墩上，另一方面為梁體結(jié)構(gòu)提供所需變形空間。支座在正常使用情況下容易產(chǎn)生剪切變形、豎向壓縮變形、轉(zhuǎn)角變形等多種現(xiàn)象。支座剪切變形由橋梁產(chǎn)生的水平力引起，按照施工規(guī)定支座的剪切角要小于35度，當(dāng)支座發(fā)生剪切變形后降低荷載能力，影響橋梁穩(wěn)定性。除此之外支座的脫空現(xiàn)象也對橋梁使用安全造成一定影響，主要原因包括梁體撓曲、支座墊石操作不當(dāng)、梁體吊運(yùn)應(yīng)力分布不均、梁體安裝技術(shù)缺陷等。在進(jìn)行支座墊石過程中要嚴(yán)格把控施工技術(shù)，按照相應(yīng)施工規(guī)定進(jìn)行支座墊石高度選擇。當(dāng)發(fā)生橋梁支座脫空現(xiàn)象后，應(yīng)力無法向橋臺、墩傳輸，導(dǎo)致梁體直接受力，長期以往損壞梁體，進(jìn)而影響橋梁使用效率，縮短橋梁使用壽命。支座脫空或變形都會造成橋梁不穩(wěn)，在車輛長期橫向縱向產(chǎn)生應(yīng)力的影響下將會對橋面造成一定損害，加大了養(yǎng)護(hù)難度，增加養(yǎng)護(hù)成本。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋加固后效果評價(jià)

以大己保橋?yàn)槔捍蠹罕驗(yàn)榭鐪象涠O(shè)，位于直線上，上部結(jié)構(gòu)為裝配式結(jié)構(gòu)連續(xù)T形梁（7×20 m），翼板預(yù)制寬度1.60 m，梁間距2.30 m，翼板濕接頭寬度0.70 m，下緣馬蹄寬度0.48 m，腹板寬度自跨中漸變至梁端0.2 m～0.48 m。下部結(jié)構(gòu)橋墩為鋼筋混凝土圓形雙柱式墩，樁基礎(chǔ);橋臺為埋置式輕型橋臺，樁基礎(chǔ)。支座為橡膠板式支座。橋面采用瀝青混凝土和混凝土復(fù)合式鋪裝。主要病害：大量T形梁腹板產(chǎn)生豎向（豎斜向）裂縫;個(gè)別臺帽受橋面滲漏水污染，局部位置混凝土結(jié)構(gòu)有碳化腐蝕現(xiàn)象;樁基礎(chǔ)局部被沖刷外露情況;橋臺臺后路基有橫向裂縫等。結(jié)合病害進(jìn)行分析，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板對裂縫進(jìn)行加固及對其他病害進(jìn)行修復(fù)，并通過荷載試驗(yàn)進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證加固效果：

2.1 動靜載荷試驗(yàn)及測點(diǎn)布置

以大己保橋?yàn)槔o載荷試驗(yàn)測試內(nèi)容包括測試截面處的應(yīng)力及截面跨中撓度，測點(diǎn)布置將應(yīng)力測試與撓度測試分開設(shè)置。應(yīng)力測點(diǎn)于截面每片T梁各布置3個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，共計(jì)60個(gè)，采用靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行測試;撓度測點(diǎn)共設(shè)置12個(gè)，采用數(shù)顯百分表進(jìn)行測試。動載荷試驗(yàn)包括動力相應(yīng)試驗(yàn)及動力特性試驗(yàn)。大己保橋選用1輛加載車，以5 km/h、10 km/h、20 km/h、40 km/h幾種不同速度在試驗(yàn)橋跨正常行駛，測試動態(tài)應(yīng)變，用于計(jì)算試驗(yàn)沖擊系數(shù)，動應(yīng)力測試共設(shè)5個(gè)變測點(diǎn)，采用動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行檢測（如圖6）。動力特性試驗(yàn)采用環(huán)境隨機(jī)激振法，在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過測定橋梁由風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)激勵(lì)引起的微幅振動來識別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)荷載布置

對于橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算通常使用橋梁工程軟件MIDAS Civil進(jìn)行計(jì)算分析，在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，本次靜力試驗(yàn)荷載采用載重汽車（重350 kN）充當(dāng)，就某一檢驗(yàn)項(xiàng)目而言，所需車載重量，根據(jù)設(shè)計(jì)控制荷載產(chǎn)生的檢驗(yàn)項(xiàng)目（內(nèi)力和位移等）的最不利效應(yīng)值，以滿足下式所定原則等效換算而得：

式中：為靜力試驗(yàn)荷載效率;

Sstate為試驗(yàn)荷載作用下某一檢驗(yàn)項(xiàng)目最大計(jì)算效應(yīng)值;

S為設(shè)計(jì)控制荷載作用下該檢驗(yàn)項(xiàng)目的最不利計(jì)算效應(yīng)值;

為規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

在橋梁出現(xiàn)橋梁病害后進(jìn)行加固前結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，通過選取適當(dāng)?shù)募庸碳夹g(shù)方式解決橋梁問題后采取加固后結(jié)構(gòu)計(jì)算分析并進(jìn)一步進(jìn)行荷載試驗(yàn)，計(jì)算模型如下圖（圖7）。

2.3 荷載試驗(yàn)分級及加載方式

為了獲得結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載與變位關(guān)系的連續(xù)曲線和防止結(jié)構(gòu)意外損壞，試驗(yàn)荷載至少分為3～4級，逐級施加，直到最大值。在本項(xiàng)目中，對滿載為4輛車的加載截面，1級為加載1輛加載車，2級為加載2輛加載車，3級為加載3輛加載車，以此類推。每級加載后全部卸完該級荷載（如圖8）。

每次加載或卸載的時(shí)間取決于結(jié)構(gòu)變位達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所需的時(shí)間，要求相鄰兩個(gè)荷載階段不能同時(shí)進(jìn)行，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)每間隔5分鐘讀取一次，確定結(jié)構(gòu)變位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)在結(jié)構(gòu)變位最大的測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

3 加固實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及評價(jià)

3.1 動力特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)表明自振頻率與結(jié)構(gòu)剛度有著明確的關(guān)系，當(dāng)實(shí)測頻率大于計(jì)算頻率時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，反之則實(shí)際剛度偏小。比較自振頻率、振型及阻尼比的實(shí)測值與計(jì)算數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，可根據(jù)其變化規(guī)律初步判斷橋梁技術(shù)狀況是否發(fā)生變化。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)存在或出現(xiàn)缺損時(shí)，一般會造成振型的變異，變異區(qū)段即為缺損所在區(qū)段。阻尼比參數(shù)可與歷史數(shù)據(jù)對比或同類橋梁歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，如阻尼比明顯偏大，則證明橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況可能存在缺損或出現(xiàn)劣化。

3.2 荷載實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)測試結(jié)果整合分析墩頂負(fù)彎矩截面T梁梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.46～0.86之間，在評定規(guī)程建議的范圍之內(nèi);跨中截面T梁梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.36～1.85之間，局部應(yīng)力超出理論計(jì)算值;翼板下部測點(diǎn)測值無規(guī)律。各測點(diǎn)均不存在超出規(guī)范限值的相對殘余應(yīng)力，這一現(xiàn)象表明所檢測橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于彈性工作狀態(tài)。

3.3 加固結(jié)果總體評價(jià)

通過多種方式的橋梁加固工藝對橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后，很大程度上實(shí)現(xiàn)破損位置的修復(fù)及緩解，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板對T形梁維修加固后，大已保橋的強(qiáng)度和剛度均得到較為明顯的改善，所檢橋跨現(xiàn)階段總體工作狀態(tài)滿足現(xiàn)行公路設(shè)計(jì)荷載等級要求，加固達(dá)到效果。

4 闡述建設(shè)與養(yǎng)護(hù)并重的趨勢的必要性和重要性

為了解決我國部分地區(qū)交通擁堵現(xiàn)象，國家大力支持公路橋梁建設(shè)事業(yè)的開展。建筑質(zhì)量是建筑企業(yè)的生之根本，但由于公路橋梁的使用特性，經(jīng)長時(shí)間風(fēng)吹日曬及車輛不均勻壓力會導(dǎo)致建筑本體發(fā)生破損，如不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)將極大程度影響交通安全。要想使公路橋梁建筑發(fā)揮其最大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，需進(jìn)行建設(shè)養(yǎng)護(hù)兩手抓，在保證建設(shè)質(zhì)量的同時(shí)也要對公路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)對破損路面進(jìn)行修復(fù)，破損程度較大的路面嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)行駛車輛事故，造成惡劣后果。公路養(yǎng)護(hù)集公路修復(fù)與預(yù)防作用為一體，對出現(xiàn)的待修復(fù)路段進(jìn)行針對性重整，對正常使用路面定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，有利于延長公路使用壽命。所以建設(shè)與養(yǎng)護(hù)并重是公路橋梁工程的主要發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

綜上所述，公路橋梁在投入使用過程中會由于各種因素導(dǎo)致其發(fā)生破損，對此需要施工團(tuán)隊(duì)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作，將公路病害帶來的危害降至最低，提升道路安全。

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