橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計原則及方法分析

陳孟林

（撫州贛東公路設(shè)計院有限公司，江西 撫州 344000）

0 引言

橋梁在長時間運營后因環(huán)境、荷載等因素可能出現(xiàn)質(zhì)量問題，尤其是早些年修建的橋梁，已無法滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。為提升橋梁運營的安全性，且使其滿足當(dāng)前的設(shè)計標(biāo)準，最為合理的辦法是實施橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計，恢復(fù)甚至增強橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和通行能力，盡可能消除橋梁的安全隱患，提高其運營能力，延長使用年限。

1 橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計的原則

橋梁結(jié)構(gòu)加固的主要目的是防止現(xiàn)有的質(zhì)量病害擴展，增強其安全穩(wěn)固性，而且在多數(shù)情況下，在加固的過程中需要滿足保通條件。因而從整體上來看，橋梁結(jié)構(gòu)加固的標(biāo)準相對較高，需要綜合考慮橋梁施工安全與運營，結(jié)構(gòu)加固設(shè)計的難度相對較高。為此，橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計的原則如下：

第一，資料熟悉，實地考察。為使橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方案充分發(fā)揮作用，設(shè)計前需掌握此項工程的原始資料，尤其是橋梁施工設(shè)計圖、施工方案、施工材料等，明確橋梁結(jié)構(gòu)。與此同時，圍繞橋梁現(xiàn)有的質(zhì)量問題、結(jié)構(gòu)缺陷開展實地考察與數(shù)據(jù)采集工作，對比分析橋梁實際與原始資料，以此為基礎(chǔ)開展橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計。

第二，做好橋梁基礎(chǔ)核算，對橋梁的現(xiàn)有缺陷進行分析，掌握其破壞程度，尤其是橋梁結(jié)構(gòu)的承載力的性能，確保設(shè)計方案能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的承載力提升至1.5 倍左右。

第三，盡可能保留原有結(jié)構(gòu)。由于原本的橋梁結(jié)構(gòu)也經(jīng)過精密計算，為避免資源的不必要浪費，設(shè)計人員應(yīng)保留具有價值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，除非在必要情況下才可開展拆除和更換工作。

第四，注重橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計與施工方法的緊密結(jié)合，從而為后續(xù)施工作業(yè)的有序開展奠定良好基礎(chǔ)，增強新老構(gòu)件的連接可靠性，實現(xiàn)設(shè)計方案的預(yù)期加固效果。

第五，控制施工操作難度。橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計應(yīng)盡量控制所選用的技術(shù)的實施難度，根據(jù)橋梁的實際情況開展臨時加固設(shè)計，保證多方安全。

第六，通過開展橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計，使技術(shù)方案囊括所有結(jié)構(gòu)缺陷，并按照橋梁下部—橋梁上部—橋梁附屬設(shè)施的流程加以設(shè)計，最后落實規(guī)范的整體設(shè)計驗證。

需要注意的是，在優(yōu)選橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方案時，要將經(jīng)濟性、環(huán)保性、耐久性等評價原則貫穿始終，將加固施工費用控制在合理范圍內(nèi)，選擇成本適中、橋梁通行運行影響小、耐久性強、環(huán)保節(jié)能的加固設(shè)計，以此滿足橋梁工程多方建設(shè)效益的要求。

2 橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計的方法

2.1 基于下部結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

2.1.1 橋梁基礎(chǔ)擴大技術(shù)

橋梁基礎(chǔ)擴大技術(shù)主要的應(yīng)用場景是橋梁基礎(chǔ)埋置不深、基礎(chǔ)承載力相對較小的工程環(huán)境，尤其是橋梁墩臺由混凝土制成且為剛性實體的情況下。當(dāng)橋梁在長時間的運營下，其基礎(chǔ)出現(xiàn)鮮明的不均勻沉降，或地基土的土壤堅實度較高時，橋梁基礎(chǔ)擴大技術(shù)將取得良好的加固效果。在一般情況下，當(dāng)橋梁基礎(chǔ)底部承載力不足時，可以根據(jù)工程實際情況，通過在基礎(chǔ)下面打樁的方法，遏制地基變形。其中，樁基數(shù)量應(yīng)根據(jù)地基具體變形的程度確定。由于基礎(chǔ)擴大技術(shù)在實施過程中需要開挖原基礎(chǔ)，出于施工安全考慮，以該技術(shù)為核心的橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計還應(yīng)具有支護內(nèi)容，增強原基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)新老基礎(chǔ)的順利結(jié)合，使其成為一個整體共同受力。技術(shù)流程為：基礎(chǔ)定位放樣—基坑開挖—基坑排水—基底處理—砌筑（澆筑）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

其中，在確定橋梁基礎(chǔ)的擴大面積時，需要以地基強度為基準，通過強度驗算科學(xué)設(shè)計擴大面積，以此增強橋梁基礎(chǔ)的承載力，使其滿足橋梁的運營需求和現(xiàn)行標(biāo)準。相較于單一計算，設(shè)計階段可以構(gòu)建安全性評估模型，以此掌握橋梁結(jié)構(gòu)承載力降低情況、橋梁結(jié)構(gòu)剛度降低情況以及橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂程度，進而更為準確地修正、強化橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載能力。具體公式如下：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)承載力降低

式（1）中：

ζ

——橋梁結(jié)構(gòu)抗彎降低系數(shù)；

ζ

——橋梁結(jié)構(gòu)抗剪承載力降低系數(shù)；

M

——橋梁結(jié)構(gòu)損傷前抗彎承載力（kPa）；

M

——橋梁結(jié)構(gòu)損傷后抗彎承載力（kPa）；

V

——橋梁結(jié)構(gòu)損傷前抗剪承載力（kPa）；

V

——橋梁結(jié)構(gòu)損傷后抗剪承載力（kPa）。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)剛度降低

式（2）中：

B

——橋梁結(jié)構(gòu)開裂構(gòu)件等效截面設(shè)計抗彎剛度（N/m）；

B

——橋梁結(jié)構(gòu)開裂構(gòu)件等效截面實際抗彎剛度（N/m）；

ζ

——橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土開裂構(gòu)件等效截面抗彎剛度降低系數(shù)。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂程度（混凝土銹脹開裂）

式（3）中：

W

——橋梁結(jié)構(gòu)混凝土保護層銹脹裂縫寬度（mm）；

W

——橋梁結(jié)構(gòu)混凝土裂縫最大限值寬度（mm）；

ζ

——橋梁結(jié)構(gòu)混凝土銹脹開裂程度系數(shù)。

設(shè)計期間，按照資料逐一計算，掌握橋梁結(jié)構(gòu)原有設(shè)計承載力和實際承載力比值，明確結(jié)構(gòu)截面損失對整體剛度的具體影響，判斷現(xiàn)有裂縫的質(zhì)量問題是否滿足橋梁的正常使用要求。通過計算模型，獲得結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)確定橋梁基礎(chǔ)的擴大面積，增強橋梁的安全性及各項性能指標(biāo)。

2.1.2 樁基增補技術(shù)

當(dāng)現(xiàn)有樁基無法使橋梁基礎(chǔ)承載力達到標(biāo)準時，則落實樁基增補設(shè)計，將原有承臺擴大，通過新舊樁基承臺的高質(zhì)量連接，實現(xiàn)對橋梁荷載的共同分擔(dān)，以此增強地基的承載力。該技術(shù)不涉及抽水筑壩等水下作業(yè)，但需要在現(xiàn)場搭設(shè)打樁架，開鑿橋面，因而需要應(yīng)用于交通運營要求相對較低的橋梁結(jié)構(gòu)加固工程。

2.1.3 高壓旋噴注漿技術(shù)

高壓旋噴注漿技術(shù)利用水泥、化學(xué)材料，以及配有安全閥與自動停機裝置的設(shè)備開展作業(yè)。該加固技術(shù)成本水平相對較低，且具有良好的耐久性，是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中的常用加固技術(shù)。技術(shù)流程為：地質(zhì)鉆孔—放置帶有噴嘴的旋噴注漿管—高壓噴射漿液—攪拌混合土顆粒與漿液—凝聚固結(jié)。設(shè)計時，應(yīng)把握以下要點。

（1）參數(shù)設(shè)計

（a）樁徑。根據(jù)土質(zhì)估算旋噴樁直徑，當(dāng)?shù)鼗恋臉?biāo)準貫入值為0～5（包括5），且為黏性土?xí)r，估算公式為：

式（4）中：D——旋噴樁直徑（m）；

N——標(biāo)準貫入值。

當(dāng)?shù)鼗恋臉?biāo)準貫入值為5～15（包括15），且為砂性土?xí)r，估算公式為：

如果水泥漿液壓力在20MPa 以上，旋噴注漿管噴嘴孔徑在2.5mm 以上時，可以適當(dāng)增大計算所得的結(jié)果，即旋噴樁直徑。

（b）樁長。以加固土層厚度參數(shù)為基準，綜合考慮橋梁周圍地質(zhì)要求，在滿足地基強度、變形控制等要求的前提下，運用以下公式計算樁長：

式（6）中：

L

——樁長（m）；

b——摩擦系數(shù)；

k

——郎肯土壓力系數(shù)；

r

——樁半徑（m）。

（c）樁數(shù)

實施高壓旋噴注漿技術(shù)，加固橋梁結(jié)構(gòu)所需的旋噴樁數(shù)計算公式：

式（7）中：n——樁數(shù)（個）；

F——結(jié)構(gòu)荷載（MPa）；

G——承臺及其上土體自重（kg）；

R——承載力標(biāo)準值（單個樁體）。

若是存在受力不均現(xiàn)象，則要將計算所得結(jié)果增加1.1～1.2 倍。

（2）注漿量計算

水泥漿液是高壓旋噴注漿技術(shù)的常用材料，為保證后續(xù)的施工質(zhì)量，設(shè)計階段運用體積法公式和噴量法公式計算注漿量。注漿量應(yīng)為二者間的最大值。

體積法公式：

式（8）中：Q——注漿量（m）；

D、D——旋噴體、注漿管直徑（m）；

K、K——已施工區(qū)域土的填充率（0.75～0.90）、未施工區(qū)域土的填充率（0.5～0.75）；

h、h——旋噴、未旋噴長度（m）；

β——損失系數(shù)。

噴量法公式：

式（9）中：H——旋噴長度（m）；

V——旋噴提升速度（m/min）；

q——漿液噴量（m/min）。

以該技術(shù)為核心的加固設(shè)計，施工時需要樁中心與鉆桿中心保持對準狀態(tài)，位置偏差在50mm 以下，垂直偏差在1%以下。設(shè)備就位后，在孔身垂直的狀態(tài)下鉆進設(shè)計標(biāo)高。在此期間，鉆頭刃口傾斜度需小于1.5%，完成鉆孔作業(yè)后將高壓管插至設(shè)計深度，之后開展噴射作業(yè)，根據(jù)實際情況靈活調(diào)整提升速度，最后沖洗機具，完成施工。

2.1.4 頂推法

針對橋梁徑向裂縫和環(huán)向裂縫，應(yīng)落實頂推加固技術(shù)設(shè)計，依托于拱橋拱腳水平位移的調(diào)整達到橋梁結(jié)構(gòu)加固的目標(biāo)。該技術(shù)對橋梁運營影響較小，調(diào)整拱體內(nèi)部的作用力，能夠從根本上優(yōu)化拱橋的抗彎剛度，短期內(nèi)即可發(fā)揮良好的加固效果。

2.1.5 混凝土置換的加固技術(shù)

當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件強度不再符合使用要求時，可以采用混凝土置換的加固技術(shù)。在保留原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，置換局部缺陷構(gòu)件，利用性能優(yōu)良的混凝土解決結(jié)構(gòu)問題，在保證結(jié)構(gòu)體積、空間不變的前提下加固橋梁。

2.2 基于上部結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

2.2.1 橋梁面板的加固技術(shù)

將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范鋪設(shè)于橋梁前面板，擴大橋梁前面板的受壓截面，以整體化方法強化原有結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)剛度與承載能力的有效提高。設(shè)計期間，應(yīng)根據(jù)橋梁橋面出現(xiàn)的具體問題，采取相對應(yīng)的加固措施設(shè)計，具體如表1所示：

表1 基于橋梁結(jié)構(gòu)加固的橋面修補措施

除此之外，在確定加固措施過程中，還應(yīng)通過公式（1）、（2）、（3）確定具體參數(shù)，以此保證加固設(shè)計的質(zhì)量與實用性。

2.2.2 主梁的加固技術(shù)

（1）碳纖維粘貼加固

針對銹蝕明顯、配筋率較低的橋梁，可采取碳纖維粘貼加固技術(shù)設(shè)計，利用其施工便利、操作簡單的技術(shù)特性完成梁橋、板橋的抗剪與抗彎加固作業(yè)。但在實際施工期間，需要對黏結(jié)劑、碳纖維片的溫濕度進行控制，在良好的環(huán)境下開工。

（2）錨栓錨固工藝

對于錨固存在缺陷或質(zhì)量損傷的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過局部構(gòu)件更換實現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固。由于該方法適用于強度較低的構(gòu)件處理，因此需要綜合考慮橋梁實際情況，并盡可能避免構(gòu)件更換與拆裝，從而保證橋梁整體的穩(wěn)固性。

（3）體外預(yù)應(yīng)力加固

該技術(shù)方法主要目的是增強橋梁承載力，經(jīng)過上述承載力公式計算后得到實際與計算偏差，然后通過鋼筋形成預(yù)應(yīng)力拉桿帶來的偏心預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)內(nèi)力的合理分布，不僅使用方便，施工期間也不會對橋梁運營造成較大的影響。

2.3 基于結(jié)構(gòu)表層的加固技術(shù)

在長時間運營下，橋梁表層經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、銹蝕等局部病害，針對由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性問題，應(yīng)加強結(jié)構(gòu)表層的加固設(shè)計，目前常用的加固技術(shù)包括水泥砂漿修補、混凝土修補以及黏結(jié)劑修補。此外，需針對具體病害落實加固設(shè)計：針對鋼筋銹蝕，在處理后均勻涂抹環(huán)氧膠液；針對結(jié)構(gòu)裂縫，視實際情況，采用壓力灌漿、封閉加固或表面粘貼修補技術(shù)。

3 結(jié)語

綜上所述，橋梁作為交通體系的重要組成，其穩(wěn)固性直接關(guān)系到人們的出行安全。為了有效加固橋梁結(jié)構(gòu)，提升其后續(xù)的運營質(zhì)量，應(yīng)立足設(shè)計原則針對橋梁下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)表層落實完善的加固設(shè)計，選擇合適的加固措施，明確技術(shù)優(yōu)缺點，以此強化橋梁性能，提高整體的安全穩(wěn)固性。