舊橋檢測與加固技術研究

覃宇鵬

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東廣州 510520）

0 引言

從1980 年開始，我國加大了在基礎建設上的投入，各式各樣的道路橋梁的建成給我國經濟發展提供了巨大動力，充實的交通基礎建設也為人民的生活帶來便利。我國橋梁建造技術發展迅猛，以港珠澳大橋等各式大跨度橋梁建成彰顯我國在基礎建設上的輝煌成績。橋梁是現階段我國交通運輸的重要部分，在生活中隨處可見，皆是交通運輸重點區域的樞紐，和周邊的居民生活以及地域經濟發展緊密相聯。然而運營的時間增長以及早期建設技術和經濟條件的不成熟，讓現階段的舊橋不能夠符合使用要求；，面對日益增長的交通流量和自然環境的侵蝕等外部不良影響，舊橋結構老化以及病害加劇，讓舊橋的使用性能越來越低，存在安全上的隱患。目前部分在運營的市政橋梁已出現異響、開裂等病害問題，這也是市政舊橋承載能力下降，部分已在超負荷不良狀態下使用，潛在的安全隱患引起居民的擔憂。大部分市政舊橋均處于交通運輸重要區域，若直接拆除該類不符合承載能力使用要求的市政舊橋，不僅拆除重建的工作困難、程序復雜、時間長耗費高，同時會對該區域造成巨大的經濟損失和周邊居民生活困擾[1]。舊橋加固修復是未來重要方向，如何快速有效地修復橋梁病害，提高舊橋的承載能力，滿足交通運輸的使用要求，對我國以后基礎建設發展極為關鍵，有著可觀的發展前景。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

本次加固修復的橋梁位于廣州增城區中心區域，跨徑總長為37.7m，橋面總寬為60.8m。橋梁跨徑組合為2×10.15m+2×8.7m，橋面橫向布置為0.40m（護欄）+6.6m（人行道）+19.0m（左行車道）+4.7m（中央分隔帶）+15.1m（右行車道）+7.7m（人行道）+0.40m（護欄）。橋面鋪裝為瀝青混凝土。

1#～2#跨左右幅加寬橋上部結構為普通鋼筋混凝土T 梁，1#～2#跨中幅橋為石砌拱橋，3#～4#跨為鋼筋混凝土連續箱涵。1#～2#跨左右幅加寬橋下部結構采用鋼筋混凝土樁柱式墩臺，1#～2#跨中幅橋下部結構采用重力式石砌墩臺，3#～4#跨鋼筋混凝土薄壁式墩臺。T 梁橋部分采用板式橡膠支座，基礎形式不詳。其中該橋的設計荷載為汽車-20 級、掛-100，人群荷載為3.5kN/m2。

1.2 橋梁病害調查

經調查發現，該舊橋存在以下病害。

（1）橋面系病害。橋面系主要病害是橋面鋪裝的縱裂、橫裂、網裂以及坑槽；全橋伸縮縫普遍泥沙堵塞。其中左幅第4 跨橋面鋪裝層橫向裂縫，L=5.00m，δ=1.00mm。該舊橋橋面系結構狀況評估等級為D。

（2）上部結構病害。上部結構的主要病害有拱橋拱上側墻砌石多處局部掏空，第2 跨拱橋拱上側墻砌體變形；箱梁頂板出現多條橫向超限裂縫。第2 跨拱橋拱上側墻砌體嚴重變形，L=1.60m，δ=5.00cm。第3 跨頂板跨中橫向裂縫，L=3.50m，δ=0.20mm。該舊橋橋面系結構狀況評估等級為D。

（3）下部結構病害。下部結構主要病害有墩身多處蜂窩麻面，3#墩大樁號面存在豎向貫通裂縫，3#墩大樁號面豎向貫通裂縫，δ=0.30mm。該舊橋橋面系結構狀況評估等級為B。

1.3 病害分析

該舊橋技術狀況評估等級綜合評估為D 級不合格狀態（檢測評估后進行局部中修、大修或加固工程）。

1.3.1 橋面系病害

（1）各墩頂橋面橫向裂縫可能是橋面鋪裝層承受負彎矩的作用受拉開裂，跨中處橫向裂縫可能是由于溫度應力導致，除此之外，還有瀝青橋面鋪裝發生的疲勞裂縫。

（2）橋面縱向裂縫主要是該橋新舊橋連接處的不均勻沉降，造成橋面縱向裂縫。

（3）橋面鋪裝網裂，坑槽主要是早期裂縫經表層水滲透、沖刷、唧漿，從而產生的以縫為中心的下陷形變，同時產生新的裂縫甚至碎裂破壞形成坑槽，發展網狀裂縫[2]。

1.3.2 上部結構病害

根據檢測報告，頂板橫向裂縫主要集中跨中區域，多條橫向超限裂縫開裂，結合計算分析可知，原結構的承載力安全富余儲備不高，而且存在車輛載重已超過橋梁的設計荷載的情況，因此在活載加載過程中，頂板跨中區域正應力過大，致使頂板出現橫向裂縫[3]。拱上側墻裂縫由混凝土收縮引起，在長期受水汽侵入影響以及車輛荷載的作用下致使混凝土脫落，形成掏空。頂板龜裂由混凝土收縮引起。

1.3.3 下部結構病害

一般墩身豎向裂縫分布規律不明顯，裂縫寬度均較小，分析為非受力裂縫，主要由混凝土收縮引起。

2 加固方案

2.1 整體加固建議

根據該舊橋的病害調查結果及橋梁評定等級，并且舊橋的病害分析，要求通過加固，修復舊橋關鍵承重構件的原承載能力，并預留一定的安全儲備。處治裂縫抑制病害開展，提高耐久性。

2.2 橋面系病害處理

采用瀝青混凝土分層回填切割面層區域，并用壓實機械進行碾壓，表面應平整、密實，略高于原路面。若橋面整體化層還存在裂縫，采用改性乳化瀝青灌縫，最好采用熱壓縮空氣吹去縫隙中的堵塞物，以保持裂縫內干燥和縫壁適當的溫度，并且及時將灌縫材料灌滿縫隙[4]。

2.3 上部結構病害處理

根據檢測報告，頂板橫向裂縫主要集中于跨中區域，含多條橫向超限裂縫，結合計算分析可知，為保證結構的安全性，提高橋梁的承載力安全儲備，需進行加固處理。推薦采用粘貼鋼板法加固。加固內容如下。

箱涵頂板粘貼厚6mm、寬30cm 的Q355B 鋼板，鋼板間距60cm，錨固采用M12-130 錨栓。

對加固后的頂板最不利結果進行驗算，根據原橋結構計算分析及檢測報告裂縫顯示，粘貼鋼板采用植入M12×130mm 防開裂化學錨栓作為反力加壓措施，粘貼鋼板按照規范要求設置壓條。

2.4 下部結構病害處理

（1）混凝土裂縫修補。①裂縫寬度＞0.15mm 的結構受力裂縫和非結構受力裂縫，均做灌漿處理。②裂縫寬度≤0.15mm 的結構受力裂縫和非結構受力裂縫，均做封閉處理。

（2）混凝土缺陷修補完全鑿除并且除銹處理焊接相同鋼筋，砂漿修補平整。

（3）伸縮縫處理清理伸縮縫內泥砂，伸縮縫有橡膠條拉裂病害的，直接更換橡膠條。

（4）耐久性防護全橋加固后，表面進行防護涂裝，以封閉表面空隙，增加橋梁耐久性[5]。

3 有限元建模分析

Midas 軟件是工程領域常用的分析軟件，用中文常稱作邁達斯，其作為一種有限元分析軟件，其涉及的專業領域包含了分為建筑、橋梁、巖土、仿真4 個方向，其中橋梁檢測相關的邁達斯軟件主要又Midas Civil、Midas Smart BDS、Civil Designer。對于Midas Civil模型分析軟件，主要用于結構上的分析，能夠針對常見的箱涵、箱梁橋、空心板橋作計算分析，同樣能夠對懸索橋、斜拉橋等較為復雜的橋梁結構形式作計算分析，邁達斯主要功能包材料非線性分析、靜力彈塑性分析等廣闊的功能內容。該軟件操作方便，上手簡單，能夠讓橋梁檢測從業者高效完成橋梁模型計算工作。

3.1 采用Midas 有限元軟件進行建模

采用Midas Civil 軟件對修復的舊橋作模擬，并且根據《公路橋涵設計通用規范2015》來布置車輛荷載，模擬計算舊橋的承載能力，能否承擔最不利承載能力組合，并對比分析修復前后舊橋的承載能力，全橋模型如圖1 所示。軟件計算確定鋼板加固能否提高舊橋的承載能力，同時根據最不利承載能力組合的內力值，作相對應試驗值的動靜載試驗方案，通過橋梁動靜載實際試驗舊橋載在修復后的承載能力。根據對比模型計算出的試驗應變值和撓度值，分析驗證結構模型的能力。

圖1 全橋模型

3.2 加固鋼板模擬

與梁底黏貼的碳纖維布不同，本次修復采用的是加固鋼板，鋼板自身的力學剛性大，抗扭抗彎能力強。因此采用實體單元來模擬梁底的加固鋼板較為合適。由于梁側加固鋼板修復形式復雜，通過鋼板交叉加固并配和螺栓固定的方式來加固，為便于模擬，該部分的鋼板以分布剛度的方式分配到模型中。在邁達斯軟件的材料定義模塊中輸入鋼板性能數據并且根據現場情況加固面的邊界條件，來真實模擬加固鋼板與被修復舊梁的相互關系。選擇連接方式，確保軟件模型軟件在計算分析受荷載時，達到加固鋼板和修復梁緊密聯系的理想情況。并且在實際橋梁靜動載下，安排檢測人員在橋底觀察加固板和梁體之間的貼合情況，是否出現異響等問題出現。對加固后的頂板最不利結果進行驗算，參照規范《城市橋梁結構加固技術規程》（CJJ/T 239—2016）中的有關規定。根據原橋結構計算分析及檢測報告裂縫顯示，對梁底粘貼寬30cm，厚6mm 的鋼板，鋼板凈距30cm。粘貼鋼板采用植入M12×130mm 防開裂化學錨栓作為反力加壓措施，粘貼鋼板按照規范要求設置壓條。橋梁計算抗力如表1 所示。

表1 橋梁計算抗力

3.3 橋梁承載力動靜載試驗

試驗過程中靜載試驗采用偏載方式，主要測點位于加載車輛左側，測量儀器位于中間綠化帶區域，撓度數據采集位于人行道區域。整個試驗過程基本在圍蔽的區域內安全進行。約凌晨3：30 動載試驗在圍蔽通道內進行，跑車在通道口等待，在通道無車基本安全的情況下跑車。數據采集位于人行道區域進行。本次試驗：橋下觀測2 人，交通圍蔽及指揮3 人，現場試驗4 人。本次試驗進行順利，試驗過程未見橋梁異響，撓度下沉過大等異常情況。實際裂縫發展情況回去與試驗前照片做對比。現場發現部分梁跨中有裂縫，上去看了應該是梁腹部份修復的水泥灰老化導致的，并非結構受力導致的裂縫。已拍關鍵受力梁跨中現狀照片，在試驗時實時比照，觀察跨中是否出現裂縫或者梁的裂縫加劇的情況出現，確定裂縫未發展。

3.4 加固效應結果

通過邁達斯模型計算出舊橋前后加固的承載能力安全儲備，對比分析兩種狀態下應對最不利荷載組合的結構性能響應，并且通過橋梁動靜載加以驗證加固后的性能情況。

舊橋加固前后撓度對比如圖2 所示。

圖2 鋼板加固修復前后計算撓度值

通過以上對比分析結果能夠得出結論。

（1）面對最不利荷載組合，舊橋的承載力安全儲備相對于修復前明顯得到提升，提升大約30%的性能。

（2）通過橋梁動靜載試驗，修復后的舊橋在最不利工況下，試驗撓度值低于計算數據，本次修復加固有效提高舊橋的承載能力有了。

綜上，鋼板修復加固能夠有效提升舊橋的高度承載能力，可以控制舊橋的開裂情況，所以鋼板修復具有重要的加固作用。

4 結論

本文通過對舊橋做病害上的調查，綜合評定該舊橋的技術狀況評估等級綜合評估為D 級不合格狀態，通過邁達斯軟件模擬計算取得結論。

（1）鋼板加固能夠有效提升舊橋的高度承載能力，是一種可靠的橋梁修復加固方式。

（2）通過對鋼板修復加固后的舊橋作動靜載試驗，確定舊橋的實際承載能力符合軟件模擬計算數值。病害侵蝕以及性能下降的情況有所減少。建議加強后期對就敲的定期檢查維護，做好相應的管理養護工作，保證橋梁的使用性能的穩定。