论交通工程中桥梁加固方法
2011-07-15
1 桥梁加固的基本原则
一般来说，桥梁的加固包括病害桥梁的修复及原有桥梁的改造。其中，病害桥梁的修复一般是由于桥梁老化，运营养护的不当自然原因如桥下垃圾焚烧等使一些桥梁出现了病害而进行维修；原有桥梁的改造一般是由于现在交通运输量的增长、设计荷载标准的提高、公路路基宽度的拓宽等使一些桥梁已不能满足当前交通运输的要求而进行改造。
桥梁的加固除了应满足设计规范，符合技术可行、经济合理、结构安全的原则外，还必须经过一定的程序和步骤，这就是要求加固前要对桥梁做针对性的检测，然后再作出具体的加固方案设计。在具体的加固设计中，必需首先明确“耐用、经济、安全”加固原则。
1） 对于大桥、特大桥，其主要承重构件需要加固补强时，加固设计方案应多样化，进行方案比选和经济评估，选择最佳加固方案，以达到最好效果。
2） 加固设计应与施工方法紧密结合，并采取有效措施，保证新老结构连接可靠、协同工作；
3） 在加固施工中，应尽可能减少对桥上和桥下的通行车辆及行人的干扰，采取必要的措施，减少对周围环境的污染；
4） 加固设计及施工尽量不损坏原结构，并保留具有利用价值的构件，避免不必要的拆除或更换；
5） 加固施工中，应采取安全监测措施，确保施工人员及结构的安全。
2 加固方案的选择
加固方案与诸多因素有关，选择合理的加固方案非常重要，常考虑下列因素：
1） 桥梁结构型式；
2） 桥位地形、水文、自然状况；
3） 桥梁现状分析研究结论；
4） 施工技术水平；
5） 能否封闭交通；
6） 预期加固效果；
7） 资金投入量。
3 桥梁加固的常见方法
3.1桥梁上部结构常用的加固方法
3.1.1体外预应力加固法：
体外预应力法的加固原理是在梁的下缘受拉区设置预应力材料，通过张拉对梁体产生偏心预应力，在此偏心压力作用下，使梁体发生上拱，抵消部分自重应力，减小了结构变形和裂缝宽度、改善了结构受力，能够较大幅度的提高结构承载力。与通常的预应力混凝土结构相比，力筋与原结构只在锚固点与梁连接，类似于无粘结预应力结构。这种方法在自重增加很小的情况下可大幅度的改善和调整原结构的状态，提高结构刚度、抗裂性。此法既适用于通行重车时的临时加固，也可作为提高桥梁承载力的永久加固措施。
该方法主要适用情况有：当混凝土梁中预应力筋或普通钢筋严重锈蚀及其它病害造成结构承载力下降；需要提高桥梁的荷载等级；用于控制梁体裂缝及钢筋疲劳应力幅度；适用于高应力状态下的结构，尤其是大型结构的加固等情况。
目前常用的体外预应力的方法有：下式预应力拉杆加固法和外部预应力钢丝束加固法。
3.1.2 体系转换加固法
改变结构体系加固旧桥通常是指增设附加构件或进行技术改造，使桥梁的受力体系和受力状况发生改变，从而起到减小承重构件的应力，改善桥梁性能，达到提高承载能力的目的。这种技术具有提高结构承载力，增大结构刚度，减小挠度等优点。
3.1.3 增加构件加固法
增加构件加固法主要是指增设纵梁提高承载能力或拓宽改建，增加横隔板加强横向联系。当墩台地基安全性能好，并具有承载能力，上部结构也基本完好，但其承载能力不能满足要求，同时要求加宽桥面时，一般采用增加承载能力高和刚度大的新纵梁使新旧梁互相联结共同受力。对于要进行拓宽改造的则还需要对墩台进行拓宽。
常使用的方法根据增加构件及新旧主梁联合受力形式可分为：增设纵梁加固（不拓宽桥面）；增设边梁加固；单边拓宽技术改造；双边拓宽技术改造；增加辅助横梁加固。
3.1.4 粘贴钢板加固法
粘贴钢板加固是采用粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉边缘或薄弱部位，使之与结构物形成整体，从而提高梁的承载能力的一种加固方法。若使用锚栓将钢板锚固在梁体上，则又称锚栓钢板法，这时钢板可适当厚一些。钢板固定于受拉混凝土表面可以增加混凝土结构抗弯刚度，使结构挠度减小，限制了裂缝的发展。并且施工时可以根据设计需要进行裁切钢板，有效的发挥粘钢构件的抗弯、抗压和抗剪的性能，受力均匀，不会在混凝土中产生应力集中现象，除此以外，该方法还具有施工简便，快速，不影响结构外形，加固费用低，不减小桥梁净空以及增加荷载不多等优点。不足之处是粘结剂的质量及耐久性是影响加固效果的主要因素。
3.1.5 碳纤维加固法
粘贴碳纤维加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构物表面，当结构荷载增加时，两者共同工作，提高构件承载力，从而达到加固补强的目的。纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。由于碳纤维具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能，以及施工速度快，施工工期短，粘贴质量容易得到保证等优点，因此是旧桥加固补强的理想材料。碳纤维加固法中粘结材料的性能是保证碳纤维与混凝土共同工作的关键，也是两者传力途径的薄弱环节，因此粘结材料应有足够的刚度与强度保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应有足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。与其它加固方法相比，采用碳纤维加固旧桥能最小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。
3.1.6 桥面层补强加固法
桥面补强层加固法是通过在梁顶（桥面）上加铺一层钢筋混凝土层，使其与原有主梁形成整体，从而达到增大主梁有效高度和抗压截面，增加桥面整体刚度，提高桥梁承载能力的一种常用且有效的方法。为了减小补强层增加的恒载，常将原有桥面铺装层凿除，而且能使新老结合良好，共同受力。
3.2 桥梁下部结构加固常用的加固方法
3.2.1 墩台拓宽加固法
此法适用于基础承载力不足或埋深太浅，而墩台又是砖石或砼刚性实体基础时的情况。扩大基础地基面积应由地基强度验算确定。
3.2.2 增补桩基加固法
当桥梁墩台基底下有软卧层时，墩台发生沉陷；对此采用增补桩基加固法是一种常用而且有效的方法。这种方法是：在桩式基础的周围补加钻孔桩等，以此提高基础的承载力，增强基础的稳定性。
3.2.3 钢筋砼套箍或护套加固法
钢筋砼套箍或护套加固法是一种由于桥梁墩台由于基础埋深不够，或因施工质量控制不严等原因，导致墩台开裂时，有时会出现贯通裂缝，可采用钢筋砼围带或钢箍进行加固。
3.2.4 桥台新建辅助挡土墙加固法
由于桥台台背水平土压力过大，引起桥台倾斜，应在台背之后加建一挡墙，以抵御过大的土压力。
3.2.5 扩大基础加固法
利用旧桥基础，靠墩台盖梁挑出悬臂加宽部分，以便安装的上部结构。此种情况为只加宽墩台，上部的盖梁、墩台身和基础则不需予以加固。
上诉各种常见加固方法可中和运用，优化组合，更能体现出加固效果及经济效益，但还应注意以下几点：
1）不同的加固方法有对应的设计计算方法；
2）加固后的桥梁结构承载能力提高幅度受原结构的制约，如原结构配筋率、截面尺寸等，不可能无限制地提高承载能力；
3）对于大跨径复杂桥梁结构的加固计算，一般要做结构整体分析，有效工具时有限元法，必要时应考虑非线性影响。
4） 加宽加固同时进行时，宜将加宽部分与原桥连为整体，以充分发挥新加部分的卸载作用。
4 碳纤维特点及优越性
碳纤维用于混凝土结构加固修复是一项新技术，它是利用浸渍树脂将碳纤维布沿受力方向或垂直于受力方向粘贴在受损的混凝土构件上，使之与构件原有钢筋共同工作，从而达到对混凝土构件的加固补强。加固后可增大结构抗拉及抗剪能力，有效地提高其强度、刚度、抗裂性和延性，控制裂缝和挠度的继续发展。碳纤维复合材料包括碳纤维布和粘接材料，简单介绍如下： 4.1 碳纤维布具有如下特点
1）强度高；
2）单根纤维间强度变化小；
3）高弹膜，以提供有效的增强作用；
4）在制造与处理过程中强度稳定并保持不变。
5）化学性能好，不易也外界发生反应，引起其原有性能变化。
4.2 粘结材料具有如下特点
粘结材料的性能是保证碳纤维与混凝土共同合作的关键，也是碳纤维与混凝土受力过程中的薄弱环节，它应有足够的刚度与强度，保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应用足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘接破坏。此外应适应现场施工条件，即能在一般条件下固化，具有适宜的流动性与粘度，固化收缩率小。粘接材料主要包括三类：底胶、整平材料和浸渍树脂，其作用如下：
4.2.1 底胶：浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度从而使混凝土与碳纤维布之间的粘接性得到提高；
4.2.2 整平材料：碳纤维布很有可能因混凝土表面的锐利突起物、错位和转角等部位产生损伤或空鼓，从而引起强度降低。整平材料可补平由于混凝土表面劣化或表面处理造成的空洞或斜面，另一方面用于将矩形90o转角打磨后补成圆弧状。
4.2.3 浸渍树脂：将连续粘贴的碳纤维布结合在一起，使之呈板状硬化，使纤维之间相互结合、均匀抵抗外力，发挥纤维整体强度。同时、将碳纤维布与混凝土粘接在一起，形成一个复合性整体，共同抵抗外力。
4.3 碳纤维补强技术的特点及优越性
4.3.1 优异的力学性能，可有效用于多种形式的结构补强，包括抗弯、抗剪、抗拉、抗疲劳、抗震、抗风，控制裂缝及挠度的扩展。
4.3.2 优异的化学稳定性。碳纤维布具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线和防水能力。具有足够的适应气温变化能力。外加防火层后可以有效地防火。因此，可大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命。 4.3.3 材料本身质轻高强。可以不增加结构体积和不改变结构外型。增加的结构重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂装，而不留补强痕迹。
4.3.4 施工工序简单，可用小型电动工具操作。工种少，用工少，工期短，进度快。更有资料表明能在持续交通有震动的情况下施工，而不影响补强效果，从而大大缩短了施工断交时间，具有较大的经济效益和社会效益。 5 桥梁常出现的裂缝及处理方法
由于桥梁裂缝是一种很常见的桥梁病害，而且潜在危险比较大，所以，必须对裂缝及时作出处理。
5.1 按形成原因分裂缝可以分为
第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。
第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生自应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，自应力也就消失了。
两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融在一起。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%；以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定，裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。
5.2 塞缝灌浆
塞缝灌浆是把将一定比例配制的水泥（砂）浆、 环氧树脂（砂）浆，通过注射器按一定压力灌入结构物缝隙内，起到填塞裂缝、避免钢筋锈蚀并提高结构整体强度的作用。裂缝在桥梁病害中较为普遍，产生裂缝的原因很多，也很复杂。结构物一旦出现裂缝，其受力截面发生应力重分布，也就意味着受力有效截面变小，结构应力增大，承载能力降低。塞缝灌浆是用胶结材料把结构的裂缝填满，使力的作用、传递尽可能恢复到原状态。
塞缝灌浆一般用于处理桥梁上、下部结构裂缝，灌浆分为水泥浆、水泥砂浆、环氧树脂浆、环氧树脂、砂浆等，具体采用哪一种，应视实际情况而定。通常水泥（砂）浆用于石砌墩、台和拱圈裂缝，由裂缝的大小来决定灌浆中是否掺砂，采用水泥（砂）浆造价低、效果好。环氧树脂浆一般用于钢筋混凝土结构物，因为钢筋混凝土构件产生的裂缝较小，易灌满，粘结性好；环氧树脂砂浆多用于桥面裂缝。
先用1：1水泥砂浆勾缝，勾缝时须预留直径约6—8mm的灌浆孔，孔距视裂缝宽度而定，缝宽处孔距为0.3一0.4 m，缝小处孔距为0.4—0.5m。待勾缝砂浆达到一定强度后即可灌浆。钢筋混凝土梁的裂缝较小，用环氧树脂勾缝，凡大于0.1mm的裂缝都要留孔灌浆，孔距一般为0.4一0.5m，灌浆方法与灌水泥浆大致相同。在公路旧桥加固中，塞缝灌浆是综合处治的方法之一，用得比较普遍，通过试载及使用观察，效果较好。
结束语
所以，桥梁的加固维修是必可少的，是保障道路畅通的技术措施之一。它节约了大量的人力、物力、财力、资源等。如何做好桥梁的正确利用是我们现在急需解决的问题。
参考文献
[1] 《桥梁安全耐久性,检测评定与加固技术研讨会论文集》. 2008年 1月
[2] 留自明.《桥梁工程养护与维修手册》.人民交通出版社, 2004.09
[3] 《高速公路养护管理手册》.人民交通出版社,2002-12-1
[4] 《公路养护安全作业规程》（JTG H 30～2004）.中华人民共和国交通部发布, 2004.06.11
