桥梁加固的常见方法及其机理
2012-12-21 来源：知网空间
前言
随着我国国民经济的日益发展，交通运输量的迅速增长，道路上的行车密度以及车辆的轴重不断加大，势必造成公路桥梁负荷日趋加重，加之旧桥部分老化、破损或受原设计标准的限制，已不能适应现代交通运输的要求。截止至2000年，我国危桥总长已达2万余延米。若将其拆除重建，不仅要耗费大量资金，而且工期也较长；若有计划、有步骤的对现有旧桥进行加固改造，恢复、提高其承载力，不仅能满足新时期公路交通运输的需要，而且可以为国家带来巨大的经济和社会效益。
1、桥梁加固的步骤与基本原则
一般来说，桥梁的加固包括现有桥梁的改造及病害桥梁的修复。其中，现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；病害桥梁的修复一般是由于桥梁材料的老化，运营养护的不当等使一些桥梁出现了病害而进行维修。桥梁的加固与桥梁的设计一样，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，这就是所谓的加固概念设计。
1、桥梁结构由于结构失效或损伤经评估不能满足结构安全或正常使用要求时，必须进行加固。加固设计的内容及范围，应根据评估结论和委托方提出的要求确定，可以包括整体桥梁，也可以是指定的区段或特定的构件；
2、建立既有桥梁维修、加固、重建的经济分析模型，通过分析比较，选择技术可行、经济合理、对现有交通干扰较小的方案实施，以保证改造后的桥梁能安全运营；
3、根据需要改造桥梁的评估结论及经济分析，当得知现有桥梁可以通过加固、维修达到使用要求的结论后，再提出桥梁加固的设计方案；
4、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≮2个，进行方案比选和经济评估，选择最佳加固方案；
5、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；
6、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*、协同工作；
7、加固设计应按结构实际损坏情况进行计算；
8、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；
9、在施工过程中，若发现原结构或相关工程隐蔽部位的构造有严重缺陷时，应立即停止施工，会同加固方案设计者进行研究，待采取有效措施处理后，方能继续施工；
10、加固施工中，应采取安全监测措施，确保人员及结构安全。
总之，在具体的加固设计中，必需首先明确这种加固原则，才能做到“牢固可*、简便耐用、经济适用”。
2、桥梁加固的方法
加固，简单来说，就是通过一定的措施使构件乃至整个结构的承载能力及其使用性能得到提高，以满足新的要求。这些措施包括直接针对整个结构的，如体外预应力，改变了结构的应力状态，使其回到原设计状态或者更适应新的要求；有些措施是针对截面的，即通过提高截面某一方面的承载力强度（如抗剪强度），从而改善整个结构的承载力水平。
根据桥梁的加固原因、加固部位以及现有桥梁本身桥型方案的不同，应采用不同的加固方法。目前,桥梁上部结构常用的加固方法有：体外预应力加固法、体系转换加固法、增加构件加固法、粘贴钢板加固法、碳纤维加固法、桥面层补强加固法等；桥梁下部结构常用的加固方法有扩大基础加固法、高压旋喷注浆加固法等。现将以上加固方法一一介绍如下：
2.1 桥梁上部结构加固
2.1.1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撑式预应力拉杆加固法和外部预应力钢丝束加固法。
301国道盘锦立交主线桥和盘锦立交WH匝道桥，采用的都是体外预应力法进行加固，改善了桥梁的整体的使用性能，延长了桥梁的使用寿命。
2.1.2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。
常使用的方法有：拱桥转换为梁拱式拱上建筑法；梁桥转换为梁拱组合体系法；简支转连续法；多跨简支梁转为先简支后桥面连续体系法；增加辅助墩法等。以上加固方案形式各异，但加固实质相同，即均是为所加固的桥梁加入新的支撑点，缩短梁的计算跨径，从而提高结构承载力。
福建永安市大溪大桥为20世纪70年代初修建的9孔双曲拱桥，桥型为22.10m+25.60m+7x22.10m不等跨连续拱桥，设计荷载为汽车-13级，拖车-60，由于交通量的增加，该桥在运营期间产生了较大的病害，荷载等级不能满足现有交通运输的要求，2002年永安市对该桥该桥进行了检测，检测结果表明该桥可以通过采取加固措施，使其达到汽车-20级、挂车-100荷载等级的要求。加固方案采用了把连续拱桥转化为梁拱式拱上建筑体系的方法。加固改造时，首先拆除侧墙、护拱、拱上填料，对主拱圈进行“卸载”,使主拱和腹拱的拱背完全暴露，其次对主拱圈拱背、拱脚进行布筋，现浇混凝土加大其截面，然后接高腹拱墩，按梁板桥施工简支桥面板，这样一来既减轻了主拱圈负重，又增强了主拱圈承载能力。加固改造后，经过几年来的使用证明,效果非常好。类似的例子还有很多，如2003年加固的湖北鄂州涂家咀连续拱桥（L0=70m）、2005年加固的福建蒋乐积善连续拱桥（L0=30m）等等。
2.1.3 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。
绍兴斗门大桥是20世纪80年代修建的一座刚架拱桥（L0=40m）,该桥通过20余年的使用,已出现多处病害,特别是重车过桥时,桥梁出现晃动。2004年通过对该桥病害的调查和分析,发现横梁太单薄（原设计为空心薄壁横梁）是导致重车过桥晃动的主要原因,加固改造时在每孔主拱腿上增设8道钢筋混凝土实心横梁，斜杆上增设4道钢筋混凝土实心横梁。改造后该桥至今完好无损，重车过桥时桥梁也不再晃动，运行完全正常。
河南南阳桐柏淮河大桥采用了增设大边肋进行加固加宽的技术方案，对上下部结构同时加宽，提高了结构的承载力。该桥加固完成至今，状况良好，并且有很好的视觉效果。
2.1.4 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。
广州东圃大桥是1998年建成通车的一座跨越珠江的特大桥，主航道桥型为106.6m+2x160m+106.6m的预应力混凝土连续刚构，副航道桥型为51m+3x80m+51m的预应力混凝土连续刚构，2003年发现主航道桥边跨梁端腹板存在不同发展程度的斜裂纹，后来业主采用了粘贴钢板加固技术对其进行了加固。具体措施是对修补部位的混凝土表面进行修凿，使其平整；用丙酮或二甲苯擦洗修补部位的混凝土表面和经过处理的钢板表面；以除去粘接面的油脂和灰尘；在钢板和混凝土粘接面上均匀地涂刷环氧基液粘接剂；用方木、角钢、和固定螺栓等均匀地进行压贴钢板；养生到所要求的时间，拆除压贴用的材料；在钢板表面上再涂刷养护涂料。该桥现在加固工程已完成，加固效果良好。
2.1.5 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。
广深高速公路福田互通立交桥现浇异形混凝土空心板梁梁底有多处裂缝，导致板内钢筋锈蚀，桥梁承载能力下降，发现后采用了粘贴碳纤维布的方案对其进行了加固，具体措施是处理裂缝处的混凝土表面，清除加固表面疏松部分，直至露出混凝土结构层，并打磨平整，应用强力吹风器或丙酮将表面粉尘彻底清除，使之干燥、干净；然后严格按照厂商提供的配合比和工艺要求在处理后的混凝土表面涂上底胶，按设计要求裁剪、粘贴碳纤维布。该桥加固后，恢复了承载力，后经观察，加固效果良好。类似的例子还有很多，如莘奉金高速公路春申路立交桥加固、107国道（深圳段）洋涌河大桥加固等等。
2.1.6 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。
目前，在很多桥梁加固改造中，同一座桥梁，针对不同的部位、不同的构件、不同的改造原因同时采用了几种不同的方法。如宜宾马鸣溪金沙江大桥的加固，采用了增加构件加固法、粘贴钢板加固法、碳纤维加固法、桥面层补强加固法；西藏尼木大桥的加固，采用了粘贴钢板加固法、碳纤维加固法、桥面层补强加固法；绍兴斗门大桥的加固，采用了增加构件加固法、桥面层补强加固法，等等。
2.2桥梁墩台与基础加固
2.2.1 扩大基础加固法 桥梁基础扩大底面积的加固方法，称为扩大基础加固法。此法适应于基础承载力不足或埋置太浅，而墩台又是砖石或混凝土刚性实体或基础时的情况。当构造物基础具有较大的不均匀沉降，并且地基土质比较坚实时，可以采用扩大基础法进行加固。而对于扩大部分基础底部的地基承载力不足的问题，可采取在扩大部分基础下打入一定数量的桩以提高地基承载力，桩的参数根据地基变形计算来加以选定。扩大基础加固法，施工比较简单。缺点是它必须使新老基础连成一体共同承受上部荷载，故其加固费用较高，而且加固效果也不易控制。
2.2.2 高压旋喷注浆加固法 高压旋喷注浆，就是先利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻入土层的预定位置，旋转并以一定的速度提升，同时将浆液或水以高压流的形式从喷嘴里射出，冲击破坏土体，高压流切割并搅碎土层，使其成颗粒状分散，一部分被浆液和水带出钻孔，另一部分则与浆液搅拌混合，随着浆液的凝固，组成具有一定强度和抗渗能力的固结体，从而对地基进行加固的一种加固方法。旋喷注浆加固法，用途广泛，加固地基的质量可*而且效果好，成本低，加固效果明显，且施工便捷，目前已逐渐成为我国常用的对桥梁墩台基础处理方法之一。
2.2.3 粘贴钢板加固法、碳纤维加固法 桥梁墩台的加固改造也可以采用粘贴钢板加固法、碳纤维加固法增加墩台的刚度, 提高墩台的抗弯、抗压和抗剪能力,其加固方法、加固机理与2.1.4及2.1.5一致,在此就不再详述。
3、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。
若定义：
建议: β＞0.9，进行桥面板加固；
β=0.7-0.8，粘贴钢板、改变体系加固；
β=0.6-0.7，体外预应力、贴碳纤维加固。
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。
上述各种常见加固方法可综合运用，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，有效工具是有限元法，必要时应考虑非线性影响。
4、结语
桥梁的加固维修问题已经成为世界普遍关注的课题，为了规范、指导桥梁加固技术的应用，交通部在2001年西部交通建设科技项目中设定了“公路旧桥检测评定与加固技术研究及推广应用 ”项目，旨在通过该课题的研究提出一整套完整的、实用的公路桥梁检测、评定与加固成套技术，为我国公路危旧桥的改造提供技术支持，确保危旧桥的改造工作科学合理、经济安全。新的旧桥检测、评定、加固方面的规范即将出台，届时，桥梁加固将会做到“有法可依”。
