公路桥梁维修加固新技术
2013-01-30 来源：中国桥梁网
一、我国公路桥梁现存突出问题及加固技术
1、分别从技术与管理两个层面分析其原因，总结出应吸取的教训，主要包括超载引起的桥梁事故，设计、施工差错引起的桥梁事故，养护不急时（拉吊索结构、单梁受力）引起的桥梁事故，设计理论不完善（独柱墩结构桥梁事故），水害造成的桥梁事故，风灾害造成的桥梁事故，撞击（车辆、船舶）造成的桥梁事故
2、重大安全事故频发、社会影响巨大。
2011年7月19日凌晨零时40分，北京怀柔区宝山寺白河桥发生桥梁坍塌，4孔全部坍塌，无人员伤亡。拉砂车严重超载。
3、超限、超载。
宜宾小南门桥主桥系中承式钢筋混凝土肋拱桥，矢跨比1/5，是建桥当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥，中部180m范围为钢筋混凝土连续桥面。2001年11月7日凌晨4点，从四川南部宜宾进入云南的咽喉要道宜宾南门大桥发生悬索及桥面断裂事故，桥两端同时塌陷，造成交通及市外通讯中断。 事故是连接拱体和桥面预制板的4对8根钢缆吊杆断裂，北端长约10米、南端长20余米的桥面预制板发生坍塌。两边的断裂处都是在主桥与引桥的结合点，恰恰也是吊桥动态与静态的结合点。因受力不均，一边垮塌后，使桥面的支撑力发生波浪形摆动，造成另一边也垮塌。
4、拉吊索失效。
拉吊索结构腐蚀老化 无更换预案、无养护通道，预制拼装梁板 单板受力及横纵裂缝
5、单板受力、横向整体性差。
2009年7月，津晋高速公路天津塘沽收费站东侧800米处，一匝道桥突然坍塌，桥上5辆货车坠落桥下，坍塌的桥面还将桥下一处简易房砸毁，从桥下通过的李港铁路线被迫中断。 事故共造成6人死亡，4人伤。
6、独柱墩桥梁倾覆垮塌。
2007年10月23日晚23时许，连接包头市民族东路至丹拉高速公路包头出口的高架桥发生倾斜。截至次日上午11时，事故共造成4人受伤。三辆拉运钢板的奔驰半挂牵引重型货车和一辆轿车由南向北行驶至包头市民族东路高架桥上时，桥面突然发生倾斜，导致两辆载重汽车和一辆轿车随路面倾斜滑到桥底，造成桥下铁路专用线中断。
7、独柱墩桥梁倾覆垮塌。
8、大跨径预应力混凝土箱梁下挠、开裂。
9、结构耐久性问题。
10、粘贴钢板加固：粘贴纤维复合材料加固、增大构件截面加固、体外预应力加固、改变结构体系加固、更换疲劳构件加固、增加桩基加固、抛石防护基础、地基压浆加固。
11、公路旧桥检测
承载能力评价、加固设计、加固设计咨询和加固施工领域、同时承担新建大桥、特大桥梁的工可、设计、设计咨询、专项桥梁工程质量检验评定指南、施工期的监控技术服务、桥梁养护管理技术和桥梁加固产品、材料的开发研制工作
二、 桥梁维修加固决策分析
1、加固方案比选。
经济指标论证
加固费用系数=加固费用/新建费用
加固费用=宏观经济总损失+微观经济总损失
新建费用=宏观经济总损失+微观经济总损失 加固寿命系数=（桥梁原设计使用寿命-桥梁已运营的时间）/桥梁原设计使用寿命
2、交通组织可行性与可操作性分析。
3、经济指标论证技术背景。
重大桥梁、重要路段维修养护数量越来越多，此类工程对区域经济影响大，社会影响广，只考虑工程经济性的方案决策办法已不适用于此类工程。
4、技术内容。
通过宏观经济分析与微观经济分析，确定加固费用系数和加固寿命系数。
宏观经济： 运输成本损失、 运输时间损失、 相关道路的拥挤损失、车辆绕行损失、 事故损失
微观经济：收费损失、工程费用
5、桥梁加固技术经济确定原则。
6、对大中型项目进行经济技术评价，为项目决策提供依据。
广东某国道公路桥梁加固工程经济决策分析
桥梁加固的宏观经济分析，运输成本损失，108.74万元，运输时间损失，253.33万元，相关公路拥挤损失，4367.1万元，绕行损失，1746.48万元，事故损失，33.14万元，宏观经济损失合计 6510.817 万元，桥梁改造的微观经济分析，加固期间收费损失为 2254 万元 ，加固工程费用 914.5 万元，微观经济损失合计 3168.5 万元，宏观、微观合计 9679.3 万元，新加固费用系数 n1=加固费用/新建费用 = 0.29，加固寿命系数 n2= （50-19）/50=0.62，当取N2＝n2＝0.62 时，对应N1＝0.53，而实际工程 n1= 0.29 < N1＝0.53，因此该工程加固较新建更经济合理。
7、桥梁拆除新建部分的宏观经济分析
桥梁新建的宏观经济损失合计 23438.94 万元，桥梁新建的微观经济分析，新建期间收费损失为 8114.4 万元，新建工程费用 1931 万元，宏观、微观 合计 33484.3 万元。
三、体外预应力加固体系
1、作用：改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除，后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总体承载能力可显著提高适用于采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力状态下的大跨桥梁加固。
2、应用特点。
3、构造设计：钢绞线、成品索、现场编束、转向块、整体转向块、分丝转向块。
4、体外束分跨通长布置图、变高度箱梁体外预应力布置图、常见体外预应力布置。
5、检验、验收内容：锚固初应力检验：截取2至3m长的钢绞线，在室内放置24小时后，检查各钢丝是否仍为一个平面。抽检强度，弹性模量，截面积，延伸率和硬度，并应按实测弹性模量和截面积对计算延伸量进行校正。抽样检查夹片硬度。逐个检查垫板喇叭管或钢管内有无毛刺，有毛刺者不准使用在穿索前应对锚具内管、油封进行位置检查。
施工监控：在控制张拉力和伸长量的同时，应对旧桥控制截面和关键位置的应变及主梁挠度进行监控。
防腐处理：小跨径桥体外预应力加固体系中铁件应采用防锈漆进行防腐处理。
大跨径桥预应力加固使用的钢绞线采用PE防腐，锚具一般镀锌，张拉、锚固端钢绞线采用注油密封防腐。
四、预应力高强钢丝网加固
1、最初引入的加固技术的工法，用于房屋工程较多。对该技术进行了施加预应力改良，但预应力有限，虽然在钢丝绳安装过程中也进行张拉，但张拉力并未超过钢丝绳的非线性区域，或预张拉后没有可靠的固定，使得钢丝绳存在受力滞后的现象，钢丝绳的强度得不到充分的发挥。
2、预应力高强钢丝网—聚合物砂浆复合面层加固技术，需要将被加固构件进行界面处理，然后将钢丝网敷设于被加固构件的受拉区域，张拉钢丝绳，再在其表面涂抹聚合物砂浆。
该加固技术能同时显著提高结构刚度和承载力，施工简单成本低，施工时不需要中断交通。极限阶段往往发生钢筋屈服、钢丝绳断裂、受压区混凝土压坏的延性破坏，疲劳性能理想，耐久性好。现有其他加固技术中的缺点都得到了较好地解决或改善。
预应力高强钢丝网成套加固技术（专利号：ZL200920110050X）
预应力高强钢丝绳锚具 （专利号：ZL200910089217.3）
钢丝绳：应选用高强度、低松弛、高延性的钢丝绳，其直径不宜太大，以便于张拉和锚固，直径根据所需施加的总预应力和钢丝绳根数共同确定, 本试验中选择高强不锈钢钢丝绳（6x7+IWS）直径为4mm，公称截面积7.45mm2。抗拉强度标准值为1800MPa。
锚具： 预应力高强钢丝绳锚具，是专门用于锚固高强钢丝绳的多孔式扁锚，可以同时锚固多根高强钢丝绳，设计灵活，尺寸小巧，组装后可以立即张拉，施工方便；在施加预应力后可以充分发挥材料的高强度；张拉后每根钢丝绳的张拉力最大可达到1.2-1.5t，钢丝绳的回缩量小。
砂浆：包括锚固砂浆和防护砂浆，分别起到共同锚固和保护钢丝绳的作用。
3、施工方法和步骤
锚具立面、锚具顶面、固定锚板、安装钢丝网 、张拉、锁定后的钢丝网 、涂抹高强聚合物砂浆、张力后长期损失小、预应力高强钢丝网加固、预应力高强钢丝网片横向加固、加固后空心板的位移横向分布情况有所改善。
铰缝传力性能较加固前有一定提升，实测位移横向分配系数均比理论位移横向分配系数均匀，用1层钢丝绳加固后，梁的开裂荷载提高了133%，最大承载力提高了114%。用1层钢丝绳和聚合物砂浆加固后，梁的开裂荷载提高了183%,最大承载力提高了107%。钢丝绳张拉到设计吨位后，通过仪器检测，张拉力基本没有损失，钢丝绳的强度得到了充分的发挥，加固混凝土梁没有发生黏结破坏，而是发生钢筋屈服、受压区混凝土压坏的延性破坏，外侧钢丝绳与钢筋、混凝土梁能良好地共同变形，截面上的应变符合平截面假定，预应力高强钢丝网锚具加固技术抗动载及疲劳性能满足公路桥梁应用要求。
五、高强不锈钢拉吊索及更换技术
拉吊索长期处于高应力状态，对外界侵害比较敏感，易出现防腐层老化、钢丝锈蚀、断丝等病害 ，一般拉吊索使用寿命<15年，锈蚀问题一直没有彻底解决，高强不锈钢拉吊索及更换技术。
1、普通拉吊索
2011年4月12日，新疆孔雀河吊杆断裂、桥梁坍塌；
2011年7月14日，福建武夷山公馆桥吊杆断裂、桥梁坍塌。
攀枝花倮果桥，1995年建成通车，2003年发现吊杆锈蚀后更换了新吊杆，然而今年12月10日吊杆又断裂，导致桥梁出现重大危险，新旧吊杆使用均不足10年。索断桥塌 锈蚀是主因。
2、不锈钢材料作为一大类合金钢，不仅具有优异耐蚀性，力学性能、工艺性能等也很优越，受成本和材料性能所限制，特别是桥用钢丝要求具有高强和高韧性的性能，因此在桥梁中很少应用。
3、用不锈钢做拉吊索最担心的就是强度不够，但经过对不锈钢的研发，改良，工艺上的不断试验与提高，强度有很大的提高，延性效果也比以前更好，比市场上普通的钢索的性能要提高了很多，在国内外首次研究开发出了强度1250MPa、断裂延伸率超过4％的桥用不锈钢丝 。我们还在做不锈钢拉吊索的试验研究工作，在不牺牲其延性的基础上，从配方、工艺试验上不断的提高不锈钢的强度，这样可以节约成本。强度提高10%，材料就可以节省10%。争取将强度提高到1570-1670MPa。而对于现已有的研究成果将继续完善它的性能。
4、高强不锈钢拉吊索及更换技术：“索”“桥”同寿命的思考，制约不锈钢材料应用于拉吊索设计的一个重要的原因是成本因素，目前不锈钢的价格远高于普通碳素钢。一座吊杆拱桥的索大概占桥梁总成本的5%，如果用不锈钢索，将约占10%左右
随着不锈钢冶炼、轧制技术的发展、成熟，更多牌号高强不锈钢的开发应用，两者之间的差距将会逐步缩小，换索成本较高，人工、机械等费用远大于材料的费用，并且工程势必会影响正常交通运行，造成居民出行不便，在桥梁全寿命的概念下，不锈钢索的成本具有很高的优势，将会有很好的市场前景，从“全寿命”算经济账。
5、临时支架法
6、临时兜吊法
7、相邻吊杆分担法
六、高弹性可伸缩裂缝表面封闭胶
1、采用环氧树脂进行裂缝表面封闭，高弹性可伸缩裂缝表面封闭胶，裂缝表面封闭后开裂，胶体性能满足《公路桥梁加固设计规范》，并具有高弹性裂缝封闭胶可随其活动自动张合，有效解决裂缝封闭胶开裂问题。
2、温度和湿度变化、外荷载作用、施工方法不当、高弹性可伸缩裂缝表面封闭胶。塑性收缩裂缝（一般为开口V型）、干缩裂缝（一般开口为||型）、温度裂缝、钢筋锈蚀裂缝、受力裂缝
3、受力裂缝：主要包括，弯曲裂缝、剪切裂缝、剪切裂缝(斜裂缝) 、垂直裂缝、 扭曲裂缝、局部应力裂缝
4、混凝土结构最大裂缝宽度容许值：
无侵蚀介质，无防渗要求，0.30～0.40mm；
轻微侵蚀，无防渗要求，0.20～0.30mm；
严重侵蚀，有防渗要求，0.10～0.20mm。
混凝土结构裂缝处理原则：
缝宽小于0.15mm的进行封闭处理；
缝宽大于0.15mm的进行灌浆处理。
实验表明：采用普通裂缝封闭胶，胶体出现大量裂缝
而采用新研制的高弹性裂缝封闭胶则未出现开裂现象
七、独柱墩桥梁的安全隐患与养护建议
1、随着我国桥梁建设中对桥梁美观的重视程度提高，原来的“粗梁肥柱”越来越少，取而代之的是“身材优美”的桥梁造型，尤其桥墩设计更是出现了“花瓶墩”、“酒杯墩”等先进设计理念的独住墩结构。
许多在城市过境的国省干道桥梁因为兼顾城市使用功能，在设计中强调了造型美观，多采用了独住墩结构。
桥梁除了满足城市功能之外，同时还要承载繁重的过境货物运输工作，美观与承载的双重要求，近些年来多次独住墩桥梁事故的发生，引起了我们对这类桥梁事故偶然与必然的思考，从而增添了我们心中的隐忧
2、上部结构为整体式结构，横向抗扭刚度较大，下部结构为独柱墩结构，抗侧向倾覆力矩较小，在较大偏载作用下，容易引起侧向倾覆。混凝土桥梁易发生在桥梁宽度较窄的匝道桥上。
钢结构桥梁由于自重较小，桥下横向支撑较小，中间设置独柱墩，相比较混凝土桥梁更易发生侧向倾覆。
匝道桥一般混合有弯坡斜结构，更易引起倾覆，国内常规设计一般采用三到五跨一联的混凝土箱梁，中间桥墩一般采用独柱结构，天津7.15事故即是位于匝道桥的连续箱梁侧向倾覆事故。事故一般发生在极端偏载情况下，一般来说是超载货车由于某种原因偏载行驶或偏载停留在桥上引起。侧向倾覆事故一般为极端荷载下突发事故，日常养护排查不到。
3、桥梁侧向倾覆为设计盲区，没有完善的验算标准
现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）没有抗倾覆安全性验算相关内容。新版公路混凝土桥梁规范征求意见稿已将采用整体式断面的中小跨径桥梁应进行上部结构抗倾覆验算写入规范，并要求上部结构在汽车荷载（含冲击作用）标准值效应下的倾覆稳定系数不小于2.5。钢结构箱梁，抗倾覆系数≥1.5（ BS 5400《英国钢桥和混凝土桥梁设计规范》第4.6节相关规定）
4、超载是事故发生的直接原因
据不完全统计160t左右的6轴重车在公路中行驶非常普遍，一辆多轴重车极限运输能力接近300t；梁超载车辆引起的侧向倾覆力矩是标准车辆的5.22倍
5、独柱墩桥梁的养护建议
针对独柱结构桥梁，排查安全隐患。现阶段对独柱墩结构进行抗倾覆安全性验算，大范围排查隐患，把事故扼杀于萌芽状态是当务之急。尤其应重视兼顾城市使用与过境交通的国省干线桥梁。采取安全保障措施，限制超载车辆偏载通行，加大研究投入，尽快完善设计规范，组织专业力量，研究存在隐患独柱墩桥梁的加固处治方法
6、防倾覆加固的通常做法是在独柱墩两侧增加支撑柱方式，即在承台两侧通过植筋加大承台并增加桩基，在其上方设置钢管混凝土或薄壁墩；在无法增加承台面积的情况下，直接在原承台上设置钢管混凝土支撑柱。
上面这些方式简单易行，受力明确，可以很好的改善原结构的受力状态，但是也有不足，就是只适合桥下无净空和通行要求的桥梁。
市区地段，桥下两侧兼有辅路，对于净空和道路的整体景观都有一定的要求，故此暂不推荐以上加固方式，而选用能保证加固效果的同时又兼顾净空和美观要求的方式，经过比较，采取了在原墩柱的顶部加设支撑结构的方式形成盖梁，并在其上安装新支座，新增结构力求与原设计风格统一协调。
在墩顶处设置混凝土支撑结构。混凝土支撑结构通过植筋与原墩柱连接牢固，在混凝土结构顶部设置双向滑动拉压支座，支撑在与钢箱梁侧面设置的钢结构牛腿下。
