旧桥加固技术研究与案例分析
2014-08-14
文本摘要：随着时间的推移，任何公路桥梁都将成为旧桥，都会因各种原因不同程度地存在缺陷、病害需要维修、加固和改造。江西省大部分二十世纪六、七十年代修建的、设计荷载标准较低的公路桥梁仍在服役，截止2000年底，江西的危桥有427座, 13849延米, 旧危桥改造任务十分繁重，全部推倒重来的思想既不现实，也不科学，更不应该。
关 键 词：公路旧桥加固 西河大桥 大桥病害 黄花大桥
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一、问题的提出
随着时间的推移，任何公路桥梁都将成为旧桥，都会因各种原因不同程度地存在缺陷、病害需要维修、加固和改造。江西省大部分二十世纪六、七十年代修建的、设计荷载标准较低的公路桥梁仍在服役，截止2000年底，江西的危桥有427座, 13849延米, 旧危桥改造任务十分繁重，全部推倒重来的思想既不现实，也不科学，更不应该。因此，我省在八十年代初，在不断提升技术等级的公路改造、改建过程中，即开始公路旧桥加固改造技术的研究与实践。先后针对不同桥型、不同的加固技术和方法，完成了多项旧桥加固改造方面的科研项目，取得了显著的经济效益和社会效果，其中两项获江西省科学技术进步奖。由于旧桥检测、评定与加固技术是一项既综合复杂又在不断发展和更新的技术，也是公路工程技术人员共同关心的热点问题。所以，下面简要介绍江西省在公路旧桥加固技术的一些研究成果和实桥情况。
二、主要开展的科研项目介绍
1、我省于1983年完成“提高小型梁板桥承载能力的研究”，为定性地衡量改建前后桥梁刚度及承载能力提高程度，提出了“刚度提高度”和“承载能力提高度”两个指标，以及计算方法。两者反映的是全桥状况，前者指全桥刚度提高了的倍数，后者指全桥承载能力提高了的倍数。该项成果多次被外省引用。
2、1988年～1991年完成的“锚喷砼加固双曲拱桥的研究”，使一座五孔跨径45米的双曲拱桥由原设计荷载：汽－13，拖－60，提高到汽－超20，挂－120，并安全通过总重134吨的超重车。该项成果，经交通部科技情报所检索查新证实，在当时属全国采用锚喷砼加固桥梁中，跨径最大、提高桥梁荷载等级最多。
3、1994年成功完成全国首座梁底侧采用体外预应力直索加固提载梁式桥的研究，并同时采用锚喷技术，解决了体外预应力索锈蚀和受温度变化失效的技术难题。
4、1996年完成了“带挂孔普通钢筋砼双悬臂梁桥加固研究”课题，成功地应用钢纤维砼解决了桥面负弯矩区砼开裂、致使钢筋锈蚀的问题。
5、成功完成悬臂式拓宽梁式桥和拱式桥桥面的研究，使净－7的桥面拓宽至净－9+2×1.5米人行道，总宽12.5米。
6、成功完成碳纤维布加固梁式桥的研究，并通过加固前后鉴定性静载试验证实了提高抗弯能力的加固效果。
7、先后成功应用粘贴钢板、粘贴钢筋、外包砼和套拱法等加固桥梁上部结构；以及多种方法加固桥梁下部结构。
三、典型桥梁的加固方案介绍
1、德兴香屯大桥（锚喷法、双曲拱桥）
1.1 大桥设计简况
香屯大桥是通往德兴铜矿公路上的一座大桥，1969年8月竣工通车。
大桥设计荷载为汽—13，拖—60，桥面净宽为净-7+2×0.25m。上部构造为5孔45m（矢跨比1/6）的双曲拱，横向6肋5波。下部构造为重力式实体桥墩和加后座的U型桥台。除德兴台奠基于密实卵石层以外，其余墩台均建于千枚岩基岩上。
1.2 香屯大桥病害状况
（1）主拱圈裂缝
①主拱圈中波纵向裂缝，检查时发现各孔中波波顶均存在纵向裂缝。
②肋、波连接处裂缝。各孔拱波与拱肋连接处大部分均发生裂缝。
③拱肋裂缝。各孔拱肋均有横向裂缝，有不少是U形裂缝，这些裂缝多发生在拱顶前后10m左右范围内。
④横系梁裂缝。为数较少但除第1、4孔外均有发现。
（2）主拱圈轴线下降
主拱轴线普遍下降，拱顶下降5～18cm，L/4点下降0～9cm，而且上下水下降值很不一致。
（3）桥面变形及破碎
桥面纵向变形已呈波浪形，但高差尚不很大。而桥面破碎现象甚为严重，且集中在3、4、5孔及两台后座上，在墩顶附近伸缩缝处裂缝尤其发达，以致破碎露筋。
（4）腹拱、立墙病害
腹拱及立墙均为浆砌片石材料，由于防水层质量差，许多腹孔及立墙上均有渗水痕迹，以致发现不少因长年流水侵溶悬挂着的“石笋”。腹拱圈及立墙上也发现有裂缝。
（5）桥台后座变形严重
两桥台后座挡墙与桥台连接处沉降缝均增大至8～10cm（设计为2cm），且从外部可见内部填料中的空洞。在横向、后座两挡墙均偏出桥台外缘5～8cm。后座上桥面沉陷多次,修补时发现其填料在上层2m左右为煤渣，车辆通过时，煤渣则由沉降缝处外泄，因而其上路面不能稳定。
⑤墩台身裂缝
各桥墩上均存在竖向裂缝，反映了施工时混凝土浇筑及水泥、骨料质量的一定问题，但裂缝多般为早期出现的许多裂缝，因年代较久，沿缝出现白色晶体析出物。
浆砌片石桥台上亦发现不少竖向、斜向裂缝，但较细微。
1.3 香屯大桥加固设计要点
通过对该桥进行检查及分析的情况来看，尚未发现墩台基础出现病害的反映，即使是置于非岩石基底上的德兴岸桥台亦未发现位移的迹象，所以大桥的加固主要针对上部构造和桥台后座。
1.3.1 主拱圈加固
原横系梁尺寸偏小，横向联系差，属薄弱构件，针对这一病害，将原横系梁由116×15×18cm加大截面尺寸至116×15×50cm，把拱顶部分三根横系梁改为横隔板116×30×84cm，以加强横向整体性，使全拱宽共同受力。除端系梁外，其它横系梁原定用喷锚技术施工，后改为预制安装。
由于主拱圈受力大，裂缝多，采用拱肋及拱波部分外包钢筋网并喷射25#厚6cm砼加固拱圈截面，以提高各孔的整体刚度和承载力，为使拱脚应力减小，在每跨拱脚至第二腹孔的拱圈顶现浇30#钢筋砼， 厚10cm，其设计图如下：
1.3.2 桥面
原桥面缺乏稳定而坚实的基层，整体性差，有必要将原桥面彻底清除，并挖除部分砂砾垫层（如是非砂砾填料，必须挖除，换上砂砾填料，夯实），再加铺水泥稳定砂砾基层，厚15cm，其上浇筑20cm厚钢筋砼桥面。
1.3.3 桥台后座加固
将桥台后座上路面除去，改成30#钢筋砼单向简支预制板，厚35cm，支承于两侧墙上。用Φ24mm的锚固钢筋使之与侧墙相接，其上铺装15cm厚30#砼桥面,钢筋砼板与后座填料间留有空隙，以使活载压力直接作用在侧墙上，从而减去了活载引起的对侧墙的土压力，并增加侧墙抗剪能力和基底摩阻力。
1.4 加固后承载能力评定
（1）在汽—超20主要组合荷载，挂—120附加组合荷载和特挂—150附加组合荷载作用下，预测各测点应力，变形和裂缝宽度均满足规范规定的容许限值，因此本桥能承受汽—超20，挂—120和特挂—150。
（2）本桥采用喷锚混凝土补强提高旧桥承载能力达到预期效果。
（3）本桥喷锚混凝土补强层与旧桥共同作用是不完全的。由于喷锚混凝土中存在空穴，结合粘结强度不高等原因，共同作用程度仅达65.6%。建议今后采用“湿喷法”进行锚喷施工，提高新旧砼共同作用程度，使喷锚混凝土层与旧桥起到完全的整体作用，提高加固效果。
（4）由于老桥收缩、徐变已基本完成，所以喷锚混凝土不承受原桥及自身恒载，在工作阶段仅承受活载，故喷锚混凝土强度不控制。
2、320国道灵溪大桥（体外预应力直索加锚喷法、梁式桥）
2.1 灵溪大桥概况
灵溪大桥位于320国道上，原是一座年代已久的老式桥。该桥于1970年10月由七孔不等跨八字撑架木梁桥改建成七孔不等跨简支钢筋混凝土梁桥，全长119.99m，上部构造为四梁式T梁。下部构造均为重力式墩台、八字墙。设计荷载为汽—13、拖—60，桥面净宽为净-7+2×0.5m人行道。320国道改建成二级公路后，该桥通过的交通量较大，并常有200—300KN左右载货重车经过，且来往行人及自行车、板车亦较多。因此该桥成为全线缩颈段，时有交通事故发生。为确保交通畅通，与行人和车辆交通安全，经上级批准，将此桥加固和拓宽为荷载标准汽—20，挂—100，桥面净宽为净-9+2×1.5m人行道。
2.2 灵溪大桥拓宽加固方案
2.2.1 拓宽加固
灵溪大桥两端引道已改建为二级公路，混凝土路面亦已修建完成。另改桥位新建已属不可能。故仅就地改建或拓宽加固两种方案进行了比较。
（1）就地改建方案。为了不中断交通，就地改建就必须搭便桥，由于桥下水深常年在3～4m左右（因下游建坝），搭便桥费用较高；且改建需拆除原有上、下部结构物，又需一笔可观费用。但改建后，各桥孔跨径标准全部结构都是“新”的，在心理上感觉更美观、耐用、可靠。
（2）拓宽加固方案。此方案可不需搭便桥，只需适当控制交通，边通车边拓宽加固。由于可以利用原有墩台，拓宽加固主要在上部构造上进行，因而可节约更多投资。只要拓宽加固方案得当，亦可满足设计荷载要求。但桥孔尺寸长短不一，原桥混凝土标号低，又有一定的病害，虽经拓宽加固，似乎总感觉不如新桥。
经过研究讨论，认为按照江西现时公路建设资金紧张的状况，能节省的建设费用应尽量节约、以投入到其它必需的建设项目中去，故应选择拓宽加固方案。
2.2.2 原桥主梁加固增强方案
加固增强方法很多，如：①以锚喷或现浇混凝土方法增加T梁受拉区钢筋及加大梁身断面；②以钢板粘贴加固增强；③以体外预应力加固增强等。据计算，原主梁增强至能承担汽车-20级，挂车-100的设计荷载需增加较多钢筋，费用较高，故不选用①法；②法因钢板外露，需经常养护且粘贴钢板不易使其紧密与梁身结合，故亦未采用。③法所需钢材较少，且施加预应力可使梁裂缝减少或闭合，施工也简便，但也存在预应力钢材防锈蚀问题及加强经常养护问题，同时预应力钢材直接受大气温度影响较大。经反复研究，决定采用先用体外预应力加固增强，再以喷射混凝土将其覆盖的方案。此方方案既可解决预应力钢材防锈蚀问题，又可避免其直接受大气温度影响，同时喷射混凝土后尚可增加梁身抗剪能力。
（1）利用墩顶上两孔梁端空间设置现浇横向悬臂挑梁，其上安装预制的微弯板。
（2）在挑梁悬臂部分架设预制的π形人行道梁。两边桥孔人行道梁较主梁长，一端支承在边墩挑梁上一端支承在路堤上特设的支墩上，此举系为了避免加宽桥台。
（3）在人行道梁内侧的凸缘与旧桥面板间，用25号混凝土浇筑桥面加宽部分，桥面铺装层混凝土同时浇筑形成净-9m行车道，在桥面铺装层及桥面加宽部分，均设置了钢筋网，使整体性能加强。
（4）桥面伸缩缝设置在挑梁顶中心，将行车道铺装延伸搭架在挑梁上形成。挑梁上桥面铺装层下垫设二层油毡，使其能随温度收缩。伸缩缝中充填聚氨脂材料。
墩上悬臂梁及微弯板构造图
2.3 加固后试验结论
（1）从挠度测试结果表明，试验荷载下人行道梁和T梁挠度均很小。推算得的汽—20荷载（已考虑冲击系数）作用下T梁挠度仅为3.607mm，其f/L=1/4574；人行道梁挠度为4.142mm，其f/L=1/4104，均远小于L/600，完全满足使用要求。
从第二加载阶段挠度实测值与计算值比较表可看出，实测值大大小于相应荷载的计算值，其校验系数仅为0.329～0.369，说明人行道梁和T梁的实际刚度比理论计算用的刚度大很多，如T梁计算开裂惯性矩为0.0978m4，返算的实际惯性矩为0.14135m4，而梁的计算换算惯性矩为0.23197m4。
（2）由测试资料可知，加固拓宽前后跨中加载弯矩增大1.631倍时,实测的边T梁挠度和梁底受拉区钢筋应力仅分别增大1.071倍及1.063倍，可见该桥在加固拓宽后上部结构承载能力大，安全可靠。
（3）由测试资料推测的汽—20荷载作用下梁的应变、应力值与行人荷载、恒载作用下梁的应变、应力值均较容许值为小，可见加固拓宽后桥梁结构完全满足设计要求。
2.4 大桥加固效果评价
（1）灵溪大桥采用先以体外预应力加固T梁，后用锚喷混凝土使预应力钢束与梁体粘合的加固方法，是行之有效的，达到了预期的目的和效果。此法在国内尚系第一次使用，它不仅使梁的抗弯、抗剪强度及刚度得以增大，且能有效地防止预应力钢束因暴露在大气中引起锈蚀，也使其不直接受大气温度影响，即可使预应力钢束工作安全可靠，也减少了今后养护工作和费用。该方法具有施工设备简单、施工操作容易、施工速度快和在施工过程中基本不中断交交通等优点。尤其通过施加预应力，主梁将会产生上拱，这对改善旧桥的下挠状况是十分有利的，且可使裂缝减小或闭合。施加体外预应力与喷射砼加固旧桥的组合体根治了原结构由于裂缝等原因产生的应力集中并恢复了原结构变形的协调性，使其能抵御更大的外荷载。喷射砼包裹着预应力钢筋，既发挥了预应力的作用，又发挥了喷锚砼优越性，也解决了体外预应力钢材养护难题，经济效益十分显著，为类似桥梁的加固改造提供了一种十分有效的好途径。
（2）灵溪大桥采用在墩上浇制的悬臂梁上架设人行道梁以加宽桥面的方法，使人行道梁除承受人行荷载外，还分担了部分行车荷载，充分利用其承载能力，节约了建造新的深水墩台的费用，可供类似梁桥拓宽桥面参考。
（3）浮动式工作平台对加固梁桥是一种很经济的方法，本身安装拆散均简单，使用稳定安全。值得在桥下常年有水且不很高的梁桥加固时采用。
（4）该桥加固拓宽工艺简单，施工方便，设备少，加固费用仅95万元，如就地建新桥还需搭深水便桥，费用较大，总需要费用250万元，加固拓宽费用仅为其40%左右。经济效益显著。
（5）该桥加固拓宽施工除部分项目系在半幅通车的情况下进行的。其余均是让车辆双向通车，社会效益明显。
（6）本桥设计的重点是巧妙地利用了墩上悬臂梁来加宽桥面，避免加宽墩台，即节省了经费，又大大加快了进度，同时施工操作又简单。
（7）不同的桥梁具备不同的特点，但同类型的桥梁有着相同的特性，其加固方法可以借鉴，但也要具体问题具体分析，巧妙地利用其特性，则许多难点就可迎刃而解。如灵溪大桥墩上悬臂梁、边孔人行道梁的设置。
（8）该桥加固拓宽后营运至今，经跟踪观察使用情况良好。
3、赣州西河大桥（钢纤维砼加固负弯矩区、双悬臂梁桥）
3.1 西河大桥概况
赣州市西河大桥位于市区内，跨越章江，为该市联络东西城区及由105国道进入市区的跨江通道。该桥桥长256.2m，为9孔双悬臂钢筋砼梁桥，孔径为12.6+7×33+12.6m。悬臂孔挂梁计算跨径为14m。原设计荷载为汽—10、拖—60，桥面宽度为净-7+2×1.5m人行道。该桥于1955年按苏联标准图并参照洛河桥施工图设计，1956年建成通车。
由于大桥建成后交通量日益增多，汽车载重愈来愈大，致使该桥已在主梁正、负弯矩区、牛腿上出现众多裂缝，桥面铺装及伸缩缝亦出现破碎及其它损坏现象。由于该桥病害严重，故被禁止稍重车辆通过。1992年以来，赣州公路分局曾先后三次组织对该桥进行检查，拍摄录像。1993年在对大桥进行加固设计前，亦进行了较全面细致的检查。
3.2 大桥病害检查情况
西河大桥病害主要表现在：
（1）主梁裂缝及主梁变形
主梁裂缝主要发生在锚跨中部（正弯矩区）梁的下缘及悬臂梁根部（负弯矩区）上缘，后者大都贯穿整个车行道翼板。各裂缝宽约在0.1～0.5mm之间。此类裂缝显然是由于大量重车通过使梁的受拉区开裂，属正常现象。但由于负变矩区裂缝在上面，雨水易从裂缝渗入梁内，引起钢筋锈蚀及砼强度降低。
主梁永久性变形严重，从桥栏杆柱变化，可明显看到这种波浪起伏状态，墩台处与墩中桥面高差大者已达6cm左右。
（2）牛腿裂缝
牛腿裂缝大都发生在悬臂孔赣州方向的主梁牛腿上。裂缝大者达21mm之多，为支座附近竖直裂缝。第七孔处下水南昌方向牛腿砼在支座处脱落一块，支座钢板外移，钢筋外露，支撑其上挂梁，锈蚀严重。挂梁上牛腿裂缝较少，大多是（嵌固端）转角处斜裂缝或竖向裂缝。
在后来凿开牛腿原砼时，发现由于钢筋较密，砼有浇筑不实之处，有空洞存在。
（3）桥面及伸缩缝
桥面呈波浪状。桥面铺装层裂缝及破碎现象甚为严重，在墩顶处及挂孔牛腿上伸缩缝处裂缝尤其发达，以致破碎脱落。究其原因，可能是因桥面铺装层下是较软的油毛毡防水层，在重车及冲击荷载作用下易产生这种破裂现象。
