浅析道路桥梁结构病害与加固方法
2015-07-09
1 桥梁病害及分析
1.1 病害衡量标准
定性地衡量改建前、后桥梁刚度及承载能力提高程度，目前常用“刚度提高度”和“承载能力提高度”两个指标。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。
1.2 常见病害
1.2.1 梁、板等部位构造和受力裂缝
梁体主要受力区在荷载作用下，截面应变符合截面假定，截面应力较小，梁体在荷载作用下没有开裂或原有裂缝稳定，没有新的扩展，结构的使用状态没有问题，这种裂缝为构造裂缝；梁体由于被撞而造成钢筋或预应力钢丝断裂，使梁体现有配筋与原设计相比减少，结构的极限强度降低而产生的裂缝为受力裂缝。构造裂缝的成因，主要是环境温差、施工养护不当等因素。受力裂缝则是由于结构刚度不够、承载能力不足引起，这种裂缝对结构安全影响大，须谨慎对待。
1.2.2 梁体、墩台等局部破损，漏筋
梁体主要受拉区在荷载作用下开裂或原有裂缝有扩展，钢筋应力较大，结构使用状态出现问题；但梁体本身受压区未破损，受拉筋未损失，结构的极限强度并未减少。这类病害主要是施工质量问题造成的，另外，桥梁年代久远、结构性能退化也是病害原因。
1.2.3 桥面变形及破碎
桥面纵向变形多呈波浪形，高差尚不很大。但桥面破碎现象甚为严重，在墩顶附近伸缩缝处裂缝尤其发达，以致破碎露筋。
1.2.4 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，在墩顶处及伸缩缝处裂缝尤其发达，以致破碎脱落。此类破坏是由车辆冲击荷载反复作用而产生。伸缩缝病害包括：伸缩缝本身的破坏损伤、锚固件损坏、接头周围部位后铺料的剥落、凹凸不平等，这些病害也成为伸缩缝处漏水的原因，从而加速支座和结构本身的恶化。造成伸缩缝损坏的原因有：设计考虑不周、施工质量差、养护不及时等。伸缩缝损坏后影响到路面，造成行车不平顺，增加不安全因
素；如伸缩缝顶死，将使主梁损坏乃至报废；伸缩缝胶条破坏还会造成雨水下渗， 使支座及附近主梁部位产生钢筋锈蚀、混凝土剥落等一系列病害。
2 桥梁加固设计思路
一般来说，桥梁的加固包括现有桥梁的改造及病害的修复。加固设计是以实测数据为依据，以现行规范为标准，对现有结构进行补强设计，使现有结构在补强后能满足原设计要求或满足规范和正常安全运营的要求。桥梁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：
2.1 桥梁结构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；
2.2 建立既有桥梁维修、加固、重建的经济分析模型，选择技术可行、经济合理、对现有交通干扰较小的方案实施；
2.3 根据评估及经济分析，得出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；
2.4 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；
2.5 加固施工中，应采取安全监测措施，确保人员及结构安全。
3 桥梁加固方法分析
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。这些措施有直接针对整个结构的，如体外预应力的应力状态，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，采用不同的加固方法。
3.1 预应力加固法
施加体外预应力加固是指应用预应力原理，以梁身为锚固体，通过张拉，对梁的受拉区施加压力，以抵消部分自重应力，减少在活载应力下的应力增量（对梁起卸载作用），从而减少和避免梁上出现裂缝，提高其耐久性，可作为重车通行的临时加固手段，也可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。该方法具有操作简单、对原结构损伤小、不影响交通、节省投资的优点，能显著提高结构承载力和抗裂度，有效改善结构的应力状态。体外预应力加固法的缺点在于预应力筋暴露于体外，防锈蚀、防水性差，与梁体的连接点少，要给以切实有效的防护措施，防止预应力筋锈蚀和因碰撞而断裂。车辆通过时，这些体外拉杆是上部结构的组成部分并与原有梁体共同受力形成超静定体系，各拉杆的张拉力将自动增加，进一步起到加强作用。与通常的预应力混凝土结构相比，预应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改善和调整原结构的状态，提高结构刚度、抗裂性。该方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。
3.2 桥面铺装层加固法
首先用切割机将修复的桥面铺装层与暂不修复的部分切割开来，以免凿除修复部分时殃及邻里。切割时，应注意切割的深度，避免切断铺装层钢筋，使修复段与未修复段钢筋无法连接，形成新的施工缝，从而影响桥面铺装层的整体性。因此，切割的深度应以切割到钢筋为准，下面的部分采用凿除的方式。凿除后的桥面表面处理，直接影响着后期桥面铺装层的施工质量及使用寿命。旧混凝土表面粗面时，可采用人工在表面用凿刀进行轻击的方式进行，同时要掌握好力度。对凿除铺装层后的桥面进行检查，缺陷处用聚合物水泥砂浆或聚合物细石混凝土进行修补。凿除桥面铺装层过程中，常留下粉尘、碎水泥混凝土块及油迹污迹等，必须通过清冼进行彻底的清除。最后用高压空气或高压水枪进行完全清洁。作业时应进行地毯式地检查并清除一切可能存在的污垢，对边角的清理要充分重视，使桥面新鲜、洁净。 3.3 桥面植筋加固法
服役中的旧桥，很大一部分是钢筋混凝土桥面，有些虽经长期运营可损坏不是很多，基本完好，但面对交通量的增长开始出现不堪重负的倾向，对这些旧桥面如完全凿除换铺新桥面，一来费工费时；二来并不经济。对此，可采用植筋技术，在旧桥面上加一层新桥面，这样不仅充分利用了旧桥面，而且缩短施工时间，经济效益也很显著。采用植筋技术，对旧桥面的处理比较简单，可以进行高压水喷、喷沙、凿毛等简易处理，然后平行旧桥面钢筋，按计算深度钻孔（同原钢筋的间距并满足钻孔操作要求），将钢筋植入孔内，再采用同级别的砂浆填孔，并浇筑新的桥面层。
桥面加固中，新旧桥面的连接是个薄弱环节，尤其是界面的抗剪强度。采用植筋技术以后，界面的抗剪强度大大提高，植入的钢筋对旧桥面也起到一定的加强作用。但该方法计算比较复杂，不仅要计算新桥面层的厚度，还要计算剪力植筋的埋深。另外，植筋点的选择也是一个问题，既要避开原钢筋，还要保持一定的钢筋间距。另外，植筋后要往孔内注入砂浆，砂浆的膨胀和收缩也是一个需认真考虑的问题。
3.4 裂缝-塞缝灌浆法
3.4.1 特点
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，因钢筋混凝土构件产生的裂缝较小，易灌满，黏结性好；环氧树脂砂浆多用于桥面裂缝。该方法可以充分提高桥梁的承载力，但是环氧树脂砂浆的配制、使用复杂，造价较高。
3.4.2 施工流程
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。钢筋混凝土桥梁结构裂缝加固施工流程如下：
（1）根据裂缝数量、长度及宽度，进行化学压浆配量、埋嘴、灌浆等方面的计算和安排。
（2）在裂缝交叉处钻孔，钻孔后用高压空气将孔眼吹干净，然后沿裂缝自上而下将两边的灰尘、浮浆用小锤、毛刷依次进行处理，将构件表面整平，凿除突出部分，然后用丙酮擦洗，清除裂缝周围的油圬。
（3）用砂纸除去压浆嘴底盘的铁锈，并用丙酮清洗干净，用502 胶将底盘与孔眼对准粘贴在裂缝上，然后用环氧树脂胶泥沿裂缝走向进行封闭。
（4）环氧封闭带固化后，进行气密性检查，检查封闭带是否封严。在封闭带上及灌浆嘴周围涂上肥皂水，通气后如发现封闭带上有泡沫出现，说明该部位漏气，对漏气部位可再次封闭。密封检查完毕，根据裂缝长度、宽度、部位及现场施工温度，配制环氧树脂压浆液，即配即用。
（5）将配制好的环氧树脂胶浆（配比见表1）倒入压浆罐内，盖上盖子拧紧，待空压机压力在0.1～0.2 MPa时，打开出浆开关，并注意观察压浆管里浆液的流动情况，如果进浆不顺畅，可把压力适当提高。
压力灌浆的顺序为：顶板及底板裂缝可由左向右、由低端逐渐压到高端；对于竖向裂缝可由下向上逐渐灌注，从一端开始压浆，当另一端压浆嘴排出裂缝内的气体后喷出的浆液与压入的浆液相同时，停止压浆，持压下封堵压浆嘴。
（6）对已灌浆的裂缝，待浆液固化后将压浆嘴一一拆除，并将粘贴压浆嘴处用环氧胶泥（配比见表2）抹平，尽量使其颜色与原混凝土结构表面保持一致。
4 结语
总之，近几年多次出现了桥梁跨塌等事故，给人民的生命财产造成了巨大的损失。为保证旧桥安全使用，又不必投入较大的重建资金，首先应尽早及时发现病害，进行系统的病害调查与检测，弄清病害发生的原因，然后在此基础上，提出方案并进行比较，最后选择一种切实可行的加固方案，达到既延长桥梁使用寿命，又降低其养护费用的目的。
