桥梁加固基本方法
2015-05-08
桥梁是一个国家的交通、经济命脉。上世纪50年代以来，我国修建了一大批各种类型的桥梁，特别是进入21世纪，国家加大了国道主干线建设投资力度，每年完成公路建设投资超过2千亿元，新建公路桥梁数万座。这些桥梁在投入使用若干年后，由于各种因素的影响与作用，不同程度存在各种病害。桥梁加固是针对正在使用的旧桥进行检测、评定、维修、加固、改造等技术对策的总称。与桥梁的日常维修养护不同，维修养护是桥梁保持正常运营状态的保护性和预防性的工作，而加固却是从承载受力的角度来处理的。因此，为了保证结构的安全，需要采取有效的加固改造措施来恢复和提高这些桥梁的承载能力，以发挥投资的最大效益。下面将对公路桥梁加固领域较为常用的方法或手段作以介绍：
1.1 桥面板补强加固
桥面板与铺装层是直接承受车辆轮压的承重结构，检测时常发现桥面板混凝土出现破碎、断裂、磨耗、裂缝、露筋、剥离等情况，不仅影响行车舒适性，还会造成预制结构单板受力，对结构安全造成隐患。针对桥面病害常采用桥面板补强的方法进行处理，即在旧有的混凝土或钢筋混凝土桥面板上，重新加铺一层混凝土或钢筋混凝土补强层，这种方法既能修补已出现裂缝、剥离等损坏的桥面板，又能维持或增加原有梁板的有效厚度，增加了梁板的抗弯能力，改善了铰接梁板的荷载横向分布，从而提高了桥梁的承载能力。
1.2 增大截面加固
增大截面加固法是在原结构基础上再浇筑一定厚度的钢筋混凝土，这是对钢筋混凝土桥加固的一种常用的改造技术。这里一般指加大主梁梁肋的高度和宽度。该法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验，适用于较小跨径的T梁桥或板桥的加固，也常配合其他加固方法共同使用。采用此法加固后桥梁刚度明显提高，承载能力也能取得较好的效果。但该法要求被加固的桥梁下部结构能够承受更多的自重，能够提供更高的承载力。且现场施工的湿作业时间长，对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小。
1.3 粘贴钢板加固
粘贴钢板加固法是以化学粘结剂粘接或螺栓连接钢板与混凝土，使其与原有的混凝土成为整体，从而提高结构承载力、增大延性、刚度并满足正常使用要求的加固方法。按粘贴方法可分为注入法粘贴钢板和压粘法粘贴钢板。粘钢加固具有施工快速、技术先进、性能良好、所占空间小、不影响加固结构外观等特点，对结构的刚度提高明显，不减小桥下净空，并可在不影响交通的情况下进行施工的加固技术。但该法对钢板的防腐要求很高，且加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平，只有在荷载增加到一定程度、梁体变形达到一定范围时才能明显显现，因而加固初期效果不十分明显，但裂缝闭合、刚度提高等效果可以看到。
1.4 粘贴纤维复合材料加固
粘贴纤维复合材料加固法是采用高强度或高弹性模量的纤维复合材料，用专门配置的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件表面，使之与原构件形成整体共同受力，碳纤维与钢筋共同承受荷载，降低了钢筋应力，从而使结构达到了加固和补强效果。
目前，结构工程中常用的FRP材料有玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP)3种，其中以碳纤维增强复合材料(CFRP)应用更多。碳纤维布纤维方向分为单向和双向2种，其中以单向布应用为主。碳纤维布具有高的强度重量比和刚度重量比率、良好的抗疲劳性及高的耐久性、耐腐蚀、热膨胀系数低等特点。
该法特点是几乎不增加结构自重和截面尺寸；不改变桥下净空高度；施工方便；对原结构几乎不会造成新的损伤；具有良好的耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能；优异的力学性能，可有效应用于多种结构补强，包括抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的扩展，增加结构的延性；根据受力分析可进行多层粘贴进行补强，其方向性也可以灵活掌握。此外碳纤维质地柔软，可在不改变结构外型的前提下补强各种混凝土结构物，加固后可用混凝土砂浆涂敷，或根据要求涂装各种颜料，修复补强不留痕迹。
1.5 体外预应力加固
预应力技术是20 世纪最具有革命性的结构构思，已广泛用于土木工程和建筑工程。预应力加固技术在桥梁加固中的应用，具有更为特殊的意义。桥梁结构预应力加固体系主要有三种：体外预应力加固体系；有粘结预应力加固体系；高强复合纤维预应力加固体系。
体外预应力体系由四个基本部分组成:体外预应力索、体外索锚固系统、体外索转向装置和体外索防腐系统组成。
体外预应力加固是通过增设体外预应力索（包括高强钢丝束，钢绞线或高强度粗钢筋等作为施力工具，对梁体主动施加外力，以预应力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，从而达到改善桥梁使用性能和提高结构承载力的目的。体外预应力加固是目前公路桥梁改造工程中采用较多的加固方法，特别适用于大跨径预应力混凝土连续箱梁和连续刚构箱梁桥的加固。
该法优点是：可平衡卸掉部分恒载；能充分发挥加固材料，能够较大幅度地提高结构的承载能力和结构刚度；体外索变化幅度小，无疲劳问题，便于更换体外力筋；能够有效的控制原结构的裂缝和挠度，使裂缝部分或全部闭合，使挠度大幅度减小，能明显改善原梁的抗裂性能,提高结构的耐久性；能够控制和调校体外索的应力；可在不中断交通的条件下进行,对桥梁的运营影响小；所需要的设备简单，施工工期短，经济效益显著。
1.6 改变截面形式加固
（1）箱梁式
将多梁式钢筋砼T 型梁桥的下端封闭，使桥梁由开口的П型转换为闭合的箱型结构，提高截面的抗弯、抗扭刚度，主要适用于T 型梁或П型梁桥。加固效果较好，但施工时在桥下工作，操作空间受到限制，特别是箱型梁底板砼的浇注较困难，该法与增设横隔板加固有相似之处。
（2）马蹄式
采用在T梁梁肋两侧各增设钢筋混凝土马蹄，将增强主筋与原梁肋下缘主筋布置在同一平面内并有效加以连接，以达到在承受活载时共同受力、协调变形的目的，可大大增大梁的抗弯、抗扭刚度，提高桥梁的承载能力。这种方法加固工作量小，施工方便、快速便捷，工期短，投资省，加固效果显著，与增大截面法有相似之处。
1.7 简支变连续加固
简支梁的跨中弯矩较同跨径的连续梁、拱式或桁架式体系要大得多，通过在相邻简支梁支点区域进行连接处理，将简支梁桥变为连续梁桥以降低跨中计算弯矩，即称为简支变连续加固法，其中包括钢筋混凝土结构连续和预应力混凝土结构连续，预应力混凝土结构连续又可分直束和弯束两种，是“变被动加固为主动加固”的加固方法。该法不足之处是一般会拆除并重新铺装部分桥面，增加了工程量和费用。其加固效果受支点连续构造处的施工质量影响较大。
1.8 主梁拓宽
当梁体结构基本完好，桥面需要拓宽改造时，常用方法有多种，其中包括：增设钢筋混凝土悬臂挑梁、单边新建桥梁、增设主梁等。当采用增加主梁的方法进行拓宽改造时，新增加的主梁一般设置在边梁外侧。就具体拼接方式而言，目前主要有上部结构与下部结构均不连接、上部结构与下部结构均连接和上部结构连接、下部结构不连接三种方式。
1.9 增加横向联系
对于因横向整体性差而导致承载能力降低的桥梁结构，可以采用增加横隔梁的方法进行加固。通过增设桥梁横向联系改善上部结构的荷载横向分布规律，从而提高桥梁结构整体承载能力。这种加固方法一般用于无内横梁或少内横梁的T 形截面及工字形截面梁式桥。
1.10 钢丝网复合砂浆加固
钢丝网复合砂浆加固法是在混凝土构件表面铺上钢丝网，复合砂浆作为保护和锚固作用，使其共同工作整体受力，以提高结构承载力的一种加固方法。钢丝可采用预应力平行钢丝或普通钢筋，其实质是一种体外配筋，提高原构件的配筋量，从而相应提高结构构件的刚度、抗拉、抗压、抗弯和抗剪等方面的能力。钢丝网复合砂浆加固基本不增加结构自重，高强、高效、适用面广、耐久耐蚀性好及施工便捷。在欧、美、日等西方发达国家，钢丝网复合砂浆加固、补强技术研究起步较早,发展比较成熟，而国内开展这方面研究较晚。近年来，研究人员虽做过一些试验，并已应用于工程实践，但基本上还处于起始阶段。.
1.11 置换混凝土加固
该法的优点与加大截面法相近，且加固后不影响建筑物的净空，但同样存在施工的湿作业时间长的缺点。适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。
1.12 粘结外包型钢加固
该法也称湿式外包钢加固法，特点是受力可靠、施工简便、现场工作量较小，但用钢量较大，且不宜在无防护的情况下用于60℃ 以上的高温场所。适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。
1.13 拱圈下套拱加固
常用于圬工拱桥，由于属超静定结构，受力复杂，一旦出现裂缝，其受力截面会发生应力重分布，也就意味着受力有效截面变小，结构应力增大，承载力降低。因此，对该桥采用变截面钢筋混凝土下套拱进行了加固处理，即在原拱圈下及桥台前墙、铺底底面浇筑一层卵壳形钢筋混凝土套拱，并通过锚杆使套拱与原拱圈及桥台紧密结合共同受力，以阻止拱圈及桥台裂缝、变形。这种加固技术主要是利用增大受力截面和“卵壳效应”，使旧拱桥整体受力均匀，达到增强整体性、提高承载力的目的。
1.14 改变拱肋截面形式加固
增强拱肋之间的横系梁有助于使拱上荷载的分布更为均匀，从而降低单根拱肋所承受的荷载，提高了拱桥的承载能力。工程上常见的肋拱桥加固将拱肋用钢筋混凝土箱全部或部分封闭，以增强横系梁的抗扭刚度，改善拱肋的荷载横向分布，使其整体受力性能得以提高，避免在偏、重荷载作用下单肋承受过大荷载而发生过大的变形，从而有效提高钢筋混凝土肋拱桥的承载能力。
1.15 更换吊杆和系杆加固
我国中、下承式拱桥数量较多、分布广泛，大多采用柔性吊杆，当拱桥主体结构尚好，但其吊杆或系杆等会因为疲劳以及防护不当等原因而产生较为严重的病害，有的甚至产生断裂，造成车辆和人员的损失。因此，当拱桥的吊杆或系杆不能满足正常运营要求时，就必须对其进行更换和加固。
1.16 更换拱上填料加固
很多已建成多年的圬工拱桥和双曲拱桥的拱上填料厚度较大，恒载往往占有很大的比例，桥梁承载能力的绝大部分需要克服恒载自重。随着车辆荷载的不断增加造成大部分桥梁的承载能力不足，相应造成主拱圈的开裂，发展成为病危桥梁。将拱上填料换填为轻质材料，以达到通过调整拱上恒载的方式来调整压力线，使主拱圈的压力线与拱轴线尽可能的接近，以达到减小拱内弯矩的目的。同时，当桥梁承受活载的能力下降以及桥梁基础承载能力受到限制，不能满足加固拱圈和提高活载所增加的承载能力要求时，还可采用减轻拱上建筑自重的方法对拱桥进行改造，以降低对下部结构的要求，减轻主拱圈的负担，实践证明，这种方法是一种经济有效的措施。
1.17 钢管混凝土拱脱空注浆加固
钢管混凝土的最大特性就是钢管和混凝土的套箍效应，当钢管混凝土拱中出现多处或大面积不密实状况，钢管与核心混凝土之间会发生内力重分布，从而大大降低该构件的承压能力以及稳定性，为结构的安全运营埋下安全隐患。对于钢管砼此类病害可采用管内压浆的方式进行加固，恢复其承载能力。
1.18 钢管拱外包混凝土加固
从钢管混凝土拱桥自身结构特点出发，拱圈作为拱桥决定性的主要承载构件出现病害的机率较高，常见的病害类型如钢管砼拱整体性差、钢管锈蚀严重等。处治这些病害一般采用外包混凝土进行加固。该法经济、安全、施工方便，加固后可显著提高主拱圈的承载能力。
1.19 拱桥顶推加固
在恒载及活荷载的作用下，拱桥桥台基础将承受巨大的垂直力及水平推力，并伴随产生台后填土的压缩及基础的沉降，从而引起拱桥拱轴线的变化及拱顶的下沉。顶推加固法通过推力系统施力对拱脚进行顶推，调整拱轴线以缓解拱顶下沉。
1.20 增补静压桩加固
静压桩施工在我国很早就开始应用，到上世纪80年代，随着压桩机械的发展和环保意识的增强，这种方法得到了进一步推广。该法通过静力压桩机以压桩机自重及桩架上的配重作反力将预制桩压入土中，对于房屋、水利、桥梁、隧道、港口、堤岸以及码头等工程建筑物或构筑物基础的沉降、滑移、纠偏、提升等工程处理，特别是一些空间环境狭小工程基础的加固处理，具有方便灵活的特点，效果显著。在桥梁加固工程中，特别是对软土地基处理应用较多。用于静压桩施工的钢筋混凝土预制桩有RC方桩、PC管桩、PHC管桩和PTC管桩，有的地区还采用外方内圆空心式钢筋混凝土预制桩。
1.21 上部结构顶升处理
支座是桥梁结构上、下部的连接点，但由于年久失养或橡胶支座本身老化、钢板支座锈蚀失效等问题，有些已直接影响到桥梁结构安全，需要对支座进行更换，使之恢复功能，这就需要采用主梁顶升的施工方案。桥梁结构在复位、加高时也常常采用上部顶升处治方案。
1.22 台背换土
桥头地基土质不良常常造成地基沉陷，尤其当桥头路基填筑高度较大，就会产生较大的基底应力，在自重和车辆荷载作用下，沉陷很容易发生，因此台背一定范围内须采用模量比较大、容易压实的材料进行换填，例如石灰土、级配碎石、砂粒等，也可采用轻质路基填料如泡沫聚苯乙烯、粉煤灰等。通过换填来减小路基的压缩变形，从而减少沉陷的发生。
1.23 地基注浆加固
桥梁基础加固施工时，往往存在施工场地狭小，大型机具无法进场等问题，同时也存在施工相关地质资料缺失，基础土层分布不均，地基承载力难以判断等困难，注浆法加固桥梁基础作为一种简单易行的施工方法能很好的克服上面的困难，有效地提高桥梁地基承载力以满足使用要求。注浆法加固地基是一种用气压、液压或电化学原理把某些能固化的浆液通过压浆泵、灌浆管均匀的注入各种介质的裂缝或孔隙中，以填充、渗进和挤密等方式，驱走裂缝、孔隙中的水分和气体，并填充其位置，硬化后将岩土胶结成一个整体，形成一个强度大、压缩性低、抗渗性高和稳定性良好的新的岩土体，从而改善地基的物理化学性质的施工工艺。
1.24 高压旋喷桩加固桩基
高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，利用高压设备将浆液或水以20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出，冲击破坏土体，同时钻杆以一定的速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体，即旋喷桩，它具有增大桥台或桥墩处地基强度，提高基础承载力、止水防渗，减少支档结构物压力，防止砂土液化和降低土的含水量等多种功能。
1.25 钢花管注浆锚杆加固桥台
我国很多地方的桥梁的桥墩、桥台采用圬工砌体材料，由于车辆轴重的不断增加和车速的提高，在长期动荷影响下，圬工砌块间的砂浆体逐渐疏松而导致墩、台出现开裂等病害，有的甚至垮塌，引发事故。钢花管注浆锚杆加固就是常采用的一种加固方法，它利用锚杆框架的力学原理对桥台进行整体性加固。
1.26 抛石防护
抛石防护适用于经常受流水影响的路基边坡坡脚以及挡土墙、护坡的基础防护。目前在桥梁加固领域一般应用在桥梁水中墩台基础的防护方面，常用铅丝、型钢或钢筋组制成的网状体，里面装入卵、砂石进行防护。
