浅谈公路大梁上部结构加固技术
2015-06-03
引言
随着国民经济的发展，交通量和车辆载重不断加大，公路交通的负荷日趋增大，使部分早期设计修建的桥梁的既有损伤不断加重，加速了桥梁的老化、破损。特别是修建年代早、设计标准低的桥梁，病害严重，已不能维持正常使用，而只能限速限载通行，甚至不得不关闭交通，严重影响和制约了交通运输和地方经济的发展。
作为公路的重要组成部分，桥梁的质量直接影响着行车安全和公路的畅通。因此，如何对旧桥和危桥进行处理就成为目前所面临的重要问题。受资金和材料资源的限制，上述桥梁不可能全部拆除重建，而期望尽量利用既有桥梁，通过技术手段对旧桥进行技术改造，恢复和提高其承载能力。如果全部拆除新建，不仅耗资巨大，而且影响交通，给国家造成的经济损失将是无法估计的，也为我国的国情与财力所不容。而桥梁的加固费用仅为新建费用的10~20％，采取有效的加固和改造措施，提高桥梁的承载能力，延长其使用年限，以满足现代交通对桥梁的客观要求，也不失为一种解决问题的办法。国外的统计资料也表明，一些交通发达国家的桥梁建设重点已经转移到了旧桥的加固与改造方面。
1改变结构体系加固方法
1.1简支梁变连续梁加固技术
采用在简支梁下增设临时支墩或把相邻的简支梁加以连接的方法，可改变原有结构物的受力体系，将多跨简支梁的梁端连接起来，变为多跨连接梁，以改善结构的受力状况，提高桥梁的承载能力。
1.2加劲梁或叠合梁加固技术
采用加劲梁或叠合梁以增强主梁的承载能力，也是常用的改变结构体系的一种加固法。采用加劲梁或叠合梁加固时，应根据加固时结构体系转换的实际受力状态，分清主次，进行合理的抽象和简化，得出计算图式，进行补强计算。因实际结构比较复杂，各种结构部分之间存在着多种多样的联系，而决定联系性质的主要因素是结构各部分的刚度比值。故新旧结构体系可依据相对刚度大小分解为基本部分的附属部分，以分开计算其内力，如分成主梁和次梁、主跨与附跨，并注意略去结构的次要变形，从而获得较简明的力学图式。
除此以外，还有很多其他的改变结构体系的方法，如增设支架或桥墩、改桥为涵等。然而，这些方法往往都需要在桥下操作，有时还要设置永久设施，会影响桥下净空，因此仅适合在不影响通航及桥梁排洪能力的情况下使用。
2粘贴加固
粘贴加固技术是采用化学粘结剂或锚栓将补强材料直接粘贴锚固于结构受拉或薄弱部位的混凝土表面，使之与结构形成受力整体，以此来提高结构的承载力和刚度。根据所采用的补强材料不同，又可将粘贴加固分为粘贴钢板加固技术、粘贴纤维增强复合材料（FRP）加固技术。
2.1粘贴钢板加固技术
粘贴钢板加固技术是20世纪60年代末70年代初由法国、南非等国家率先应用于桥梁结构加固的，随后瑞士、日本、英国等也相继开始使用。
粘贴钢板加固法有许多独特的优点和先进性，主要包括：
坚固耐用；
（2）施工快速、简洁
（3）结构轻巧、外形不变；
（4）灵活多样；
（5）经济安全。
因此，粘贴钢板加固法在许多情况下替代了增大截面加固技术。然而，随着加固技术的不断研究和发展，粘贴钢板加固技术的不足也日益显现，主要表现在：①钢板因遭受污染大气侵蚀等原因造成各种化学腐蚀而影响其加固效果，这使得后期的养护问题变得异常突出；②由于钢板刚度较大、施工误差等原因使得结构在使用过程中容易在粘结面上发生剥离脱空，特别是钢板端部更容易发生剥离破坏，因而加固设计时一般需附加螺栓加以辅助锚固，这从一定程度上增加了施工难度并对原结构造成一定程度的损伤，导致粘贴钢板结构的抗疲劳性能不佳。为此，一种新型的粘贴纤维增强复合材料（FRP）加固技术应运而生。
3增大构件截面
3.1桥面补强层加固技术
桥面补强层加固法是将原有桥面铺装层拆除通过一定的工艺和结构措施，在梁顶面（桥面）上加铺一层钢筋混凝土面层，使其与原有主梁形成整体，达到加厚主梁高度、增大梁的抗压截面以及提高桥梁抗弯刚度的目的，提高桥梁的承载能力和变形能力。
3.2增大主梁截面和配筋加固技术
当原桥截面过小、下缘主拉应力超过容许值导致承载力不足，而桥下净空又允许时，可以采用增大主梁截面和配筋加固法，将主梁截面加宽、加高以扩大截面，并在新混凝土截面中增设受力钢筋。对T形截面梁可采用底面及侧面同时加大以及底部马蹄形加大两种加固形式。
3.3喷射混凝土加固技术
喷射混凝土加固一般不需要立模，也不需要振捣，依靠高速度的喷射将混合料连续喷敷在受喷面上即可，具有施工简单、快速、经济、不影响车辆通行等优点。采用喷射混凝土代替传统的浇筑混凝土，就可以解决传统加固方法所遇到的问题，因而具有相当大的研究推广和应用价值。
目前实际工程当中通常采用喷射合成纤维混凝土进行加固，在喷射混凝土中掺入三维分布的合成纤维来改善混凝土性能。喷射合成纤维混凝土除具有喷射混凝土抗压、抗拉、抗剪、抗弯、粘结强度高的优点外，还具备良好的抗裂阻裂性能、抗冲击性能、耐磨耐腐蚀性能、抗渗抗冻融性能以及较好的抗疲劳性和抗碎裂性。
增大构件截面加固技术适应性比较强，且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。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。但该法也存在明显的缺陷，比如混凝土构件的体积增大、自重增加、施工周期长、施工空间大等。
4体外预应力加固
体外预应力加固技术的实质是以粗钢筋绞或高强钢丝等钢材作为施力工具，对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，从而达到改善旧桥使用性能并提高其极限承载能力的目的。
体外预应力技术早期曾应用于加固工业与民用建筑，前苏联在这方面做了较多工作。但由于预应力筋转向块构造设计困难、耐腐蚀性差，体外预应力技术加固桥梁的维修养护费用很高，未能体现其工程应用上的优越性，因而在20世纪60年代前未能在桥梁工程中得到推广。
随着技术的进步，20世纪60年代后期，体外预应力筋耐久性及构造设计的一些问题部分得到解决，为体外预应力技术进一步发展奠定了基础，尤其70年代美国和法国大量的桥梁加固为体外预应力技术的快速发展提供了难得的契机。通过在桥梁加固中应用体外预应力技术，积累了实践经验并获得重要参考数据，进一步完善了设计理论，为在建设新桥梁时重新考虑使用体外预应力技术提供了依据。
由于体外预应力体系布置灵活，不仅可用来加固简支梁桥和连续梁桥，还可用来加固拱桥和钢构桥等；不仅可用来改善梁的抗弯性能，还可用来改善构件的抗剪性能；不仅可用来进行整体桥梁加固，而且可用于桥梁局部加固；不仅可用来加固桥梁的梁部结构，也能用于加固桥墩及索塔等部位，具有良好的加固效果及广阔的应用前景。但由于对预应力筋张拉时会产生预应力损失，因此，在设计中需对预应力损失进行合理的估计和计算，并在施工时采取措施以减少预应力损失。
5发展及结论
交通运输业的迅速发展的今天，加强既有桥梁的补强加固、保障公路桥梁的安全运营已成为交通管理部门关注的重点。桥梁加固技术以其特有的安全、经济、方便、快捷等特点得到世界各国的广泛采用。随着科学技术的不断发展，桥梁结构加固的新技术、新工艺不断涌现，在桥梁的加固工作中发挥了十分积极的作用。相信在广大科研工作者和工程技术人员的共同努力下，桥梁结构的加固改造工作会日益发挥出更大的作用。
