关于桥梁结构损害和加固方法分析
2015-07-29
一．引言
我国通俗的道路施工中，只是将混凝土岩石或者沥青铺设于道路上，这样的工程没有考虑到路面的承重、路面的强度与稳定性，并且没有系统的设计参数和原理，使得路面工程在短的时间内瓦解，给政府乃至国家造成经济损失。桥梁的结构是承受负荷重力的主要载体，同时也是确保桥梁安全的重要支柱。随着使用时间的增加，在桥梁结构中产生了一些损害，导致桥面结构发生功能缺陷，威胁桥梁安全。
二.桥梁结构受到损害的原因随着时间的推移,桥梁结构会受到不同程度的损害,造成这些损坏的原因主要有:建筑材料性能降低、桥梁结构负荷重力过大、环境影响、自然灾害、人为事故损害、设计不合理、施工过程中的不利因素影响等。建筑材料性能降低。桥梁结构使用时间越长,建设这些桥梁结构所使用的建筑材料就会受到越多的磨损,其性能就会降低,从而使得桥梁结构受到不同程度的损害,影响桥梁结构的使用。桥梁结构负荷重力过大。我国目前的桥梁结构很多是按照80年代左右的设计标准设计建造的,那时公路运输量较低,所以桥梁结构的负荷能力较低,近年来随着经济的发展,我国机动车数量急剧增加,公路运输量的不断增大,尤其是工程用重型运输车的频频出现,使得桥梁结构负荷重力也不断增大,导致桥梁结构经常处于超载状态,从而使得沿线道路以及桥梁结构受到不等同程度的损害。环境影响。环境影响主要是指温度和湿度的影响。温度和湿度的变化会给桥梁结构带来不同程度的损害。自然灾害。自然灾害主要是指风、雨、洪水的侵蚀,雷电的袭击,地震、滑坡等。自然灾害会导致桥梁结构受损变形。人为损害。人为损害主要是指车辆、船舶等的碰撞等。人为事故会给桥梁结构带来直接性的损害。设计不合理。设计不合理主要包括桥型结构设计不合理、设计假定不尽、设计论证过程中缺乏合理的监测等。这些设计的不合理都可能成为桥梁结构本身存在的缺陷。施工过程中的不利因素影响。施工过程中的不利因素影响主要包括施工过程中难以控制的不利因素以及施工不合理产生的不利因素。这些不利因素,都会对桥梁造成损害,前者难以控制,但后者却是可以避免的。
三.桥梁结构加固原则
1. 总体效应原则。在结构加固中，应当考虑到加固之后整体结构系统会发生何等转变。在设计桥梁结构加固案例时，应对桥梁的总体进行综合浅析，以保证桥梁结构的整体性能不被破坏。
2. 设计案例的优化原则。在确定加固案例之前，要通过优化原则来加以断定。这其中应该尽量满足工程的综合经济指标，考虑加固施工的特点和加固技术的水平，在加固案例的设计和施工组织上采取恰当的手段，减少对外界环境和局部构件的影响，尽可能地缩短工期。在确定桥梁结构加固设计案例之前，应该对已有结构进行全面检查和可靠性浅析，在掌握已有结构的性能、构造以及缺陷等资料的同时，对结构的受力情况与持力水平进行浅析，为之后确定加固设计案例奠定基础。
3. 最大化利用的原则。在路桥梁结构加固时，应尽可能地降低对原桥梁结构的损坏，以保证原有结构的利用性能不被破坏；对于那些已有的结构或构件，在经过结构检测与可靠性鉴定的浅析之后，对其结构构造与承载性能有了全面了解的基础之上，应该尽量地保留并利用[1]。
四.桥梁加固方法
1.面铺装加固法。桥面铺装加固法主要包括局部修复凿补法、重新浇筑混凝土面板加固法和桥面补强层加固法。局部修复凿补法是对铺装层出现的碎裂、脱落、洞穴等进行局部修复的方法，这里要注意的是：修复前要先进行凿毛，而且凿毛要使骨料露出，然后再用水泥混凝土修补经润湿的孔，涂刷上粘结材料以加强新旧混凝土间的粘结性；重新浇筑混凝土面板加固法适合无法修补的桥面板，其方法是将原有的行车道铺装全部拆除，采取重新浇筑混凝土面板进行加固；桥面补强层加固法不但能达到修补的效果，还能增强梁板的抗弯能力，提升其承载力，其具体方法是在旧有桥面上重新加铺一层混凝土或钢筋混凝土补强层。
2. 加大截面法。加大截面加固法又称外包混凝土加固法，它是在钢筋混凝土受弯构件受压区加混凝土现浇层，增大原混凝土构件截面面积，以而提升构件正截面抗弯，达到加固补强的目的，我们可以通过加厚桥面板或者加大主梁梁肋的高度和宽度来实现。其施工工艺比较简单，适应性比较强，施工手法成熟，能显著提升桥梁刚度，能取得比较好的加固效果，能广泛对一般建筑的梁、板、柱、墙等混凝土结构进行加固。但是这种方法也有着一些缺点，如施工的湿作业时间比较长，加固之后的建筑物净空有一定减少，且嵌入的钢筋锈蚀和混凝土劣化的危险性很大。
3. 碳纤维加固法。碳纤维加固法，全称为粘贴纤维增强塑料加固法，它是通过采取专门的树脂将碳纤维粘贴于混凝土结构受拉表面，碳纤维与原结构形成新的受力整体，使它和被加固截面一同抗拉，以而使结构达到了加固和补强效果。碳纤维片材技术性能指标应满足要求。
这种方法几乎不会增加结构自重与截面尺寸，也不会转变净空高度，施工比较方便，对原始的道路桥梁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，根据受力浅析可以进行多层粘贴进行补强，其方向性也可以灵活掌握，比如说高强高效，可以大幅度地提升混凝土结构的延性与承载性能，由此适用范围非常之广[2]。
4. 粘钢加固法。所谓的粘钢加固方法，就是在钢筋混凝土结构构件承载力不足的区段表面粘贴一定数目的钢板。这种方法适用于各种大、中、小型的桥梁加固，能够很好地保护原混凝土构件，而且在案例设计及结构计算方面都非常之简单。但实施历程中，由于钢板重量过大，操作上比较复杂，而且固化剂在结硬以后脆性较强，难以保证其粘结的耐久性，此外，钢板和胶体界面还有着一些潜在的锈蚀。
5. 锚喷技术。随着施喷机具的进展和速凝剂的利用，现代技术奖喷射硷与钢筋网、锚杆配合利用，逐渐改善锚喷技术的。它可以尽量不利用侧向模板，而且其运输、浇注、捣固合并为一道工序、占地面积小且设备简单、施工机械化程度高、效率高、节省劳动力，在实施历程中可以不中断交通。
6. 外部预应力加固法。这种方法也叫反弯矩法，主要是借助于“预应力”作用完成的一种加固方式。通过在构件外对预应力钢筋进行张拉，不但能够增加主筋，提升构件的截面强度，还能减少桥墩底部沉降的幅度，可以说是一种十分积极的加固手段，对受拉区施加预加压力，可以抵消部分自重应力，起到卸载、防止裂缝的作用，延长了桥结构的利用寿命。
五．案例分析
某桥梁下部结构扩大基础和桩基础维修加固措施3]。
1.工程概述。
该桥梁总长583m，上部结构采用30m标准跨径预应力T梁和16m钢筋混凝土空心板。上部结构采用结构简支、桥面连续。0号-7号墩台范围桥梁为主桥，跨越主河道， 跨径组成为（330+430）m 的T梁组成，其余跨均为16m钢筋混凝土空心板引桥。0号主桥台采用扩大基础肋板式桥台，1号-2号桥墩采用扩大基础双柱墩，其余主桥墩采用双柱式墩柱嵌岩桩，主桥墩柱直径均为1.5m，引桥桥台采用三柱式桩柱桥台，引桥桥墩均采用双柱式桩柱桥墩，引桥墩柱直径均为1.2m。
2. 0号-6号墩台基础病害。
该桥于1997年建成通车，由于河道大量采砂，河床下降严重，0号-6号墩台范围为跨越主河床跨，目前桥位处河床地面相比桥梁竣工时高程平均下降3m左右，最深处达4m。其中尤以1号墩、2号墩的扩大基础病害严重。下面逐一叙述分析0号-6号墩台基础病害。
（1）0号桥台基础病害。0号台为肋板式桥台，检查发现桥台已无护坡防护桥台，桥台覆土被大量冲刷，扩大基础外露，基础局部脱空，地层岩基面基本裸露。分析护坡破坏原因有二点：一是多年洪水冲刷护坡损毁所致；二是桥台处公路排水沟排出雨水常年冲刷桥墩台护坡，导致倾斜岩基外露。护坡损坏降低了桥台稳定性，加快基础底部岩基稳定性和强度。
（2）1号-2号桥墩基础病害。1号-2号墩下部结构为扩大基础双柱式桥墩，检查发现柱侧存在施工时留下的沉井未拆除，沉井底部比扩基底部高程稍高。1号桥墩扩大基础底部有悬空现象，底部持力层呈倒梯形。1号墩靠近岸侧基础下部落在基岩上，靠近河心侧基础下部没有完全落在基岩上，基础下部局部为砂土。2号桥墩基础处于河水中，但水上河心侧沉井出现明显的倾斜，该处侧墙混凝土出现较宽开裂现象。目前1号墩和2号墩立柱还未出现明显倾斜现象。
基础冲刷原因：一是河道采砂严重，导致河床冲刷下降所致；另一原因为公路排水沟流水直接冲击1号墩柱基础附近土层，导致1号墩基础底部冲刷尤为严重。
扩大基础底部呈倒梯形原因：施工期间沉井下沉时岸侧先接触基岩，而另一侧沉井基岩线较深，此时沉井改侧未达到基岩，仅在砂土层，而沉井岸侧受岩基阻碍已不能下沉，于是施工单位便在沉井中浇筑扩大基础，造成部分基础没有落在基岩上，由于扩大基础上部尺寸比下部尺寸大，基础下部土体被冲刷掏空后，基础底部就呈现场看到的倒梯形形状。
沉井出现倾斜开裂可能原因：在洪水冲刷下，河床不断降低，造成沉井下部支承土体被掏空，造成沉井侧翻，不均匀沉降受力，局部出现开裂，并不断倾斜。
从沉井倾斜、基础脱空、地质钻探结果分析，扩大基础和沉井底部未完全接触倾斜基岩面。土层冲刷后，造成沉井倾斜，扩基悬空，造成扩大基础有效传力面积减少，稳定性降低。
（3）3号-6号桥墩基础病害。3号-6号墩为桩柱式桥墩，现场检查发现3号-6号墩基础冲刷严重。该处地面冲刷平均深度达4m。原设计桩基嵌岩2m，经计算桩基各项力学指标安全系数较小，特别是桩侧土压应力已超标。
3. 实施维修加固方法
根据0号-6号墩结构、病害以及钻探资料，结合专家组意见，对各墩台进行不同方法的维修加固处理。对0号台基础主要进行矩形挡土墙防护，并设置排水沟引流。对1号-2号墩基础主要进行封闭方体箱形嵌岩护墙防护，对墙内土体进行压浆，为减小施工对基础扰动，保留原沉井，对2#墩倾斜沉井基础以上部分进行切除。对3号-6号墩桩基础采取两种方法：一是利用椭圆形封闭箱形嵌岩护墙防护桩基免于冲刷，二是新增加承台和钻孔桩基分担原有基础荷载。
（1）.0号桥台基础维修加固措施。0号台主要采取护坡防护，为排水沟预留空间兼造价考虑，在外露桥台基础水平距离外缘1.5m处做C30混凝土挡土墙，挡土墙截面为矩形（主要考虑基岩面不平，矩形状易于施工），平面绕桥台成矩形进行布置，护坡基础嵌岩深度不小于2m。后在挡土墙上做混凝土护坡，坡度为1:1。同时对公路排水沟进行整治，防止流水侵蚀护坡，在护坡边做排水沟。
（2）. 1号-2号桥墩基础加固措施。1号墩—2号墩主要采取防护兼加固方法，利用新嵌入基岩护墙对扩大基础进行防护。步骤是：签于扩基底部已出现脱空，施工前首先采用采用片石混凝土压实基础脱空部分，用钢板桩围堰对扩大基础进行施工期间临时支护。然后对基础与板桩围堰所围砂土进行双液压浆，灌实基础下缘土体。做好基础施工期间支护后，在护墙外侧区域做护墙施工砂袋围堰，护墙基岩面清理好后指定位置采用12.7cm地质钻机钻孔基岩2m，嵌入钢管混凝土灌注桩，同时保证护墙根部嵌岩0.2m，立模绑扎护墙钢筋、浇筑混凝土后，浇注混凝土，使护墙与钢管混凝土桩成为整体。回填基础周围覆土后完成扩大基础维修处理。
（3）. 3号-6号桥墩基础加固措施。原桥桩基设计嵌岩深度2m，基础承载能力满足规范。但由于冲刷较为严重，安全系数较低。为保证桥梁持续正常使用对桩基进行维修加固处理，加固措施有两条：
a. 利用新增桩基进行加固。沿3号-6号墩系梁上缘位置向下增设2.4m高承台，新增承台与桩基、系梁接触面植筋。为增加立柱向承台传递荷载途径，在承台上缘沿原柱周新增1.5m高圆柱，在界面处植筋。由于新增高桩承台对河道泄洪能力影响较大，因此承台尺寸设计尽量小型化、线条平顺化。承台下新设计四根桩基支撑承台，新增设桩基嵌岩4m，桩径1.2m。新增桩基以及与原有桩基中距不小于桩径2倍。
该方法可以较大程度提高下部基础承载能力，但需要对原有桩柱进行较多量的植筋，对原结构有一定损伤，造价较高，桩基施工需要操作空间较大，施工不方便。
b. 新增护墙防冲刷。由于桩基承载能力有一定安全度，可在桩四周直接做施工用砂袋围堰，在指定位置采用12.7cm地质钻机钻孔入基岩2m，嵌入钢管混凝土桩，同时保证护墙根部嵌岩0.2m，立模绑扎混凝土护墙钢筋、浇筑混凝土，使护墙与钢管混凝土桩成为整体。在护墙内外回填覆土后完成桩基础防护处理。
该方法可以永久防护桩基免于冲刷，并较少对原结构产生损伤和扰动，但对基础承载能力增加有限。施工中3号-6号桥墩基础维修最后采取第二种维修加固方法。
六．结束语
桥梁结构损害是多种因素共同作用的结果，对桥梁结构进行加固，要根据损害特点、构成原因及损害的程度，选择合适的加固方法，确保桥梁安全。
