公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算和加固設(shè)計(jì)
2011-06-03 來(lái)源：
1 前言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)安全、快速、舒適和美觀的公路交通提出了越來(lái)越高的要求。由于歷史和資金等原因，我國(guó)大部分20世紀(jì)六、七十年代甚或五十年代修建的橋梁仍在營(yíng)運(yùn)使用，但其設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低和橋梁寬度偏小等因素，這些橋梁已成為交通運(yùn)輸中的潛在隱患。對(duì)這些舊橋、危橋如要全部推倒重建，則既不科學(xué)，更不現(xiàn)實(shí)。更何況歲月無(wú)情，任何一座“新”建的橋梁經(jīng)過(guò)若干年大自然的侵蝕和使用，終將成為一座“舊”橋。所以，舊橋加固、維修將是一個(gè)永久性的技術(shù)課題，舊橋的加固利用和改造已成為橋梁工程建設(shè)中既古老、又年輕的新興學(xué)科；實(shí)踐證明，舊橋的檢測(cè)、評(píng)定與加固是一項(xiàng)既綜合繁雜，又在不斷發(fā)展創(chuàng)新、逐步完善的技術(shù)，也是當(dāng)今國(guó)際土木工程界所共同關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，亦是橋梁建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)之一。舊橋加固改造技術(shù)，是針對(duì)正在使用的舊橋進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)定、維修、加固或改造等技術(shù)對(duì)策的總稱(chēng)。國(guó)內(nèi)、外的實(shí)踐均以證明，舊橋加固、維修工作是一項(xiàng)技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的舉措。但由于舊橋加固的過(guò)程中常存在原始資料和圖紙不全的客觀原因；舊橋加固設(shè)計(jì)的規(guī)程尚在制訂；舊橋加固設(shè)計(jì)的制約因素和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)新橋要大得多。
而且，舊橋加固是一項(xiàng)繁雜的系統(tǒng)工作，工程量往往不大，但涉及面廣，并關(guān)聯(lián)到諸多隱蔽工程。病害原因、加固方法常常因橋、因地而異，且施工工藝多具特殊性和復(fù)雜性。上述情況是舊橋加固工作的特點(diǎn)，應(yīng)引起我們的重視。同時(shí)，實(shí)踐也證明，盡管每座舊橋的情況各不相同，具有各自不同的特點(diǎn)，但舊橋加固也同其他任何事情一樣，有其內(nèi)在的規(guī)律，也存在一定的共性。我們應(yīng)遵循橋梁加固、改造工作的共性，結(jié)合具體橋梁的特殊性，在實(shí)踐中發(fā)揮積極性和創(chuàng)造性，不斷進(jìn)取和探索，采用最先進(jìn)的技術(shù)和材料，在舊橋檢測(cè)、評(píng)定、加固和改造工作中，創(chuàng)造和總結(jié)出多種多樣的、切實(shí)可行的技術(shù)和方法。
1.1 舊橋加固工作內(nèi)容
具體到對(duì)某座舊橋進(jìn)行加固和改造時(shí)，既要針對(duì)其病害特點(diǎn)和環(huán)境條件等，采取相應(yīng)的、有效的、甚至極具創(chuàng)造性的具體措施，同時(shí)也應(yīng)遵循一定的工作步驟來(lái)開(kāi)展工作。這些工作包括：
①日常養(yǎng)護(hù)發(fā)現(xiàn)橋梁存在較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)病害后決定進(jìn)行加固的決策過(guò)程；
②對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查、檢測(cè)和技術(shù)狀況評(píng)定；
③舊橋的結(jié)構(gòu)檢算與加固維修方案的擬定；
④加固設(shè)計(jì)和編制工程預(yù)算；
⑤加固施工和加固后的鑒定、驗(yàn)收；
⑥加固前、后必要時(shí)進(jìn)行動(dòng)、靜載試驗(yàn)等等。
1.2 關(guān)鍵的三項(xiàng)工作
上述舊橋加固的工作內(nèi)容當(dāng)中，以下三項(xiàng)是關(guān)鍵性的：
①檢測(cè)、評(píng)定是舊橋加固工作的“前提”：目的——了解“病情”，診斷“病狀”；要求——檢查要全面、仔細(xì)，病害分析要準(zhǔn)確。
②結(jié)構(gòu)檢算和加固設(shè)計(jì)是舊橋加固工作的“基礎(chǔ)”：加固方法要合理，技術(shù)上要安全、可靠，加固方案的針對(duì)性強(qiáng)；靈活應(yīng)用各種技術(shù)方法，創(chuàng)造性地開(kāi)出“處方”。
③施工質(zhì)量是舊橋加固工作的“關(guān)鍵”：加固施工好比外科醫(yī)生給病人“做手術(shù)”，“成敗”在此 一舉。
2 公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算
2.1 舊橋結(jié)構(gòu)檢算和新橋設(shè)計(jì)理論計(jì)算的關(guān)系與區(qū)別
在進(jìn)行公路舊橋結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)定和加固設(shè)計(jì)前均應(yīng)進(jìn)行必要的橋梁的結(jié)構(gòu)檢算，這項(xiàng)工作是對(duì)舊橋進(jìn)行實(shí)際狀態(tài)評(píng)定和采取什么樣的有效方法與措施進(jìn)行加固維修設(shè)計(jì)的重要前提。
①一般來(lái)講，新橋的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算是經(jīng)濟(jì)、合理地?cái)M定結(jié)構(gòu)尺寸，檢算橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，并使其滿(mǎn)足橋梁的使用和相應(yīng)規(guī)范要求的過(guò)程。而舊橋的結(jié)構(gòu)檢算則是利用橋梁現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)尺寸、材料等信息，以及通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查、檢測(cè)而發(fā)現(xiàn)橋梁業(yè)已存在的病害和缺損等結(jié)果，對(duì)橋梁的受力性能和狀況、以及安全可靠性進(jìn)行分析并作出加固維修方案的決策過(guò)程。由于兩者的工作在不同階段進(jìn)行，兩者所擁有的信息及信息量必然會(huì)產(chǎn)生較大變化，這就導(dǎo)致舊橋的結(jié)構(gòu)檢算和新橋設(shè)計(jì)不僅在宏觀上（涉及過(guò)程、原理、準(zhǔn)則等）有所區(qū)別，在具體實(shí)施中（涉及對(duì)荷載和抗力的確定、結(jié)構(gòu)分析方法的選擇以及安全系數(shù)的調(diào)整等）也會(huì)有差異。對(duì)絕大多數(shù)橋梁來(lái)說(shuō)，其新橋設(shè)計(jì)是一次完成的，而舊橋的維修與加固卻常常是在不同的時(shí)間點(diǎn)可進(jìn)行多次。另外由于所搜集到的信息、所采取的方法不同，即使對(duì)同一座舊橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算和狀態(tài)評(píng)定，橋梁工程師也可能會(huì)得出相差很大甚至相反的結(jié)論。
②目前公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算與分析，仍是基本上采用新橋的設(shè)計(jì)理論和方法再次進(jìn)行驗(yàn)算，且大多數(shù)計(jì)算方法是以彈性理論為基礎(chǔ)，盡量也考慮了某些因素對(duì)承載能力的影響，但由于對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化與實(shí)際受力狀況的差別（如未考慮實(shí)際支座的位置、鋼桁梁節(jié)點(diǎn)的彈性、以及拱腳的固結(jié)情況等等），以及計(jì)算采用的簡(jiǎn)化材料本構(gòu)關(guān)系與結(jié)構(gòu)材料多維受力下本構(gòu)關(guān)系的不同；以新橋設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行舊橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算，難以充分反映橋梁的實(shí)際承載能力和狀況，有相當(dāng)多的檢算結(jié) 果是偏于保守的。事實(shí)上，對(duì)特定使用條件的特定橋型其承載能力應(yīng)是一個(gè)客觀存在，所以對(duì)舊橋進(jìn)行的結(jié)構(gòu)檢算應(yīng)區(qū)別于新橋的設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法。因此，有必要深入研究一種能合理、可靠、真實(shí)地充分考慮橋梁實(shí)際工作狀況、以及結(jié)構(gòu)和材料情況的舊橋檢算與分析評(píng)定方法。
③為真實(shí)反映舊橋的實(shí)際承載能力，在進(jìn)行舊橋結(jié)構(gòu)檢算中應(yīng)考慮材料的真實(shí)情況，如可以考慮混凝土在雙向受力下的破壞準(zhǔn)則及非線(xiàn)性本構(gòu)關(guān)系?；炷猎陔p向受壓和未開(kāi)裂時(shí)為各向同性材料，開(kāi)裂后應(yīng)視為正交異性材料，并應(yīng)考慮拉伸勁化和軟化效應(yīng)；而對(duì)于混凝土和鋼筋的強(qiáng)度及彈性模量則應(yīng)盡量采用在舊橋結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)的實(shí)測(cè)值。當(dāng)肋式拱橋的拱腳出現(xiàn)較嚴(yán)重的橫向裂縫時(shí)，應(yīng)考慮到原拱腳的固定條件已改變，宜按鉸接來(lái)簡(jiǎn)化并按內(nèi)力重分布的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算。
2.2 舊橋的結(jié)構(gòu)檢算特點(diǎn)
①在我國(guó)已建成通車(chē)的公路橋梁中以中、小跨徑的梁式橋和拱式橋居多，由于近年來(lái)的計(jì)算理論的發(fā)展、計(jì)算機(jī)及橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件的普及與應(yīng)用、以及橋梁靜、動(dòng)載測(cè)試設(shè)備的完善及測(cè)試經(jīng)驗(yàn)與資料的積累，充分證明了過(guò)去在橋梁的設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)計(jì)算中許多未予考慮和不甚明了的因素。諸如由于橋面鋪裝層的參與結(jié)構(gòu)受力使得跨中實(shí)測(cè)撓度普遍小于理論計(jì)算撓度值；而拱上建筑的聯(lián)合作用和活載的橫向不均勻分布等也都被廣泛證實(shí)是客觀存在的，其影響程度是不容忽視的，尤其是在舊橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮和加以利用的。
②在舊橋的結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，一定要根據(jù)橋梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)型式，尤其是橋梁的實(shí)際橫向聯(lián)系的形式和強(qiáng)弱來(lái)選擇采用哪種荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算理論和方法。例如，對(duì)于預(yù)制安裝的T梁橋，當(dāng)橫隔板間距較小時(shí)，宜采用比擬正交異性板法來(lái)計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)；當(dāng)橫隔板間距較大時(shí)，則宜采用剛接梁法來(lái)計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)才更符合橋梁實(shí)際受力狀態(tài)。
③在進(jìn)行舊橋的結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，還應(yīng)根據(jù)橋梁檢測(cè)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的較顯著的病害來(lái)補(bǔ)充必要的局部結(jié)構(gòu)檢算。例如，許多連續(xù)箱梁橋的橋面鋪裝層網(wǎng)裂和破損非常嚴(yán)重，檢查后發(fā)現(xiàn)多為少設(shè)或未設(shè)橫隔板的寬箱窄腹板的箱梁。對(duì)于此類(lèi)橋的結(jié)構(gòu)檢算，不僅要計(jì)算箱梁的縱向彎曲應(yīng)力和剛性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，還應(yīng)計(jì)算橫向截面的畸變應(yīng)力和橫向彎曲應(yīng)力。當(dāng)橫向彎曲應(yīng)力過(guò)大，或箱梁頂板厚度較薄、剛度較小，即為橋面網(wǎng)裂和破損病害產(chǎn)生的主要原因，對(duì)應(yīng)的加固方案為重做橋面鋪裝層（此時(shí)一般不宜增加其 厚度，避免影響橋梁縱向線(xiàn)型），設(shè)置加密的鋼筋網(wǎng)，并加粗配置橫向鋼筋，或者增設(shè)橫隔板。
④和新橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算不同的是，當(dāng)舊橋的水泥混凝土橋面鋪裝層和梁體結(jié)合可靠、且無(wú)破損現(xiàn)象時(shí)，可扣除表面2cm磨耗層后將其考慮與梁體共同受力，一并參與結(jié)構(gòu)計(jì)算。
⑤在截面應(yīng)力檢算時(shí)，不僅要按新橋一樣對(duì)各控制截面進(jìn)行計(jì)算，還應(yīng)著重對(duì)有嚴(yán)重缺損的截面在考慮截面折減后進(jìn)行檢算，并以此作為選擇加固方案和加固設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)。
2.3 舊橋結(jié)構(gòu)檢算的一般程序
①公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算一般至少要進(jìn)行兩次：首先是基于橋梁原設(shè)計(jì)資料和經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)檢查、檢測(cè)得到的橋梁實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算（加固前），并以此檢算結(jié)果作為評(píng)定橋梁狀況和判定是否要進(jìn)行加固維修的重要依據(jù)。其次，則是在擬定加固維修方案后，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)處理后的信息再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算（加固后），檢算結(jié)果主要用于判定加固方案是否可行和是否達(dá)到加固設(shè)計(jì)要求。
②加固前對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)檢算，其結(jié)構(gòu)離散后的計(jì)算模型應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)檢查、檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行必要的修正，充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況和材料性能的變化，計(jì)入舊橋檢算系數(shù)和結(jié)構(gòu)惡化系數(shù)等影響。
③加固方案確定后的結(jié)構(gòu)檢算，應(yīng)采用加固后的橋梁結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸等來(lái)進(jìn)行加固后的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算和承載力檢算。加固后的橋梁可能是組合結(jié)構(gòu)，在檢算時(shí)應(yīng)注意區(qū)別對(duì)待。
3 公路舊橋的加固設(shè)計(jì)
3.1 加固方案的選擇
舊橋的病害原因找準(zhǔn)后，接下來(lái)就是選擇加固方案。國(guó)內(nèi)外已有很多成熟的舊橋加固技術(shù)和方法，但要針對(duì)某座橋的具體特點(diǎn)加以綜合考慮，要重點(diǎn)考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和體現(xiàn)創(chuàng)造性。一種病害可能采用多種方法都能處理，如何選擇最優(yōu)的方案，這是切實(shí)加固好一座橋梁的最基礎(chǔ)工作。
3.2 加固設(shè)計(jì)
加固方案確定后，接著就是進(jìn)行細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要強(qiáng)調(diào)是：由于舊橋加固施工的特殊性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將施工方法、工藝流程或施工順序闡述清楚，并應(yīng)有相應(yīng)的技術(shù)要求和衡量工程質(zhì)量的指標(biāo)。
3.3 橋梁加固設(shè)計(jì)人員的職責(zé)與要求
①既要熟練掌握橋梁設(shè)計(jì)理論和方法、相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，還要了解熟悉施工工藝和要求，另外，隨時(shí)跟進(jìn)掌握國(guó)內(nèi)外可用于橋梁維修與加固的新材料、新技術(shù)和新工藝，才能做好舊橋的加固設(shè)計(jì)。
②應(yīng)熟悉和掌握橋梁的設(shè)計(jì)荷載和實(shí)際使用荷載的特點(diǎn)與區(qū)別；如在分析橋梁結(jié)構(gòu)如何承受荷載，及承受荷載后的應(yīng)力和應(yīng)變（變形）情況時(shí)，應(yīng)明白作用在公路橋梁上的使用荷載是活荷載，而移動(dòng)性、暫時(shí)性是其特點(diǎn)，該作用的大小及作用點(diǎn)，是隨時(shí)間而變的。
③設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)橋梁的檢測(cè)和分析，已了解了橋梁的病害和產(chǎn)生原因，也針對(duì)性地提出處治措施，并繪制了加固設(shè)計(jì)圖，但最終還是要通過(guò)施工單位的加固施工去體現(xiàn)其意圖和達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。因此，設(shè)計(jì)人員要切實(shí)配合好施工全過(guò)程，尤其是施工前的技術(shù)交底，要詳細(xì)講解，以求施工人員明白設(shè)計(jì)意圖和工程質(zhì)量要求。同時(shí)，要充分調(diào)動(dòng)施工人員的積極性和創(chuàng)造性，從而補(bǔ)充和完善加固設(shè)計(jì)的不足。最終目的就是共同搞好加固施工，使加固設(shè)計(jì)意圖和目的完全達(dá)到。
4 結(jié)束語(yǔ)
舊橋加固技術(shù)是一門(mén)新興的學(xué)科，也是始終在完善、補(bǔ)充、發(fā)展的學(xué)科，隨著橋型的改變、新材料、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，新的、更好的加固方法就會(huì)出現(xiàn)和得到應(yīng)用。所以，舊橋加固是一項(xiàng)非常有意義、有前途、有成效的工作，也可以充分體現(xiàn)技術(shù)人員個(gè)性化：一個(gè)病害可以用很多種方法處理，誰(shuí)優(yōu)？科學(xué)抉擇；好壞？實(shí)踐檢驗(yàn)。
總之，要做好舊橋的結(jié)構(gòu)檢算和加固設(shè)計(jì)工作，應(yīng)多收集資料，積累經(jīng)驗(yàn)，多加交流，共同進(jìn)步與發(fā)展；應(yīng)努力做到：認(rèn)真工作，慎重決策，精心設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性開(kāi)展工作。
