論交通工程中橋梁加固方法
2011-07-15
1 橋梁加固的基本原則
一般來說，橋梁的加固包括病害橋梁的修復(fù)及原有橋梁的改造。其中，病害橋梁的修復(fù)一般是由于橋梁老化，運營養(yǎng)護(hù)的不當(dāng)自然原因如橋下垃圾焚燒等使一些橋梁出現(xiàn)了病害而進(jìn)行維修；原有橋梁的改造一般是由于現(xiàn)在交通運輸量的增長、設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)的提高、公路路基寬度的拓寬等使一些橋梁已不能滿足當(dāng)前交通運輸?shù)囊蠖M(jìn)行改造。
橋梁的加固除了應(yīng)滿足設(shè)計規(guī)范，符合技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)安全的原則外，還必須經(jīng)過一定的程序和步驟，這就是要求加固前要對橋梁做針對性的檢測，然后再作出具體的加固方案設(shè)計。在具體的加固設(shè)計中，必需首先明確“耐用、經(jīng)濟(jì)、安全”加固原則。
1） 對于大橋、特大橋，其主要承重構(gòu)件需要加固補強(qiáng)時，加固設(shè)計方案應(yīng)多樣化，進(jìn)行方案比選和經(jīng)濟(jì)評估，選擇最佳加固方案，以達(dá)到最好效果。
2） 加固設(shè)計應(yīng)與施工方法緊密結(jié)合，并采取有效措施，保證新老結(jié)構(gòu)連接可靠、協(xié)同工作；
3） 在加固施工中，應(yīng)盡可能減少對橋上和橋下的通行車輛及行人的干擾，采取必要的措施，減少對周圍環(huán)境的污染；
4） 加固設(shè)計及施工盡量不損壞原結(jié)構(gòu)，并保留具有利用價值的構(gòu)件，避免不必要的拆除或更換；
5） 加固施工中，應(yīng)采取安全監(jiān)測措施，確保施工人員及結(jié)構(gòu)的安全。
2 加固方案的選擇
加固方案與諸多因素有關(guān)，選擇合理的加固方案非常重要，?？紤]下列因素：
1） 橋梁結(jié)構(gòu)型式；
2） 橋位地形、水文、自然狀況；
3） 橋梁現(xiàn)狀分析研究結(jié)論；
4） 施工技術(shù)水平；
5） 能否封閉交通；
6） 預(yù)期加固效果；
7） 資金投入量。
3 橋梁加固的常見方法
3.1橋梁上部結(jié)構(gòu)常用的加固方法
3.1.1體外預(yù)應(yīng)力加固法：
體外預(yù)應(yīng)力法的加固原理是在梁的下緣受拉區(qū)設(shè)置預(yù)應(yīng)力材料，通過張拉對梁體產(chǎn)生偏心預(yù)應(yīng)力，在此偏心壓力作用下，使梁體發(fā)生上拱，抵消部分自重應(yīng)力，減小了結(jié)構(gòu)變形和裂縫寬度、改善了結(jié)構(gòu)受力，能夠較大幅度的提高結(jié)構(gòu)承載力。與通常的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，力筋與原結(jié)構(gòu)只在錨固點與梁連接，類似于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。這種方法在自重增加很小的情況下可大幅度的改善和調(diào)整原結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)剛度、抗裂性。此法既適用于通行重車時的臨時加固，也可作為提高橋梁承載力的永久加固措施。
該方法主要適用情況有：當(dāng)混凝土梁中預(yù)應(yīng)力筋或普通鋼筋嚴(yán)重銹蝕及其它病害造成結(jié)構(gòu)承載力下降；需要提高橋梁的荷載等級；用于控制梁體裂縫及鋼筋疲勞應(yīng)力幅度；適用于高應(yīng)力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，尤其是大型結(jié)構(gòu)的加固等情況。
目前常用的體外預(yù)應(yīng)力的方法有：下式預(yù)應(yīng)力拉桿加固法和外部預(yù)應(yīng)力鋼絲束加固法。
3.1.2 體系轉(zhuǎn)換加固法
改變結(jié)構(gòu)體系加固舊橋通常是指增設(shè)附加構(gòu)件或進(jìn)行技術(shù)改造，使橋梁的受力體系和受力狀況發(fā)生改變，從而起到減小承重構(gòu)件的應(yīng)力，改善橋梁性能，達(dá)到提高承載能力的目的。這種技術(shù)具有提高結(jié)構(gòu)承載力，增大結(jié)構(gòu)剛度，減小撓度等優(yōu)點。
3.1.3 增加構(gòu)件加固法
增加構(gòu)件加固法主要是指增設(shè)縱梁提高承載能力或拓寬改建，增加橫隔板加強(qiáng)橫向聯(lián)系。當(dāng)墩臺地基安全性能好，并具有承載能力，上部結(jié)構(gòu)也基本完好，但其承載能力不能滿足要求，同時要求加寬橋面時，一般采用增加承載能力高和剛度大的新縱梁使新舊梁互相聯(lián)結(jié)共同受力。對于要進(jìn)行拓寬改造的則還需要對墩臺進(jìn)行拓寬。
常使用的方法根據(jù)增加構(gòu)件及新舊主梁聯(lián)合受力形式可分為：增設(shè)縱梁加固（不拓寬橋面）；增設(shè)邊梁加固；單邊拓寬技術(shù)改造；雙邊拓寬技術(shù)改造；增加輔助橫梁加固。
3.1.4 粘貼鋼板加固法
粘貼鋼板加固是采用粘結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉邊緣或薄弱部位，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體，從而提高梁的承載能力的一種加固方法。若使用錨栓將鋼板錨固在梁體上，則又稱錨栓鋼板法，這時鋼板可適當(dāng)厚一些。鋼板固定于受拉混凝土表面可以增加混凝土結(jié)構(gòu)抗彎剛度，使結(jié)構(gòu)撓度減小，限制了裂縫的發(fā)展。并且施工時可以根據(jù)設(shè)計需要進(jìn)行裁切鋼板，有效的發(fā)揮粘鋼構(gòu)件的抗彎、抗壓和抗剪的性能，受力均勻，不會在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，除此以外，該方法還具有施工簡便，快速，不影響結(jié)構(gòu)外形，加固費用低，不減小橋梁凈空以及增加荷載不多等優(yōu)點。不足之處是粘結(jié)劑的質(zhì)量及耐久性是影響加固效果的主要因素。
3.1.5 碳纖維加固法
粘貼碳纖維加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)物表面，當(dāng)結(jié)構(gòu)荷載增加時，兩者共同工作，提高構(gòu)件承載力，從而達(dá)到加固補強(qiáng)的目的。纖維復(fù)合材料的力學(xué)特點是其應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區(qū)。由于碳纖維具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異物理力學(xué)性能，以及施工速度快，施工工期短，粘貼質(zhì)量容易得到保證等優(yōu)點，因此是舊橋加固補強(qiáng)的理想材料。碳纖維加固法中粘結(jié)材料的性能是保證碳纖維與混凝土共同工作的關(guān)鍵，也是兩者傳力途徑的薄弱環(huán)節(jié)，因此粘結(jié)材料應(yīng)有足夠的剛度與強(qiáng)度保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞，同時應(yīng)有足夠的韌性，不會因混凝土開裂導(dǎo)致脆性粘結(jié)破壞。與其它加固方法相比，采用碳纖維加固舊橋能最小程度的改變原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，保證在設(shè)計荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力。
3.1.6 橋面層補強(qiáng)加固法
橋面補強(qiáng)層加固法是通過在梁頂（橋面）上加鋪一層鋼筋混凝土層，使其與原有主梁形成整體，從而達(dá)到增大主梁有效高度和抗壓截面，增加橋面整體剛度，提高橋梁承載能力的一種常用且有效的方法。為了減小補強(qiáng)層增加的恒載，常將原有橋面鋪裝層鑿除，而且能使新老結(jié)合良好，共同受力。
3.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)加固常用的加固方法
3.2.1 墩臺拓寬加固法
此法適用于基礎(chǔ)承載力不足或埋深太淺，而墩臺又是磚石或砼剛性實體基礎(chǔ)時的情況。擴(kuò)大基礎(chǔ)地基面積應(yīng)由地基強(qiáng)度驗算確定。
3.2.2 增補樁基加固法
當(dāng)橋梁墩臺基底下有軟臥層時，墩臺發(fā)生沉陷；對此采用增補樁基加固法是一種常用而且有效的方法。這種方法是：在樁式基礎(chǔ)的周圍補加鉆孔樁等，以此提高基礎(chǔ)的承載力，增強(qiáng)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。
3.2.3 鋼筋砼套箍或護(hù)套加固法
鋼筋砼套箍或護(hù)套加固法是一種由于橋梁墩臺由于基礎(chǔ)埋深不夠，或因施工質(zhì)量控制不嚴(yán)等原因，導(dǎo)致墩臺開裂時，有時會出現(xiàn)貫通裂縫，可采用鋼筋砼圍帶或鋼箍進(jìn)行加固。
3.2.4 橋臺新建輔助擋土墻加固法
由于橋臺臺背水平土壓力過大，引起橋臺傾斜，應(yīng)在臺背之后加建一擋墻，以抵御過大的土壓力。
3.2.5 擴(kuò)大基礎(chǔ)加固法
利用舊橋基礎(chǔ)，靠墩臺蓋梁挑出懸臂加寬部分，以便安裝的上部結(jié)構(gòu)。此種情況為只加寬墩臺，上部的蓋梁、墩臺身和基礎(chǔ)則不需予以加固。
上訴各種常見加固方法可中和運用，優(yōu)化組合，更能體現(xiàn)出加固效果及經(jīng)濟(jì)效益，但還應(yīng)注意以下幾點：
1）不同的加固方法有對應(yīng)的設(shè)計計算方法；
2）加固后的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力提高幅度受原結(jié)構(gòu)的制約，如原結(jié)構(gòu)配筋率、截面尺寸等，不可能無限制地提高承載能力；
3）對于大跨徑復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的加固計算，一般要做結(jié)構(gòu)整體分析，有效工具時有限元法，必要時應(yīng)考慮非線性影響。
4） 加寬加固同時進(jìn)行時，宜將加寬部分與原橋連為整體，以充分發(fā)揮新加部分的卸載作用。
4 碳纖維特點及優(yōu)越性
碳纖維用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)是一項新技術(shù)，它是利用浸漬樹脂將碳纖維布沿受力方向或垂直于受力方向粘貼在受損的混凝土構(gòu)件上，使之與構(gòu)件原有鋼筋共同工作，從而達(dá)到對混凝土構(gòu)件的加固補強(qiáng)。加固后可增大結(jié)構(gòu)抗拉及抗剪能力，有效地提高其強(qiáng)度、剛度、抗裂性和延性，控制裂縫和撓度的繼續(xù)發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料包括碳纖維布和粘接材料，簡單介紹如下： 4.1 碳纖維布具有如下特點
1）強(qiáng)度高；
2）單根纖維間強(qiáng)度變化?。?br />
3）高彈膜，以提供有效的增強(qiáng)作用；
4）在制造與處理過程中強(qiáng)度穩(wěn)定并保持不變。
5）化學(xué)性能好，不易也外界發(fā)生反應(yīng)，引起其原有性能變化。
4.2 粘結(jié)材料具有如下特點
粘結(jié)材料的性能是保證碳纖維與混凝土共同合作的關(guān)鍵，也是碳纖維與混凝土受力過程中的薄弱環(huán)節(jié)，它應(yīng)有足夠的剛度與強(qiáng)度，保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞，同時應(yīng)用足夠的韌性，不會因混凝土開裂導(dǎo)致脆性粘接破壞。此外應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)場施工條件，即能在一般條件下固化，具有適宜的流動性與粘度，固化收縮率小。粘接材料主要包括三類：底膠、整平材料和浸漬樹脂，其作用如下：
4.2.1 底膠：浸入混凝土表面，強(qiáng)化混凝土表面強(qiáng)度從而使混凝土與碳纖維布之間的粘接性得到提高；
4.2.2 整平材料：碳纖維布很有可能因混凝土表面的銳利突起物、錯位和轉(zhuǎn)角等部位產(chǎn)生損傷或空鼓，從而引起強(qiáng)度降低。整平材料可補平由于混凝土表面劣化或表面處理造成的空洞或斜面，另一方面用于將矩形90o轉(zhuǎn)角打磨后補成圓弧狀。
4.2.3 浸漬樹脂：將連續(xù)粘貼的碳纖維布結(jié)合在一起，使之呈板狀硬化，使纖維之間相互結(jié)合、均勻抵抗外力，發(fā)揮纖維整體強(qiáng)度。同時、將碳纖維布與混凝土粘接在一起，形成一個復(fù)合性整體，共同抵抗外力。
4.3 碳纖維補強(qiáng)技術(shù)的特點及優(yōu)越性
4.3.1 優(yōu)異的力學(xué)性能，可有效用于多種形式的結(jié)構(gòu)補強(qiáng)，包括抗彎、抗剪、抗拉、抗疲勞、抗震、抗風(fēng)，控制裂縫及撓度的擴(kuò)展。
4.3.2 優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。碳纖維布具有極強(qiáng)的抗酸、堿、鹽、紫外線和防水能力。具有足夠的適應(yīng)氣溫變化能力。外加防火層后可以有效地防火。因此，可大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力，延長結(jié)構(gòu)壽命。 4.3.3 材料本身質(zhì)輕高強(qiáng)。可以不增加結(jié)構(gòu)體積和不改變結(jié)構(gòu)外型。增加的結(jié)構(gòu)重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂裝，而不留補強(qiáng)痕跡。
4.3.4 施工工序簡單，可用小型電動工具操作。工種少，用工少，工期短，進(jìn)度快。更有資料表明能在持續(xù)交通有震動的情況下施工，而不影響補強(qiáng)效果，從而大大縮短了施工斷交時間，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 5 橋梁常出現(xiàn)的裂縫及處理方法
由于橋梁裂縫是一種很常見的橋梁病害，而且潛在危險比較大，所以，必須對裂縫及時作出處理。
5.1 按形成原因分裂縫可以分為
第一類：由外荷載引起的裂縫，稱為結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱為受力裂縫），其裂縫的分布及寬度與外荷載有關(guān)。這種裂縫的出現(xiàn)，預(yù)示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在其他嚴(yán)重問題。
第二類：由變形引起的裂縫，稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結(jié)構(gòu)變形受到限制時，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生自應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限值時，即會引起混凝土裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)，變形得到釋放，自應(yīng)力也就消失了。
兩類裂縫有明顯的區(qū)別，危害效果也不相同，有時兩類裂縫融在一起。調(diào)查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫占主導(dǎo)的約占80%；以荷載引起的裂縫占主導(dǎo)的約占20%。對裂縫原因的分析是裂縫危害性評定，裂縫修補和加固的依據(jù)，若對裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進(jìn)行處理，不僅達(dá)不到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險。
5.2 塞縫灌漿
塞縫灌漿是把將一定比例配制的水泥（砂）漿、 環(huán)氧樹脂（砂）漿，通過注射器按一定壓力灌入結(jié)構(gòu)物縫隙內(nèi)，起到填塞裂縫、避免鋼筋銹蝕并提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的作用。裂縫在橋梁病害中較為普遍，產(chǎn)生裂縫的原因很多，也很復(fù)雜。結(jié)構(gòu)物一旦出現(xiàn)裂縫，其受力截面發(fā)生應(yīng)力重分布，也就意味著受力有效截面變小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大，承載能力降低。塞縫灌漿是用膠結(jié)材料把結(jié)構(gòu)的裂縫填滿，使力的作用、傳遞盡可能恢復(fù)到原狀態(tài)。
塞縫灌漿一般用于處理橋梁上、下部結(jié)構(gòu)裂縫，灌漿分為水泥漿、水泥砂漿、環(huán)氧樹脂漿、環(huán)氧樹脂、砂漿等，具體采用哪一種，應(yīng)視實際情況而定。通常水泥（砂）漿用于石砌墩、臺和拱圈裂縫，由裂縫的大小來決定灌漿中是否摻砂，采用水泥（砂）漿造價低、效果好。環(huán)氧樹脂漿一般用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，因為鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫較小，易灌滿，粘結(jié)性好；環(huán)氧樹脂砂漿多用于橋面裂縫。
先用1：1水泥砂漿勾縫，勾縫時須預(yù)留直徑約6—8mm的灌漿孔，孔距視裂縫寬度而定，縫寬處孔距為0.3一0.4 m，縫小處孔距為0.4—0.5m。待勾縫砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后即可灌漿。鋼筋混凝土梁的裂縫較小，用環(huán)氧樹脂勾縫，凡大于0.1mm的裂縫都要留孔灌漿，孔距一般為0.4一0.5m，灌漿方法與灌水泥漿大致相同。在公路舊橋加固中，塞縫灌漿是綜合處治的方法之一，用得比較普遍，通過試載及使用觀察，效果較好。
結(jié)束語
所以，橋梁的加固維修是必可少的，是保障道路暢通的技術(shù)措施之一。它節(jié)約了大量的人力、物力、財力、資源等。如何做好橋梁的正確利用是我們現(xiàn)在急需解決的問題。
參考文獻(xiàn)
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