橋梁加固基本方法
2015-05-08
橋梁是一個國家的交通、經濟命脈。上世紀50年代以來，我國修建了一大批各種類型的橋梁，特別是進入21世紀，國家加大了國道主干線建設投資力度，每年完成公路建設投資超過2千億元，新建公路橋梁數萬座。這些橋梁在投入使用若干年后，由于各種因素的影響與作用，不同程度存在各種病害。橋梁加固是針對正在使用的舊橋進行檢測、評定、維修、加固、改造等技術對策的總稱。與橋梁的日常維修養(yǎng)護不同，維修養(yǎng)護是橋梁保持正常運營狀態(tài)的保護性和預防性的工作，而加固卻是從承載受力的角度來處理的。因此，為了保證結構的安全，需要采取有效的加固改造措施來恢復和提高這些橋梁的承載能力，以發(fā)揮投資的最大效益。下面將對公路橋梁加固領域較為常用的方法或手段作以介紹：
1.1 橋面板補強加固
橋面板與鋪裝層是直接承受車輛輪壓的承重結構，檢測時常發(fā)現橋面板混凝土出現破碎、斷裂、磨耗、裂縫、露筋、剝離等情況，不僅影響行車舒適性，還會造成預制結構單板受力，對結構安全造成隱患。針對橋面病害常采用橋面板補強的方法進行處理，即在舊有的混凝土或鋼筋混凝土橋面板上，重新加鋪一層混凝土或鋼筋混凝土補強層，這種方法既能修補已出現裂縫、剝離等損壞的橋面板，又能維持或增加原有梁板的有效厚度，增加了梁板的抗彎能力，改善了鉸接梁板的荷載橫向分布，從而提高了橋梁的承載能力。
1.2 增大截面加固
增大截面加固法是在原結構基礎上再澆筑一定厚度的鋼筋混凝土，這是對鋼筋混凝土橋加固的一種常用的改造技術。這里一般指加大主梁梁肋的高度和寬度。該法施工工藝簡單、適應性強，并具有成熟的設計和施工經驗，適用于較小跨徑的T梁橋或板橋的加固，也常配合其他加固方法共同使用。采用此法加固后橋梁剛度明顯提高，承載能力也能取得較好的效果。但該法要求被加固的橋梁下部結構能夠承受更多的自重，能夠提供更高的承載力。且現場施工的濕作業(yè)時間長，對生產和生活有一定的影響，且加固后的建筑物凈空有一定的減小。
1.3 粘貼鋼板加固
粘貼鋼板加固法是以化學粘結劑粘接或螺栓連接鋼板與混凝土，使其與原有的混凝土成為整體，從而提高結構承載力、增大延性、剛度并滿足正常使用要求的加固方法。按粘貼方法可分為注入法粘貼鋼板和壓粘法粘貼鋼板。粘鋼加固具有施工快速、技術先進、性能良好、所占空間小、不影響加固結構外觀等特點，對結構的剛度提高明顯，不減小橋下凈空，并可在不影響交通的情況下進行施工的加固技術。但該法對鋼板的防腐要求很高，且加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平，只有在荷載增加到一定程度、梁體變形達到一定范圍時才能明顯顯現，因而加固初期效果不十分明顯，但裂縫閉合、剛度提高等效果可以看到。
1.4 粘貼纖維復合材料加固
粘貼纖維復合材料加固法是采用高強度或高彈性模量的纖維復合材料，用專門配置的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構件表面，使之與原構件形成整體共同受力，碳纖維與鋼筋共同承受荷載，降低了鋼筋應力，從而使結構達到了加固和補強效果。
目前，結構工程中常用的FRP材料有玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)和芳綸纖維(AFRP)3種，其中以碳纖維增強復合材料(CFRP)應用更多。碳纖維布纖維方向分為單向和雙向2種，其中以單向布應用為主。碳纖維布具有高的強度重量比和剛度重量比率、良好的抗疲勞性及高的耐久性、耐腐蝕、熱膨脹系數低等特點。
該法特點是幾乎不增加結構自重和截面尺寸；不改變橋下凈空高度；施工方便；對原結構幾乎不會造成新的損傷；具有良好的耐腐蝕性、耐久性和抗疲勞性能；優(yōu)異的力學性能，可有效應用于多種結構補強，包括抗彎、抗剪、抗壓、抗疲勞、抗震、抗風、控制裂縫和撓度的擴展，增加結構的延性；根據受力分析可進行多層粘貼進行補強，其方向性也可以靈活掌握。此外碳纖維質地柔軟，可在不改變結構外型的前提下補強各種混凝土結構物，加固后可用混凝土砂漿涂敷，或根據要求涂裝各種顏料，修復補強不留痕跡。
1.5 體外預應力加固
預應力技術是20 世紀最具有革命性的結構構思，已廣泛用于土木工程和建筑工程。預應力加固技術在橋梁加固中的應用，具有更為特殊的意義。橋梁結構預應力加固體系主要有三種：體外預應力加固體系；有粘結預應力加固體系；高強復合纖維預應力加固體系。
體外預應力體系由四個基本部分組成:體外預應力索、體外索錨固系統(tǒng)、體外索轉向裝置和體外索防腐系統(tǒng)組成。
體外預應力加固是通過增設體外預應力索（包括高強鋼絲束，鋼絞線或高強度粗鋼筋等作為施力工具，對梁體主動施加外力，以預應力產生的反彎矩抵消部分外荷載產生的內力，從而達到改善橋梁使用性能和提高結構承載力的目的。體外預應力加固是目前公路橋梁改造工程中采用較多的加固方法，特別適用于大跨徑預應力混凝土連續(xù)箱梁和連續(xù)剛構箱梁橋的加固。
該法優(yōu)點是：可平衡卸掉部分恒載；能充分發(fā)揮加固材料，能夠較大幅度地提高結構的承載能力和結構剛度；體外索變化幅度小，無疲勞問題，便于更換體外力筋；能夠有效的控制原結構的裂縫和撓度，使裂縫部分或全部閉合，使撓度大幅度減小，能明顯改善原梁的抗裂性能,提高結構的耐久性；能夠控制和調校體外索的應力；可在不中斷交通的條件下進行,對橋梁的運營影響?。凰枰脑O備簡單，施工工期短，經濟效益顯著。
1.6 改變截面形式加固
?。?）箱梁式
將多梁式鋼筋砼T 型梁橋的下端封閉，使橋梁由開口的П型轉換為閉合的箱型結構，提高截面的抗彎、抗扭剛度，主要適用于T 型梁或П型梁橋。加固效果較好，但施工時在橋下工作，操作空間受到限制，特別是箱型梁底板砼的澆注較困難，該法與增設橫隔板加固有相似之處。
?。?）馬蹄式
采用在T梁梁肋兩側各增設鋼筋混凝土馬蹄，將增強主筋與原梁肋下緣主筋布置在同一平面內并有效加以連接，以達到在承受活載時共同受力、協調變形的目的，可大大增大梁的抗彎、抗扭剛度，提高橋梁的承載能力。這種方法加固工作量小，施工方便、快速便捷，工期短，投資省，加固效果顯著，與增大截面法有相似之處。
1.7 簡支變連續(xù)加固
簡支梁的跨中彎矩較同跨徑的連續(xù)梁、拱式或桁架式體系要大得多，通過在相鄰簡支梁支點區(qū)域進行連接處理，將簡支梁橋變?yōu)檫B續(xù)梁橋以降低跨中計算彎矩，即稱為簡支變連續(xù)加固法，其中包括鋼筋混凝土結構連續(xù)和預應力混凝土結構連續(xù)，預應力混凝土結構連續(xù)又可分直束和彎束兩種，是“變被動加固為主動加固”的加固方法。該法不足之處是一般會拆除并重新鋪裝部分橋面，增加了工程量和費用。其加固效果受支點連續(xù)構造處的施工質量影響較大。
1.8 主梁拓寬
當梁體結構基本完好，橋面需要拓寬改造時，常用方法有多種，其中包括：增設鋼筋混凝土懸臂挑梁、單邊新建橋梁、增設主梁等。當采用增加主梁的方法進行拓寬改造時，新增加的主梁一般設置在邊梁外側。就具體拼接方式而言，目前主要有上部結構與下部結構均不連接、上部結構與下部結構均連接和上部結構連接、下部結構不連接三種方式。
1.9 增加橫向聯系
對于因橫向整體性差而導致承載能力降低的橋梁結構，可以采用增加橫隔梁的方法進行加固。通過增設橋梁橫向聯系改善上部結構的荷載橫向分布規(guī)律，從而提高橋梁結構整體承載能力。這種加固方法一般用于無內橫梁或少內橫梁的T 形截面及工字形截面梁式橋。
1.10 鋼絲網復合砂漿加固
鋼絲網復合砂漿加固法是在混凝土構件表面鋪上鋼絲網，復合砂漿作為保護和錨固作用，使其共同工作整體受力，以提高結構承載力的一種加固方法。鋼絲可采用預應力平行鋼絲或普通鋼筋，其實質是一種體外配筋，提高原構件的配筋量，從而相應提高結構構件的剛度、抗拉、抗壓、抗彎和抗剪等方面的能力。鋼絲網復合砂漿加固基本不增加結構自重，高強、高效、適用面廣、耐久耐蝕性好及施工便捷。在歐、美、日等西方發(fā)達國家，鋼絲網復合砂漿加固、補強技術研究起步較早,發(fā)展比較成熟，而國內開展這方面研究較晚。近年來，研究人員雖做過一些試驗，并已應用于工程實踐，但基本上還處于起始階段。.
1.11 置換混凝土加固
該法的優(yōu)點與加大截面法相近，且加固后不影響建筑物的凈空，但同樣存在施工的濕作業(yè)時間長的缺點。適用于受壓區(qū)混凝土強度偏低或有嚴重缺陷的梁、柱等混凝土承重構件的加固。
1.12 粘結外包型鋼加固
該法也稱濕式外包鋼加固法，特點是受力可靠、施工簡便、現場工作量較小，但用鋼量較大，且不宜在無防護的情況下用于60℃ 以上的高溫場所。適用于使用上不允許顯著增大原構件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結構加固。
1.13 拱圈下套拱加固
常用于圬工拱橋，由于屬超靜定結構，受力復雜，一旦出現裂縫，其受力截面會發(fā)生應力重分布，也就意味著受力有效截面變小，結構應力增大，承載力降低。因此，對該橋采用變截面鋼筋混凝土下套拱進行了加固處理，即在原拱圈下及橋臺前墻、鋪底底面澆筑一層卵殼形鋼筋混凝土套拱，并通過錨桿使套拱與原拱圈及橋臺緊密結合共同受力，以阻止拱圈及橋臺裂縫、變形。這種加固技術主要是利用增大受力截面和“卵殼效應”，使舊拱橋整體受力均勻，達到增強整體性、提高承載力的目的。
1.14 改變拱肋截面形式加固
增強拱肋之間的橫系梁有助于使拱上荷載的分布更為均勻，從而降低單根拱肋所承受的荷載，提高了拱橋的承載能力。工程上常見的肋拱橋加固將拱肋用鋼筋混凝土箱全部或部分封閉，以增強橫系梁的抗扭剛度，改善拱肋的荷載橫向分布，使其整體受力性能得以提高，避免在偏、重荷載作用下單肋承受過大荷載而發(fā)生過大的變形，從而有效提高鋼筋混凝土肋拱橋的承載能力。
1.15 更換吊桿和系桿加固
我國中、下承式拱橋數量較多、分布廣泛，大多采用柔性吊桿，當拱橋主體結構尚好，但其吊桿或系桿等會因為疲勞以及防護不當等原因而產生較為嚴重的病害，有的甚至產生斷裂，造成車輛和人員的損失。因此，當拱橋的吊桿或系桿不能滿足正常運營要求時，就必須對其進行更換和加固。
1.16 更換拱上填料加固
很多已建成多年的圬工拱橋和雙曲拱橋的拱上填料厚度較大，恒載往往占有很大的比例，橋梁承載能力的絕大部分需要克服恒載自重。隨著車輛荷載的不斷增加造成大部分橋梁的承載能力不足，相應造成主拱圈的開裂，發(fā)展成為病危橋梁。將拱上填料換填為輕質材料，以達到通過調整拱上恒載的方式來調整壓力線，使主拱圈的壓力線與拱軸線盡可能的接近，以達到減小拱內彎矩的目的。同時，當橋梁承受活載的能力下降以及橋梁基礎承載能力受到限制，不能滿足加固拱圈和提高活載所增加的承載能力要求時，還可采用減輕拱上建筑自重的方法對拱橋進行改造，以降低對下部結構的要求，減輕主拱圈的負擔，實踐證明，這種方法是一種經濟有效的措施。
1.17 鋼管混凝土拱脫空注漿加固
鋼管混凝土的最大特性就是鋼管和混凝土的套箍效應，當鋼管混凝土拱中出現多處或大面積不密實狀況，鋼管與核心混凝土之間會發(fā)生內力重分布，從而大大降低該構件的承壓能力以及穩(wěn)定性，為結構的安全運營埋下安全隱患。對于鋼管砼此類病害可采用管內壓漿的方式進行加固，恢復其承載能力。
1.18 鋼管拱外包混凝土加固
從鋼管混凝土拱橋自身結構特點出發(fā)，拱圈作為拱橋決定性的主要承載構件出現病害的機率較高，常見的病害類型如鋼管砼拱整體性差、鋼管銹蝕嚴重等。處治這些病害一般采用外包混凝土進行加固。該法經濟、安全、施工方便，加固后可顯著提高主拱圈的承載能力。
1.19 拱橋頂推加固
在恒載及活荷載的作用下，拱橋橋臺基礎將承受巨大的垂直力及水平推力，并伴隨產生臺后填土的壓縮及基礎的沉降，從而引起拱橋拱軸線的變化及拱頂的下沉。頂推加固法通過推力系統(tǒng)施力對拱腳進行頂推，調整拱軸線以緩解拱頂下沉。
1.20 增補靜壓樁加固
靜壓樁施工在我國很早就開始應用，到上世紀80年代，隨著壓樁機械的發(fā)展和環(huán)保意識的增強，這種方法得到了進一步推廣。該法通過靜力壓樁機以壓樁機自重及樁架上的配重作反力將預制樁壓入土中，對于房屋、水利、橋梁、隧道、港口、堤岸以及碼頭等工程建筑物或構筑物基礎的沉降、滑移、糾偏、提升等工程處理，特別是一些空間環(huán)境狹小工程基礎的加固處理，具有方便靈活的特點，效果顯著。在橋梁加固工程中，特別是對軟土地基處理應用較多。用于靜壓樁施工的鋼筋混凝土預制樁有RC方樁、PC管樁、PHC管樁和PTC管樁，有的地區(qū)還采用外方內圓空心式鋼筋混凝土預制樁。
1.21 上部結構頂升處理
支座是橋梁結構上、下部的連接點，但由于年久失養(yǎng)或橡膠支座本身老化、鋼板支座銹蝕失效等問題，有些已直接影響到橋梁結構安全，需要對支座進行更換，使之恢復功能，這就需要采用主梁頂升的施工方案。橋梁結構在復位、加高時也常常采用上部頂升處治方案。
1.22 臺背換土
橋頭地基土質不良常常造成地基沉陷，尤其當橋頭路基填筑高度較大，就會產生較大的基底應力，在自重和車輛荷載作用下，沉陷很容易發(fā)生，因此臺背一定范圍內須采用模量比較大、容易壓實的材料進行換填，例如石灰土、級配碎石、砂粒等，也可采用輕質路基填料如泡沫聚苯乙烯、粉煤灰等。通過換填來減小路基的壓縮變形，從而減少沉陷的發(fā)生。
1.23 地基注漿加固
橋梁基礎加固施工時，往往存在施工場地狹小，大型機具無法進場等問題，同時也存在施工相關地質資料缺失，基礎土層分布不均，地基承載力難以判斷等困難，注漿法加固橋梁基礎作為一種簡單易行的施工方法能很好的克服上面的困難，有效地提高橋梁地基承載力以滿足使用要求。注漿法加固地基是一種用氣壓、液壓或電化學原理把某些能固化的漿液通過壓漿泵、灌漿管均勻的注入各種介質的裂縫或孔隙中，以填充、滲進和擠密等方式，驅走裂縫、孔隙中的水分和氣體，并填充其位置，硬化后將巖土膠結成一個整體，形成一個強度大、壓縮性低、抗?jié)B性高和穩(wěn)定性良好的新的巖土體，從而改善地基的物理化學性質的施工工藝。
1.24 高壓旋噴樁加固樁基
高壓旋噴樁是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層的預定位置后，利用高壓設備將漿液或水以20～40MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出，沖擊破壞土體，同時鉆桿以一定的速度漸漸向上提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個固結體，即旋噴樁，它具有增大橋臺或橋墩處地基強度，提高基礎承載力、止水防滲，減少支檔結構物壓力，防止砂土液化和降低土的含水量等多種功能。
1.25 鋼花管注漿錨桿加固橋臺
我國很多地方的橋梁的橋墩、橋臺采用圬工砌體材料，由于車輛軸重的不斷增加和車速的提高，在長期動荷影響下，圬工砌塊間的砂漿體逐漸疏松而導致墩、臺出現開裂等病害，有的甚至垮塌，引發(fā)事故。鋼花管注漿錨桿加固就是常采用的一種加固方法，它利用錨桿框架的力學原理對橋臺進行整體性加固。
1.26 拋石防護
拋石防護適用于經常受流水影響的路基邊坡坡腳以及擋土墻、護坡的基礎防護。目前在橋梁加固領域一般應用在橋梁水中墩臺基礎的防護方面，常用鉛絲、型鋼或鋼筋組制成的網狀體，里面裝入卵、砂石進行防護。
