關于橋梁結構損害和加固方法分析
2015-07-29
一．引言
我國通俗的道路施工中，只是將混凝土巖石或者瀝青鋪設于道路上，這樣的工程沒有考慮到路面的承重、路面的強度與穩(wěn)定性，并且沒有系統(tǒng)的設計參數(shù)和原理，使得路面工程在短的時間內瓦解，給政府乃至國家造成經(jīng)濟損失。橋梁的結構是承受負荷重力的主要載體，同時也是確保橋梁安全的重要支柱。隨著使用時間的增加，在橋梁結構中產(chǎn)生了一些損害，導致橋面結構發(fā)生功能缺陷，威脅橋梁安全。
二.橋梁結構受到損害的原因隨著時間的推移,橋梁結構會受到不同程度的損害,造成這些損壞的原因主要有:建筑材料性能降低、橋梁結構負荷重力過大、環(huán)境影響、自然災害、人為事故損害、設計不合理、施工過程中的不利因素影響等。建筑材料性能降低。橋梁結構使用時間越長,建設這些橋梁結構所使用的建筑材料就會受到越多的磨損,其性能就會降低,從而使得橋梁結構受到不同程度的損害,影響橋梁結構的使用。橋梁結構負荷重力過大。我國目前的橋梁結構很多是按照80年代左右的設計標準設計建造的,那時公路運輸量較低,所以橋梁結構的負荷能力較低,近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展,我國機動車數(shù)量急劇增加,公路運輸量的不斷增大,尤其是工程用重型運輸車的頻頻出現(xiàn),使得橋梁結構負荷重力也不斷增大,導致橋梁結構經(jīng)常處于超載狀態(tài),從而使得沿線道路以及橋梁結構受到不等同程度的損害。環(huán)境影響。環(huán)境影響主要是指溫度和濕度的影響。溫度和濕度的變化會給橋梁結構帶來不同程度的損害。自然災害。自然災害主要是指風、雨、洪水的侵蝕,雷電的襲擊,地震、滑坡等。自然災害會導致橋梁結構受損變形。人為損害。人為損害主要是指車輛、船舶等的碰撞等。人為事故會給橋梁結構帶來直接性的損害。設計不合理。設計不合理主要包括橋型結構設計不合理、設計假定不盡、設計論證過程中缺乏合理的監(jiān)測等。這些設計的不合理都可能成為橋梁結構本身存在的缺陷。施工過程中的不利因素影響。施工過程中的不利因素影響主要包括施工過程中難以控制的不利因素以及施工不合理產(chǎn)生的不利因素。這些不利因素,都會對橋梁造成損害,前者難以控制,但后者卻是可以避免的。
三.橋梁結構加固原則
1. 總體效應原則。在結構加固中，應當考慮到加固之后整體結構系統(tǒng)會發(fā)生何等轉變。在設計橋梁結構加固案例時，應對橋梁的總體進行綜合淺析，以保證橋梁結構的整體性能不被破壞。
2. 設計案例的優(yōu)化原則。在確定加固案例之前，要通過優(yōu)化原則來加以斷定。這其中應該盡量滿足工程的綜合經(jīng)濟指標，考慮加固施工的特點和加固技術的水平，在加固案例的設計和施工組織上采取恰當?shù)氖侄?，減少對外界環(huán)境和局部構件的影響，盡可能地縮短工期。在確定橋梁結構加固設計案例之前，應該對已有結構進行全面檢查和可靠性淺析，在掌握已有結構的性能、構造以及缺陷等資料的同時，對結構的受力情況與持力水平進行淺析，為之后確定加固設計案例奠定基礎。
3. 最大化利用的原則。在路橋梁結構加固時，應盡可能地降低對原橋梁結構的損壞，以保證原有結構的利用性能不被破壞；對于那些已有的結構或構件，在經(jīng)過結構檢測與可靠性鑒定的淺析之后，對其結構構造與承載性能有了全面了解的基礎之上，應該盡量地保留并利用[1]。
四.橋梁加固方法
1.面鋪裝加固法。橋面鋪裝加固法主要包括局部修復鑿補法、重新澆筑混凝土面板加固法和橋面補強層加固法。局部修復鑿補法是對鋪裝層出現(xiàn)的碎裂、脫落、洞穴等進行局部修復的方法，這里要注意的是：修復前要先進行鑿毛，而且鑿毛要使骨料露出，然后再用水泥混凝土修補經(jīng)潤濕的孔，涂刷上粘結材料以加強新舊混凝土間的粘結性；重新澆筑混凝土面板加固法適合無法修補的橋面板，其方法是將原有的行車道鋪裝全部拆除，采取重新澆筑混凝土面板進行加固；橋面補強層加固法不但能達到修補的效果，還能增強梁板的抗彎能力，提升其承載力，其具體方法是在舊有橋面上重新加鋪一層混凝土或鋼筋混凝土補強層。
2. 加大截面法。加大截面加固法又稱外包混凝土加固法，它是在鋼筋混凝土受彎構件受壓區(qū)加混凝土現(xiàn)澆層，增大原混凝土構件截面面積，以而提升構件正截面抗彎，達到加固補強的目的，我們可以通過加厚橋面板或者加大主梁梁肋的高度和寬度來實現(xiàn)。其施工工藝比較簡單，適應性比較強，施工手法成熟，能顯著提升橋梁剛度，能取得比較好的加固效果，能廣泛對一般建筑的梁、板、柱、墻等混凝土結構進行加固。但是這種方法也有著一些缺點，如施工的濕作業(yè)時間比較長，加固之后的建筑物凈空有一定減少，且嵌入的鋼筋銹蝕和混凝土劣化的危險性很大。
3. 碳纖維加固法。碳纖維加固法，全稱為粘貼纖維增強塑料加固法，它是通過采取專門的樹脂將碳纖維粘貼于混凝土結構受拉表面，碳纖維與原結構形成新的受力整體，使它和被加固截面一同抗拉，以而使結構達到了加固和補強效果。碳纖維片材技術性能指標應滿足要求。
這種方法幾乎不會增加結構自重與截面尺寸，也不會轉變凈空高度，施工比較方便，對原始的道路橋梁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，根據(jù)受力淺析可以進行多層粘貼進行補強，其方向性也可以靈活掌握，比如說高強高效，可以大幅度地提升混凝土結構的延性與承載性能，由此適用范圍非常之廣[2]。
4. 粘鋼加固法。所謂的粘鋼加固方法，就是在鋼筋混凝土結構構件承載力不足的區(qū)段表面粘貼一定數(shù)目的鋼板。這種方法適用于各種大、中、小型的橋梁加固，能夠很好地保護原混凝土構件，而且在案例設計及結構計算方面都非常之簡單。但實施歷程中，由于鋼板重量過大，操作上比較復雜，而且固化劑在結硬以后脆性較強，難以保證其粘結的耐久性，此外，鋼板和膠體界面還有著一些潛在的銹蝕。
5. 錨噴技術。隨著施噴機具的進展和速凝劑的利用，現(xiàn)代技術獎噴射鹼與鋼筋網(wǎng)、錨桿配合利用，逐漸改善錨噴技術的。它可以盡量不利用側向模板，而且其運輸、澆注、搗固合并為一道工序、占地面積小且設備簡單、施工機械化程度高、效率高、節(jié)省勞動力，在實施歷程中可以不中斷交通。
6. 外部預應力加固法。這種方法也叫反彎矩法，主要是借助于“預應力”作用完成的一種加固方式。通過在構件外對預應力鋼筋進行張拉，不但能夠增加主筋，提升構件的截面強度，還能減少橋墩底部沉降的幅度，可以說是一種十分積極的加固手段，對受拉區(qū)施加預加壓力，可以抵消部分自重應力，起到卸載、防止裂縫的作用，延長了橋結構的利用壽命。
五．案例分析
某橋梁下部結構擴大基礎和樁基礎維修加固措施3]。
1.工程概述。
該橋梁總長583m，上部結構采用30m標準跨徑預應力T梁和16m鋼筋混凝土空心板。上部結構采用結構簡支、橋面連續(xù)。0號-7號墩臺范圍橋梁為主橋，跨越主河道， 跨徑組成為（330+430）m 的T梁組成，其余跨均為16m鋼筋混凝土空心板引橋。0號主橋臺采用擴大基礎肋板式橋臺，1號-2號橋墩采用擴大基礎雙柱墩，其余主橋墩采用雙柱式墩柱嵌巖樁，主橋墩柱直徑均為1.5m，引橋橋臺采用三柱式樁柱橋臺，引橋橋墩均采用雙柱式樁柱橋墩，引橋墩柱直徑均為1.2m。
2. 0號-6號墩臺基礎病害。
該橋于1997年建成通車，由于河道大量采砂，河床下降嚴重，0號-6號墩臺范圍為跨越主河床跨，目前橋位處河床地面相比橋梁竣工時高程平均下降3m左右，最深處達4m。其中尤以1號墩、2號墩的擴大基礎病害嚴重。下面逐一敘述分析0號-6號墩臺基礎病害。
?。?）0號橋臺基礎病害。0號臺為肋板式橋臺，檢查發(fā)現(xiàn)橋臺已無護坡防護橋臺，橋臺覆土被大量沖刷，擴大基礎外露，基礎局部脫空，地層巖基面基本裸露。分析護坡破壞原因有二點：一是多年洪水沖刷護坡?lián)p毀所致；二是橋臺處公路排水溝排出雨水常年沖刷橋墩臺護坡，導致傾斜巖基外露。護坡?lián)p壞降低了橋臺穩(wěn)定性，加快基礎底部巖基穩(wěn)定性和強度。
?。?）1號-2號橋墩基礎病害。1號-2號墩下部結構為擴大基礎雙柱式橋墩，檢查發(fā)現(xiàn)柱側存在施工時留下的沉井未拆除，沉井底部比擴基底部高程稍高。1號橋墩擴大基礎底部有懸空現(xiàn)象，底部持力層呈倒梯形。1號墩靠近岸側基礎下部落在基巖上，靠近河心側基礎下部沒有完全落在基巖上，基礎下部局部為砂土。2號橋墩基礎處于河水中，但水上河心側沉井出現(xiàn)明顯的傾斜，該處側墻混凝土出現(xiàn)較寬開裂現(xiàn)象。目前1號墩和2號墩立柱還未出現(xiàn)明顯傾斜現(xiàn)象。
基礎沖刷原因：一是河道采砂嚴重，導致河床沖刷下降所致；另一原因為公路排水溝流水直接沖擊1號墩柱基礎附近土層，導致1號墩基礎底部沖刷尤為嚴重。
擴大基礎底部呈倒梯形原因：施工期間沉井下沉時岸側先接觸基巖，而另一側沉井基巖線較深，此時沉井改側未達到基巖，僅在砂土層，而沉井岸側受巖基阻礙已不能下沉，于是施工單位便在沉井中澆筑擴大基礎，造成部分基礎沒有落在基巖上，由于擴大基礎上部尺寸比下部尺寸大，基礎下部土體被沖刷掏空后，基礎底部就呈現(xiàn)場看到的倒梯形形狀。
沉井出現(xiàn)傾斜開裂可能原因：在洪水沖刷下，河床不斷降低，造成沉井下部支承土體被掏空，造成沉井側翻，不均勻沉降受力，局部出現(xiàn)開裂，并不斷傾斜。
從沉井傾斜、基礎脫空、地質鉆探結果分析，擴大基礎和沉井底部未完全接觸傾斜基巖面。土層沖刷后，造成沉井傾斜，擴基懸空，造成擴大基礎有效傳力面積減少，穩(wěn)定性降低。
?。?）3號-6號橋墩基礎病害。3號-6號墩為樁柱式橋墩，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)3號-6號墩基礎沖刷嚴重。該處地面沖刷平均深度達4m。原設計樁基嵌巖2m，經(jīng)計算樁基各項力學指標安全系數(shù)較小，特別是樁側土壓應力已超標。
3. 實施維修加固方法
根據(jù)0號-6號墩結構、病害以及鉆探資料，結合專家組意見，對各墩臺進行不同方法的維修加固處理。對0號臺基礎主要進行矩形擋土墻防護，并設置排水溝引流。對1號-2號墩基礎主要進行封閉方體箱形嵌巖護墻防護，對墻內土體進行壓漿，為減小施工對基礎擾動，保留原沉井，對2#墩傾斜沉井基礎以上部分進行切除。對3號-6號墩樁基礎采取兩種方法：一是利用橢圓形封閉箱形嵌巖護墻防護樁基免于沖刷，二是新增加承臺和鉆孔樁基分擔原有基礎荷載。
?。?）.0號橋臺基礎維修加固措施。0號臺主要采取護坡防護，為排水溝預留空間兼造價考慮，在外露橋臺基礎水平距離外緣1.5m處做C30混凝土擋土墻，擋土墻截面為矩形（主要考慮基巖面不平，矩形狀易于施工），平面繞橋臺成矩形進行布置，護坡基礎嵌巖深度不小于2m。后在擋土墻上做混凝土護坡，坡度為1:1。同時對公路排水溝進行整治，防止流水侵蝕護坡，在護坡邊做排水溝。
?。?）. 1號-2號橋墩基礎加固措施。1號墩—2號墩主要采取防護兼加固方法，利用新嵌入基巖護墻對擴大基礎進行防護。步驟是：簽于擴基底部已出現(xiàn)脫空，施工前首先采用采用片石混凝土壓實基礎脫空部分，用鋼板樁圍堰對擴大基礎進行施工期間臨時支護。然后對基礎與板樁圍堰所圍砂土進行雙液壓漿，灌實基礎下緣土體。做好基礎施工期間支護后，在護墻外側區(qū)域做護墻施工砂袋圍堰，護墻基巖面清理好后指定位置采用12.7cm地質鉆機鉆孔基巖2m，嵌入鋼管混凝土灌注樁，同時保證護墻根部嵌巖0.2m，立模綁扎護墻鋼筋、澆筑混凝土后，澆注混凝土，使護墻與鋼管混凝土樁成為整體?；靥罨A周圍覆土后完成擴大基礎維修處理。
?。?）. 3號-6號橋墩基礎加固措施。原橋樁基設計嵌巖深度2m，基礎承載能力滿足規(guī)范。但由于沖刷較為嚴重，安全系數(shù)較低。為保證橋梁持續(xù)正常使用對樁基進行維修加固處理，加固措施有兩條：
a. 利用新增樁基進行加固。沿3號-6號墩系梁上緣位置向下增設2.4m高承臺，新增承臺與樁基、系梁接觸面植筋。為增加立柱向承臺傳遞荷載途徑，在承臺上緣沿原柱周新增1.5m高圓柱，在界面處植筋。由于新增高樁承臺對河道泄洪能力影響較大，因此承臺尺寸設計盡量小型化、線條平順化。承臺下新設計四根樁基支撐承臺，新增設樁基嵌巖4m，樁徑1.2m。新增樁基以及與原有樁基中距不小于樁徑2倍。
該方法可以較大程度提高下部基礎承載能力，但需要對原有樁柱進行較多量的植筋，對原結構有一定損傷，造價較高，樁基施工需要操作空間較大，施工不方便。
b. 新增護墻防沖刷。由于樁基承載能力有一定安全度，可在樁四周直接做施工用砂袋圍堰，在指定位置采用12.7cm地質鉆機鉆孔入基巖2m，嵌入鋼管混凝土樁，同時保證護墻根部嵌巖0.2m，立模綁扎混凝土護墻鋼筋、澆筑混凝土，使護墻與鋼管混凝土樁成為整體。在護墻內外回填覆土后完成樁基礎防護處理。
該方法可以永久防護樁基免于沖刷，并較少對原結構產(chǎn)生損傷和擾動，但對基礎承載能力增加有限。施工中3號-6號橋墩基礎維修最后采取第二種維修加固方法。
六．結束語
橋梁結構損害是多種因素共同作用的結果，對橋梁結構進行加固，要根據(jù)損害特點、構成原因及損害的程度，選擇合適的加固方法，確保橋梁安全。
