中鐵十五局集團(tuán)有限公司華南公司 陳永祥

梁式橋病害及加固對策

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橋梁結(jié)構(gòu)在成橋運(yùn)營過程中，各構(gòu)件均會產(chǎn)生損傷和性能指標(biāo)的退化。梁橋的常見病害主要有伸縮縫損壞、支座失效、梁體裂縫、柱墩裂縫以及跨中撓度過大等。針對不同構(gòu)件的病害，應(yīng)采取不同的加固維修對策，從而恢復(fù)或提高舊橋承載能力及通行能力，并延長橋梁壽命。

支座 伸縮縫 加固維修 結(jié)構(gòu)剛度

一、引言

橋梁在成橋運(yùn)營中，由于自然環(huán)境和使用環(huán)境的變化，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生損傷和性能指標(biāo)的退化。尤其是許多橋梁超負(fù)荷使用，已帶來嚴(yán)重的安全隱患。而改造又限于資金的緊缺，只能采取投資較少，施工期短，又能緩解當(dāng)前運(yùn)輸緊張狀態(tài)的維修與加固技術(shù)措施。因此，在建和在役橋梁的病害防治，包括橋梁的維修加固是現(xiàn)代橋梁所面臨的重要課題。

梁橋病害主要有伸縮縫損壞、支座失效、梁體裂縫、柱墩裂縫以及跨中撓度過大等。其中梁體裂縫、柱墩裂縫以及跨中撓度過大等屬于結(jié)構(gòu)剛度不足所引起的，其構(gòu)件加固方法有別于支座、伸縮縫等可更換構(gòu)件。以下就這幾種常見病害及加固維修對策進(jìn)行分析。

二、支座病害及處治

橋梁支座處于橋梁上、下部構(gòu)造連接點(diǎn)的重要位置，主要用來將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)，容許上部結(jié)構(gòu)在荷載、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素作用下自由變形（包括軸向伸縮和轉(zhuǎn)動），使結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況符合設(shè)計(jì)計(jì)算圖式，保護(hù)梁端、墩臺帽不受損傷。支座一旦有所損壞，將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

支座在使用過程中，由于設(shè)計(jì)、施工以及材料老化的原因，往往容易發(fā)生以下幾種病害：①支座脫空、不均勻支撐；②支座變形過大；③橡膠老化、開裂； ④支座移位、偏壓等。

對于上述幾種支座病害的處理方法，一般均需要更換支座。具體施工方法為：搭設(shè)頂升支架，采用特制的超薄型油壓千斤頂將梁頂起，橫橋向各片梁也應(yīng)保證同時頂起，具體施工流程如圖1所示。

圖1 支座更換施工流程

三、伸縮縫病害及處治

由于伸縮縫設(shè)置在梁端等構(gòu)造薄弱部位，直接承受車輛反復(fù)動力荷載及沖擊作用，同時還承受疲勞、磨損以及化學(xué)性和物理性的各種侵蝕。在各種綜合作用下，伸縮縫周圍的混凝土在頻繁沖擊作用下容易破損，從而使伸縮縫變形、破壞。

多年的橋梁檢測實(shí)踐表明，橋梁伸縮縫已成為橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生病害最為頻繁的部件之一，其主要病害有：①伸縮量過大，橡膠條被拉裂或擠出；②橡膠條的老化、脫落；③型鋼斷裂及錨固混凝土的開裂、破碎；④ 伸縮縫安裝標(biāo)高與兩側(cè)路面有差異，引起伸縮縫處跳車；⑤伸縮縫本身變形或錨固筋脫落等造成早期損壞。

伸縮縫的維修及加固處理要視其病害的程度而采取不同的措施：對于橡膠條拉裂、老化或脫落，但其他部位完好的伸縮縫，僅需更換跨縫材料，如毛勒縫、橡膠伸縮縫的橡膠條；對于錨固混凝土的破碎或出現(xiàn)粗長裂縫但伸縮縫型鋼及伸縮縫鋼筋完好、伸縮縫使用功能未受損害的伸縮縫，則酌情對伸縮縫錨固混凝土重新澆筑；對于伸縮縫型鋼或鋼筋裸露、變形，而致使伸縮縫使用功能明顯受損的伸縮縫，則需要更換整個伸縮縫裝置，包括跨縫材料和錨固件。

四、結(jié)構(gòu)剛度不足及加固

由外荷載引起的結(jié)構(gòu)裂縫，以及荷載作用下的變形過大，均預(yù)示結(jié)構(gòu)承載能力可能不足或存在嚴(yán)重問題。這種病害在大跨PC箱梁橋里較為突出，主要表現(xiàn)為主跨下?lián)线^大、腹板斜裂縫、底板裂縫等，因此需要對其結(jié)構(gòu)剛度補(bǔ)強(qiáng)。

結(jié)構(gòu)性補(bǔ)強(qiáng)一般通過增大構(gòu)件截面、粘貼補(bǔ)強(qiáng)材料、改變結(jié)構(gòu)體系等方法來實(shí)現(xiàn)，從而改善結(jié)構(gòu)性能，恢復(fù)或提高現(xiàn)有橋梁的承載能力，延長其使用年限，適應(yīng)現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

1. 增大截面法

增大截面法是指在原結(jié)構(gòu)截面處，增加受力鋼筋，加大混凝土截面尺寸，使其與原結(jié)構(gòu)形成整體，從而增大構(gòu)件的有效高度和受力鋼筋面積，增加構(gòu)件的剛度，提高橋梁整體承載力。該法主要針對受力鋼筋和截面尺寸偏小、設(shè)計(jì)荷載等級偏低而導(dǎo)致承載力不足的缺陷，適用于梁（板）橋及拱橋拱肋的加固。

但需注意的是，加大構(gòu)件截面，會使上部結(jié)構(gòu)恒載增加，對原結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)承載力有一定影響，主梁成為二次受力的疊合構(gòu)件。原主梁截面除承擔(dān)原自重產(chǎn)生的應(yīng)力外，還承擔(dān)后期恒載和活載產(chǎn)生的應(yīng)力，需按二次受力疊合梁進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)驗(yàn)算。如果橋面鋪裝也進(jìn)行加固，則可適當(dāng)考慮部分鋪裝層參與受力。

該方法應(yīng)用范圍廣，施工工藝簡單，并具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，能有效增大截面尺寸及截面剛度，但現(xiàn)場作業(yè)量大，養(yǎng)護(hù)期長，而且自重加大產(chǎn)生的內(nèi)力增量會消抵部分或全部結(jié)構(gòu)承載能力，而且截面增大還需注意對結(jié)構(gòu)外觀和凈空的影響。

2. 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。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，且受力均勻，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(fèi)用低，不減小橋梁凈空以及增加荷載不多等優(yōu)點(diǎn)。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。

此種結(jié)構(gòu)除發(fā)生強(qiáng)度破壞外，根據(jù)所粘貼鋼板的范圍，粘貼用膠的強(qiáng)度及混凝土與鋼筋的粘結(jié)力，還可能出現(xiàn)粘結(jié)失效破壞和混凝土保護(hù)層剝落破壞。因此，必須合理確定所用于加固或維修鋼板的厚度、膠體的性能，并從以下3個方面進(jìn)行分析：

（1） 梁僅發(fā)生彎曲破壞，即混凝土壓碎時，鋼板亦屈服。

（2） 合理確定接觸面應(yīng)力以避免粘結(jié)力失效破壞。

（3） 合理確定剪切能力以避免混凝土保護(hù)層剝落破壞。

3. 外包鋼法

外包鋼法加固具有施工簡便、受力簡單直觀（按剛度比分擔(dān)原結(jié)構(gòu)的荷載）、對施工環(huán)境影響小、不顯著增大原構(gòu)件截面尺寸和自重但可以大幅度提高其承載能力等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于提高受壓為主構(gòu)件的承載力、剛度和延度，如橋墩、拱肋、桁架桿件的加固。適用在環(huán)境溫度：-20～60℃范圍內(nèi)，相對濕度不大于 70%，無化學(xué)腐蝕地區(qū)。但需對結(jié)合面進(jìn)行處理，并鉆埋螺栓孔，對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了損傷，且鋼材需作防腐處理，增加了日后的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

外包鋼法加固可分為干式外包鋼和濕式外包鋼法加固，外包鋼用鋼材有型鋼、鋼板、扁鋼和鋼管等。

（1） 干式外包鋼法：當(dāng)型鋼與原柱間無任何聯(lián)接，或填塞水泥砂漿但仍不能確保結(jié)合面剪力有效傳遞時，稱為干式外包鋼法。

（2） 濕式外包鋼法：除鋼筋聯(lián)接外，還以乳膠水泥粘貼或以環(huán)氧樹脂灌漿等方法粘貼，稱為濕式外包鋼法。濕式外包鋼法除角鋼可以分擔(dān)原結(jié)構(gòu)的荷載，外套扁鋼可以對核心混凝土產(chǎn)生約束作用，提高其受壓強(qiáng)度，加固效果優(yōu)于干式外包鋼法。

4. 粘貼纖維復(fù)合材料

纖維復(fù)合材料是高強(qiáng)度的材料，強(qiáng)度通常都達(dá)到3000 MPa以上（如碳纖維），可用于抗彎、抗剪、抗壓（偏心受壓）等構(gòu)件的加固，一般在混凝土梁式橋、板橋、蓋梁的抗彎、抗剪加固中使用較多，還適用于混凝土墩柱的抗壓補(bǔ)強(qiáng)、抗震延性補(bǔ)強(qiáng)以及地震破壞后的修復(fù)。

纖維復(fù)合材料的力學(xué)特點(diǎn)是其應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。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(diǎn)。采用纏繞粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維對軸向受壓構(gòu)件進(jìn)行加固可以明顯地提高柱的承載力，由于高強(qiáng)復(fù)合纖維層的約束作用，在縱向力的作用下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可以較大幅度地提高結(jié)構(gòu)的抗壓承載力。

值得注意的是，纖維復(fù)合材料的彈性模量相對其強(qiáng)度來說卻小得多，常用的一般為230 GPa，高彈性模量也不過380~640 GPa。要發(fā)揮較大的強(qiáng)度，纖維復(fù)合材料需要相當(dāng)大的變形。當(dāng)與鋼筋共同工作，鋼筋完全發(fā)揮強(qiáng)度時碳纖維才發(fā)揮出不到20%的強(qiáng)度，難以高效抑制結(jié)構(gòu)的變形與裂縫的擴(kuò)展。

因此，采用粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維加固，對結(jié)構(gòu)的剛度提高不大，對于以控制結(jié)構(gòu)變形為主要目的的使用功能加固是不適宜的。在加固設(shè)計(jì)時，不能簡單地將碳纖維作為鋼筋的替代物，必須考慮碳纖維片材的受力特點(diǎn)。

5. 改變結(jié)構(gòu)受力體系

改變結(jié)構(gòu)體系加固常使用的方法有：簡支變連續(xù)、梁橋轉(zhuǎn)換為梁拱組合體系或矮塔斜拉橋法、增加輔助墩法等。

（1） 體外預(yù)應(yīng)力加固：把具有防腐保護(hù)的預(yù)應(yīng)力筋布置在梁體的外部（或箱內(nèi)），對梁體施加預(yù)加力，靠后增設(shè)的轉(zhuǎn)向裝置調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力筋的方向，以適應(yīng)內(nèi)力沿梁長方向的變化，以預(yù)加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，達(dá)到提高承載力的目的。

（2） 簡支變連續(xù)法：將兩跨及兩跨以上的簡支梁的梁端連起來，使受力體系由原來的簡支轉(zhuǎn)換連續(xù)，減小跨中正彎矩，提高結(jié)構(gòu)的承載力。

（3） 梁橋轉(zhuǎn)換為梁拱組合體系法：在原梁下設(shè)置拱肋，拱肋上設(shè)立柱及蓋梁來支撐原簡支梁，減小梁的跨進(jìn)和及荷載作用下的跨中彎矩，但原橋墩臺地基應(yīng)力及穩(wěn)定性必須滿足要求才能適用該加固方法。

五、結(jié)論

橋梁加固技術(shù)是目前橋梁工程的新熱點(diǎn)，大量的舊橋需進(jìn)行改造或加固，以滿足公路運(yùn)輸發(fā)展的需要。歷史和實(shí)踐證明，采取有效的加固處理措施，可恢復(fù)甚至提高舊橋承載能力及通行能力，延長橋梁壽命，從而節(jié)省大量投資，獲得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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