辜勇軍，賀朝美

(湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙 410007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通荷載不斷增大，對(duì)既有道路提級(jí)改造和對(duì)出現(xiàn)病害的既有橋梁的處理，設(shè)計(jì)人員面臨的是既有橋梁利用方案問題——拆除重建還是加固利用，建設(shè)方面臨的是如何利用，在結(jié)構(gòu)上最安全，在經(jīng)濟(jì)上最合理。解決好我國既有橋梁利用問題，將為國家建設(shè)節(jié)省不少資金，為保護(hù)環(huán)境作出巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也為橋梁加固科學(xué)提供研究和發(fā)展的基礎(chǔ)。本文通過分析石宋橋病害產(chǎn)生的原因，提出不同的加固方案，并擇優(yōu)推薦應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

石宋橋是蓮易高速(紅旗南路)株洲市市區(qū)內(nèi)的一座橋梁，中心樁號(hào)K1190+848，全長34.1 m，橋面寬40 m，上部結(jié)構(gòu)為1－23 m 普通鋼筋混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)為U 形橋臺(tái)，板式橡膠支座，全橋橫斷面共由23 片空心板組成。石宋路中心線與紅旗南路的中心線的法線方向斜交角為23°。

本橋于1989年由湖南省某設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車－超20，掛車－120。該橋建成通車后，由于該橋處于市區(qū)內(nèi)，車流量大，超限超載車輛眾多，結(jié)構(gòu)本身多處已出現(xiàn)不同程度的病害情況。于2009年7月，株洲市建設(shè)局對(duì)其行車道、人行道及欄桿進(jìn)行了改造。湖南省某檢測(cè)單位于2010年7月對(duì)該橋進(jìn)行了檢測(cè)，該橋存在一定病害和缺陷，將其評(píng)定為三類橋梁。為了提高橋梁的承載力、滿足交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，石宋橋應(yīng)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

為便于說明的論述:①定義蓮花沖往易家灣方向?yàn)闃蛄盒羞M(jìn)的正方向。②橋梁板體編號(hào)以路線前進(jìn)方向的左邊欄桿處的板塊為1 號(hào)板，向右幅欄桿方向依次為2 號(hào)、3 號(hào)……23 號(hào)板，不分左、右幅。③蓮花沖側(cè)橋臺(tái)為0#臺(tái)，易家灣方向橋臺(tái)為1#臺(tái)。

橋梁立面圖見圖1。

圖1 橋梁立面

2 橋梁檢測(cè)結(jié)果

2.1 上部結(jié)構(gòu)——空心板

1)1#板左側(cè)鉸縫處全部露筋、銹蝕;8#板距0#臺(tái)1.5 m 處橫向裂縫、滲漿;9#板距0#臺(tái)0.5 m 處縱向裂縫、滲漿;10#板距支座2.3 m 處縱向裂縫、滲漿;11#、12#、13#板鉸縫處砼脫落、露筋、生銹;15#板距1#臺(tái)支座2 m 處有縱向裂縫、滲漿，長13 m;17#板距1#臺(tái)支座4 m 處有縱向裂縫，長8.5 m;23#板翼緣露筋;全橋所有鋼筋混凝土空心板均產(chǎn)生橫向受力裂縫，最大裂縫寬度達(dá)到0.3 mm。

2)空心板混凝土外觀質(zhì)量較差，多數(shù)空心板混凝土變黑，碳化嚴(yán)重，除22#、23#板外，基本未發(fā)現(xiàn)混凝土剝落、露筋等病害。22#、23#板由于頂升施工時(shí)，對(duì)兩梁體連接鉸縫處混凝土造成了破損，導(dǎo)致該位置鋼筋外漏嚴(yán)重，銹蝕嚴(yán)重。

3)多數(shù)空心板梁底板出現(xiàn)貫穿裂縫，伴有白色碳酸鈣晶體析出。

4)6#與7#空心板間連接鉸縫，17#與18#空心板間連接鉸縫未封閉，11#與12#，12#與13#空心板間連接鉸縫脫落，2#與3#板靠近0#臺(tái)位置鉸縫開裂滲漿。

隨著社會(huì)的發(fā)展以及日益增加的交通量，原橋承載能力不能滿足重車荷載長期通行，存在較大的安全隱患。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)良好，無不良現(xiàn)象。根據(jù)施工圖地質(zhì)勘察報(bào)告，本橋梁0#和1#橋臺(tái)均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，其地基為中風(fēng)化巖石，地基承載力容許值［fa］為800 kPa。

3 病害分析

3.1 病害分類

根據(jù)以上橋梁檢測(cè)結(jié)果，石宋橋主要存在病害為:①空心板混凝土脫落、露筋，鋼筋銹蝕，混凝土碳化;②空心板之間鉸縫脫落;③空心板縱向裂縫和橫向裂縫。

3.2 病害分析

1)空心板混凝土脫落、露筋，鋼筋銹蝕，混凝土碳化成因主要為:橋梁施工質(zhì)量較差和后期的養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致混凝土脫落、露筋，經(jīng)過長時(shí)間的日曬雨淋，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土碳化。

2)空心板之間鉸縫脫落成因主要為:原設(shè)計(jì)鉸縫較淺，板和板之間沒有很好的鉸合，再加上交通量的增大，超載超限車輛的增多，導(dǎo)致板和板之間本來鉸合較弱的鉸縫材料脫落。

3)空心板縱向裂縫成因主要為:原空心板底板偏薄，加上近年來車輛軸重的增大，導(dǎo)致空心板底板應(yīng)力過大，而產(chǎn)生縱向裂縫。

4)空心板橫向裂縫為影響本橋梁安全的主要病害，其主要成因?yàn)?相對(duì)于現(xiàn)在大量重車長期重壓作用下，原橋的截面尺寸偏小，配筋率偏低，其截面不能滿足現(xiàn)在荷載作用下空心板的持久狀況正常使用極限狀態(tài)，導(dǎo)致板底橫向開裂及破損。

4 加固方案

根據(jù)以上病害分析，石宋橋必須進(jìn)行加固處理，才能滿足目前交通對(duì)橋梁的要求和現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。加固處理主要為兩方面，一方面是對(duì)已出現(xiàn)的病害進(jìn)行補(bǔ)救處理;另一方面是對(duì)不能滿足現(xiàn)在交通的承重構(gòu)件進(jìn)行增強(qiáng)、局部更換或調(diào)整其內(nèi)力等措施，使其滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范。

4.1 混凝土缺陷處理

混凝土剝落、掉塊、缺損、凹陷、鉸縫脫落以及鋼筋銹蝕等此類病害主要是施工不良和后期養(yǎng)護(hù)不到位引起，首先應(yīng)將缺陷部位表層的松散混凝土全部鑿除，露出新鮮混凝土，然后利用人工除銹的方法對(duì)缺陷部位的外露鋼筋除銹，并將混凝土表面清理干凈，最后利用環(huán)氧混凝土(或環(huán)氧砂漿)對(duì)缺陷部位進(jìn)行修補(bǔ)。

4.2 混凝土裂縫處理

由于裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展及長期存在，使得潮濕空氣進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的銹蝕，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力降低，影響到結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營甚至安全運(yùn)營，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)目前存在的裂縫進(jìn)行相應(yīng)的處理及控制非常必要。但鑒于裂縫寬度的不同對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也有所不同，此處共分兩種情況對(duì)橋梁的裂縫進(jìn)行灌漿(或封閉)處理，其灌漿材料采用環(huán)氧樹脂，封閉材料采用環(huán)氧砂漿，具體處理方法如下所述:①鑒于當(dāng)裂縫寬度＜0.15 mm 時(shí)，其對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕的影響較小，故僅對(duì)此類裂縫進(jìn)行表面封閉;②鑒于當(dāng)裂縫寬度≥0.15 mm 時(shí)，其對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕影響較大，故對(duì)此類裂縫應(yīng)首先騎縫開設(shè)V 槽，然后將V 槽封閉并進(jìn)行灌漿處理。

4.3 加固處理

根據(jù)現(xiàn)行的施工和設(shè)計(jì)規(guī)范，以及目前的施工工藝，主要的加固方法有:增大截面加固法(增大梁板截面和橋面補(bǔ)強(qiáng)法)、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法和改變結(jié)構(gòu)體系加固法。根據(jù)石宋橋?yàn)樯峡缡温返目缇€橋，其不適應(yīng)采用改變結(jié)構(gòu)體系加固法;根據(jù)其原結(jié)構(gòu)為23 塊空心板組成的上部結(jié)構(gòu)體系，其不適應(yīng)采用體外預(yù)應(yīng)力加固法;再根據(jù)其主要病害為空心板板底產(chǎn)生很多橫向裂縫，其截面和配筋不滿足持久狀況正常使用極限狀態(tài)，所以適應(yīng)本橋梁加固的方法主要有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法和粘貼纖維復(fù)合材料法。

4.3.1 增大截面加固法

增大截面加固受彎構(gòu)件，主要目的是想增加受拉鋼筋數(shù)量及增大受拉合力點(diǎn)的力臂，受拉區(qū)增加的混凝土主要起保護(hù)鋼筋并使新舊鋼筋共同工作的作用。根據(jù)受力特點(diǎn)，增大截面加固受彎構(gòu)件分兩階段受力:第一階段是增大截面的混凝土凝固之前由構(gòu)件自重及新增混凝土產(chǎn)生的截面彎矩對(duì)截面邊緣舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力。第二階段是加固后構(gòu)件新、舊混凝土形成整體共同承受的活載和后加恒載產(chǎn)生的截面彎矩對(duì)截面邊緣新、舊混凝土及鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力。

由于石宋橋橋面近期剛做過橋面改造，因此不適用采用橋面增強(qiáng)法來增大其截面。本方案擬對(duì)空心板板底裂縫等一系列病害處理后，先鑿除舊橋板底混凝土，深度不小于6 mm，露出新鮮混凝土骨料面，并用高壓風(fēng)機(jī)清理表面灰塵，清理鉸縫松散混凝土，對(duì)板底銹蝕鋼筋進(jìn)行清銹處理;根據(jù)圖紙錨筋位置鉆錨筋孔，用高壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行清孔;然后用植筋膠在空心板腹板內(nèi)縱向間隔20 cm 植入箍筋N1，在空心板底板中間每隔20 cm 開槽露出底板箍筋5 cm，然后與N3 號(hào)Z 型鋼筋雙面焊接，N1 與N3 鋼筋雙面焊接，然后穿入17 根Φ22 主筋并和箍筋綁扎;最后立模并澆筑15 cm 厚C40 自流密實(shí)混凝土。增大截面加固設(shè)計(jì)如圖2所示。

4.3.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將抗拉強(qiáng)度高的鋼板粘貼在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件表面，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，從而取得抗彎、抗剪能力，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高橋梁的承載能力和耐久性。

該方案擬對(duì)空心板板底裂縫等一系列病害處理后，對(duì)6 mm 厚的加固鋼板進(jìn)行切割、除銹、鉆孔等加工，并運(yùn)抵工地;對(duì)空心板板底表面進(jìn)行整平，鑿除表面凹凸不平整處及風(fēng)化層，并用鋼絲刷或壓縮空氣清除浮塵，然后用高強(qiáng)砂漿抹平;用丙酮擦一遍已加工好的鋼板，除去油污和擦洗干凈，最后在鋼板表面涂一層改性環(huán)氧樹脂薄漿，待干燥后在鋼板上均勻地鋪一層(1.5 ±1)cm 膠黏劑，隨即將鋼板貼到空心板下表面上，在鉆孔處植入膨脹螺栓，旋緊螺絲進(jìn)行加壓，使多余的膠漿沿板邊擠壓出來，達(dá)到密貼的程度;清除鋼板表面污染，用鋼刷除去螺栓的銹斑，先涂一層環(huán)氧防銹底漆，然后再涂兩層環(huán)氧防銹面漆在上面進(jìn)行保護(hù)。

每塊空心板縱向粘貼5 塊22 000 mm×100 mm×6 mm 鋼條，間隔為30 cm;橫向粘貼21 塊17 000 mm×100 mm×6 mm 鋼條，間隔為100 cm。粘貼鋼板加固設(shè)計(jì)如圖3所示。

4.3.3 粘貼纖維復(fù)合材料加固法

粘貼纖維復(fù)合材料加固法是采用專門的樹脂將纖維復(fù)合材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，纖維復(fù)合材料和原結(jié)構(gòu)形成新的受力整體，纖維復(fù)合材料與鋼筋共同承受荷載，降低了鋼筋應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到加固和補(bǔ)強(qiáng)的效果。

該方案擬對(duì)空心板板底裂縫等一系列病害處理后，用修補(bǔ)材料將混凝土表面凹凸部位修復(fù)平整，如果有毛刺，應(yīng)用砂紙打磨并待其干燥;用一次性軟毛刷或特制滾筒將底膠均勻涂抹于混凝土表面，不得漏刷、流淌或有氣泡，待底膠固化后檢查涂膠面，如涂膠面上有毛刺，應(yīng)用砂紙打磨平順;在待加固的混凝土表面按照設(shè)計(jì)圖紙放樣，確定纖維復(fù)合材料各層的位置，在混凝土表面均勻涂刷膠黏劑，按照由上到下的順序粘貼纖維復(fù)合材料，用滾筒將纖維復(fù)合材料從一端向另一端滾壓，除去膠體與纖維復(fù)合材料之間的氣泡，使膠體滲入纖維復(fù)合材料，浸潤飽滿，最后一層纖維復(fù)合材料施工結(jié)束后，在其表面均勻涂抹一層浸漬樹脂(面層防護(hù))，自然風(fēng)干。粘貼纖維復(fù)合材料加固設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 粘貼纖維復(fù)合材料加固設(shè)計(jì)圖(單位:cm)

4.3.4 方案比選

1)計(jì)算。

a)單元離散。

利用橋梁博士3.2 版本軟件將空心板離散為24 個(gè)單元，共計(jì)25 個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型如圖5所示。加固截面利用橋博軟件附加截面功能模擬加固截面自重和受力的不同階段，將其分為原空心板預(yù)制吊裝就位并澆筑二期恒載、較長時(shí)間的運(yùn)營階段、原結(jié)構(gòu)承受加固恒載的加固施工階段和加固截面和原結(jié)構(gòu)共同受力等四個(gè)階段，截面如圖6所示。

圖5 計(jì)算模型

b)邊界條件。

節(jié)點(diǎn)2 和24 分別為雙向約束和單向約束鉸支座，約束情況如圖5所示。

c)荷載計(jì)算。

永久作用:結(jié)構(gòu)重力(分階段)、混凝土的收縮及徐變作用。

可變作用:汽車荷載(公路I 級(jí))、溫度作用;中板橫向分布系數(shù)取0.179。

荷載組合:組合設(shè)計(jì)值Sud=1.2 ×永久作用+1.4 ×汽車荷載+0.8 ×1.4 溫度作用，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

d)計(jì)算結(jié)果。

采用橋梁博士計(jì)算軟件，計(jì)算得出中板在公路－Ⅰ級(jí)荷載作用下，跨中承載能力極限狀態(tài)效應(yīng)組合值和承載能力極限狀態(tài)截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)值以及構(gòu)件在消除自重影響的長期撓度最大值如表1所示。

2)結(jié)果比較。

由表1可以看出，對(duì)于石宋橋的病害處理及加固，以上3 種方案均能達(dá)到使其滿足現(xiàn)行交通要求和現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。通過對(duì)中板跨中截面在公路－Ⅰ級(jí)荷載作用下的彎矩效應(yīng)組合值和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的變化，并根據(jù)設(shè)計(jì)的方案對(duì)工程造價(jià)進(jìn)行估算，3 種方案橫向比較有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體如下:

對(duì)于加大截面加固法而言，由于通過加厚空心板底板的厚度，從而提高了其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但其自身重量也增加了，導(dǎo)致其效應(yīng)組合值也增大，加固后跨中抗彎強(qiáng)度富余值較原空心板雖有所增加;但其撓度增加也較大;雖其工程造價(jià)最低，但該方法需要在原空心板腹板內(nèi)植入很多鋼筋，不僅施工工期長，影響橋上橋下交通，在僅10 cm 厚腹板上植入很多鋼筋，其對(duì)原來鋼筋的定位工作很繁重，甚至容易破壞原結(jié)構(gòu)。

對(duì)采用粘貼纖維復(fù)合材料加固法而言，由于通過粘貼輕質(zhì)的較強(qiáng)抗拉材料，從而改善了板底原鋼筋的受力，其強(qiáng)度提高較明顯，但其效應(yīng)組合值基本不變，加固后跨中抗彎強(qiáng)度富余值較原空心板有所上升;其撓度基本不變;其工程造價(jià)其次，該方法不僅對(duì)原結(jié)構(gòu)恒載加重少，基本不影響橋上交通，施工工期也最短，而且通過粘貼色彩較艷麗的纖維復(fù)合材料，有利于改善橋下環(huán)境。

對(duì)于粘貼鋼板加固法而言，其工程造價(jià)在三者中為最高，施工工期較長，但可以將橫向鋼板跨越橋梁鉸縫，有助于加強(qiáng)橋梁的橫向整體性能，尤其是對(duì)早期鉸縫較淺的空心板橋梁尤為顯得必要。最重要的是通過粘貼高強(qiáng)抗拉材料，從而改善了板底原鋼筋的受力，其強(qiáng)度提高明顯，雖其效應(yīng)組合值因所貼鋼板增加了空心板自重而增加，加固后跨中抗彎強(qiáng)度富余值較原空心板有明顯上升，其撓度僅略有增大。

為確保工程質(zhì)量，避免二次加固浪費(fèi)，本橋梁最后按粘貼鋼板加固法實(shí)施。石宋橋于2013年6月施工完畢，加固后進(jìn)行了靜載實(shí)驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果和目前的運(yùn)營情況來看，其加固效果良好。

3 種加固方案其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較見表1。

表1 各方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表

5 結(jié)語

各種橋梁加固方法有其適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，而實(shí)際工程應(yīng)用中，有時(shí)可以采用不同的加固方法。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員不僅要分析各種加固方法其本身的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，還要對(duì)其工程本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作環(huán)境、原來的施工條件和結(jié)構(gòu)目前的病害及病害產(chǎn)生的原因深入細(xì)致的分析，優(yōu)選一種適用自己研究的工程的加固方法。

橋梁加固是在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上形成的新型學(xué)科，要重視對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行檢測(cè)和觀察，以確定加固的效果，以成功的加固案例來指導(dǎo)其他橋梁的加固，確保危舊橋的改造工作科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)安全。

［1］JTG/T J22 －2008，公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTG/T J23 －2008，公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］JTG D62 －2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］路 飛，彭 程.常見橋梁加固方式的分析比較與應(yīng)用研究［J］.公路，2013(10):121 －123.