申文杰

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

目前橋梁病害問(wèn)題的研究與處理已經(jīng)引起工程界高度重視，而由橋梁墩、臺(tái)和基礎(chǔ)的病害引發(fā)的危橋不在少數(shù)，因此，從橋梁墩、臺(tái)和基礎(chǔ)著手加固處理研究就非常有必要。目前橋梁墩臺(tái)的加固通常采用的辦法是用鋼筋混凝土套箍并施加外部預(yù)應(yīng)力或增大截面尺寸等方法加固墩身[1]。但是這些常規(guī)的方法大部分存在施工工藝復(fù)雜、成本高、構(gòu)件尺寸和自重顯著增大等缺點(diǎn)，因此在橋墩加固方法的選取上需要選擇新的加固方法。

1 橋梁加固技術(shù)

橋梁加固一般通過(guò)對(duì)橋梁局部部位的補(bǔ)強(qiáng)和結(jié)構(gòu)體系的性能改善，達(dá)到恢復(fù)或提高現(xiàn)有橋梁的承載能力、延長(zhǎng)使用壽命的目的。

對(duì)于橋梁有嚴(yán)重缺損的局部構(gòu)件，一般采用粘貼鋼板和復(fù)合纖維材料等方法。

在橋梁抗彎能力不足或橋梁撓度過(guò)大時(shí)，一般采用體外預(yù)應(yīng)力法或者增大截面法。在對(duì)一些建設(shè)年代較久遠(yuǎn)的簡(jiǎn)支體系橋梁加固時(shí),也可以采用簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固法。

其他主要橋梁加固技術(shù)還有改變結(jié)構(gòu)體系、減輕恒載、增加樁基等方法[2]。其中本文重點(diǎn)闡述的是對(duì)嚴(yán)重缺損的局部構(gòu)件進(jìn)行加固（更換）。加固薄弱構(gòu)件方法主要有增大截面、外包鋼板以及體外預(yù)應(yīng)力等，本文著重講的是外包鋼板法在橋墩中的應(yīng)用。

2 外包鋼板加固技術(shù)

2.1 外包鋼板加固技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍

外包鋼板加固技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中施工簡(jiǎn)便，對(duì)施工環(huán)境影響較小，成本較低，沒(méi)有顯著增大原構(gòu)件截面尺寸和自重就可以大幅度提高構(gòu)件承載力[3]。一般來(lái)說(shuō)外包鋼板法適用于受壓構(gòu)件的承載力、剛度、延性提高，適用于相對(duì)濕度不大且無(wú)化學(xué)腐蝕環(huán)境。

2.2 外包鋼板受力模式及計(jì)算

2.2.1 承載力計(jì)算

濕式外包鋼板法加固時(shí)混凝土強(qiáng)度可按約束混凝土計(jì)算；抗壓、抗彎計(jì)算時(shí)外包角鋼應(yīng)乘以強(qiáng)度降低系數(shù)0.85，抗剪計(jì)算時(shí)鋼箍應(yīng)乘以強(qiáng)度降低系數(shù)0.7[1]。

約束混凝土強(qiáng)度計(jì)算：

式中套箍系數(shù)

式中：fc為混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Ac為混凝土面積；fs為鋼箍扁鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度；As為鋼箍扁鋼面積；b為鋼箍扁鋼的寬度；s為鋼箍扁鋼間距。

干式外包鋼板法鋼構(gòu)件與原構(gòu)件所受外力按各自剛度比例分配。

2.2.2 抗彎剛度計(jì)算

外包鋼板加固法抗彎剛度按式（2）計(jì)算[1]：

式中：Ec0為原有構(gòu)件混凝土彈性模量；Ic0為原有構(gòu)件截面慣性矩；Ea為加固型鋼彈性模量；Aa為加固構(gòu)件一側(cè)外包型鋼截面面積；a為受拉與受壓兩側(cè)型鋼截面形心間的距離。

3 工程實(shí)例

某大橋上部結(jié)構(gòu)采用7-30 m裝配式先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；左幅下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土獨(dú)柱實(shí)心墩，右幅下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土雙柱實(shí)心墩，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，4號(hào)墩為聯(lián)端墩；橋墩基礎(chǔ)采用樁接承臺(tái)基礎(chǔ)，橋臺(tái)基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。

本橋左幅1～4號(hào)橋墩、右幅1～4號(hào)橋墩均采用滑模施工，其他橋墩采用翻模施工。

在橋梁檢查中發(fā)現(xiàn)，滑模施工的矩形實(shí)心墩存在豎向、橫向裂縫，部分區(qū)域存在破損露筋、空洞現(xiàn)象，敲擊時(shí)空鼓回響明顯。

3.1 主要病害及原因分析

3.1.1 主要病害

圖1 病害橋墩

在對(duì)存在問(wèn)題的橋墩進(jìn)行了徹底調(diào)查，并對(duì)橋左幅3號(hào)墩進(jìn)行了更為詳細(xì)的有損傷調(diào)查后。通過(guò)對(duì)比橋左幅3號(hào)墩有損傷調(diào)查結(jié)果和其敲擊時(shí)的反應(yīng)，對(duì)其他墩的情況作出了相應(yīng)推斷。

這些橋墩蓋梁下方墩柱存在較多數(shù)量的豎向裂縫，裂縫寬度多數(shù)超過(guò)0.5 mm，個(gè)別向下延伸長(zhǎng)度超過(guò)6 m。墩柱自地面起存在一定數(shù)量的豎向裂縫。個(gè)別墩身橫橋向方向存在橫向裂縫，并未出現(xiàn)閉合，縫寬0.1～0.15 mm。墩柱主筋保護(hù)層厚度控制稍差，下部區(qū)段主筋凈保護(hù)層厚度僅0.5 cm；墩身豎向裂縫與主筋位置分布基本對(duì)應(yīng)，且此類(lèi)裂縫深度較深；在墩柱中上部區(qū)域主筋凈保護(hù)層厚度超過(guò)10 cm。豎向主鋼筋定位狀況較差，墩身周側(cè)主筋分布間距疏密差別較大，密集區(qū)段主筋凈距為0.5～2 cm，稀疏區(qū)主筋凈距超過(guò)30 cm甚至達(dá)到130 cm。主筋外露區(qū)域設(shè)置箍筋或橫向約束鋼筋的數(shù)量明顯少于設(shè)計(jì)圖紙——設(shè)計(jì)圖中箍筋為間距10～15 cm的復(fù)合箍筋（鋼筋為直徑12 mm的HRB335鋼筋），而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)設(shè)置復(fù)合箍筋。在空鼓區(qū)鑿除后基本未發(fā)現(xiàn)完整箍筋，個(gè)別位置偶爾存在長(zhǎng)度小于2 m的橫向鋼筋，其位置設(shè)置在主筋內(nèi)側(cè)，且未形成橫向封閉圈。下部區(qū)段部分主筋與周側(cè)混凝土黏結(jié)性能較差，部分區(qū)段甚至完全脫離；鑿除空鼓區(qū)混凝土后部分鋼筋外凸近3 cm。

依據(jù)大橋左幅3號(hào)墩的專(zhuān)項(xiàng)檢查情況，清除空鼓區(qū)后，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)判斷該墩柱表面整體損傷達(dá)33%，其中表面已清除出的90%區(qū)域未見(jiàn)箍筋及定位鋼筋；在墩柱表層損傷最嚴(yán)重區(qū)段的順橋向方向有大于等于35 cm的混凝土截面折減，橫橋向方向有大于等于15 cm的混凝土截面折減；在墩柱表層空鼓最嚴(yán)重區(qū)段，對(duì)露出的鋼筋逐根判斷，存在鋼筋-混凝土解離的有118根（主筋共152根），該斷面豎向主筋的鋼筋-混凝土解離率達(dá)78%。

3.1.2 原因分析

基于以上病害狀況，初步分析造成上述病害的主要原因是滑模施工時(shí)模板的提升間隔時(shí)間較長(zhǎng)，模板變形等。考慮到橋梁位于沖溝處，并經(jīng)過(guò)調(diào)查過(guò)去曾有泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，結(jié)合以上病害應(yīng)該對(duì)橋墩進(jìn)行加固處理。另外施工時(shí)未按設(shè)計(jì)要求設(shè)置箍筋。因缺少對(duì)豎向鋼筋的定位及緊箍作用，在澆筑混凝土?xí)r豎向鋼筋位置變化將導(dǎo)致下述病害：當(dāng)鋼筋間距變小將致使墩柱的保護(hù)層缺少混凝土骨料；當(dāng)鋼筋向內(nèi)側(cè)或向外側(cè)變形將致使混凝土保護(hù)層厚度不均勻。

按照《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》（JTG D62—2004）中 9.6.1的規(guī)定，該墩應(yīng)按照設(shè)計(jì)圖要求設(shè)置復(fù)合箍筋，缺少箍筋時(shí)橋墩主筋自由長(zhǎng)度增大，鋼筋的抗壓屈能力將相應(yīng)降低。在施工過(guò)程中，下層混凝土強(qiáng)度較低時(shí)進(jìn)行上層混凝土的澆筑將會(huì)因缺少箍筋束縛導(dǎo)致鋼筋受壓變形后與混凝土解離，并最終形成一定面積的混凝土空鼓和伴生裂縫。

3.2 方案比選

3.2.1 外包鋼板加固

圖2 破損露筋

在對(duì)原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后使用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行修復(fù)，然后在墩柱外側(cè)外包鋼板補(bǔ)強(qiáng)。鋼板與墩柱之間留10 cm空隙澆注C40微膨脹混凝土。對(duì)原承臺(tái)加厚處理，并采用法蘭盤(pán)與橋墩外包鋼板相連。

3.2.2 增大橋墩截面加固

在對(duì)原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后，在原墩柱四周澆注新的混凝土以增大橋墩截面，順橋向加大到4.8 m，橫橋向分別加大到10 m（左幅）和5 m（右幅），并增加箍筋和定位鋼筋設(shè)置。新澆注混凝土與原墩柱采用植筋相連。

3.2.3 方案比較

經(jīng)過(guò)對(duì)橋墩承載力的復(fù)核計(jì)算，外包鋼板加固法和增大橋墩截面加固法均能滿(mǎn)足橋墩承載力和抗彎剛度的安全要求。外包鋼板加固法加固效果明顯，投資較少，不影響外觀，但是對(duì)施工質(zhì)量要求高，涉及施工工藝較多。增大橋墩截面加固法加固效果也較為明顯，施工簡(jiǎn)單，但是投資較大，嚴(yán)重影響外形美觀。

綜合比較外包鋼板加固法更有優(yōu)勢(shì)。

3.3 維修方案

3.3.1 病害維修思路

3.3.1.1 修補(bǔ)原有墩柱

為盡量充分發(fā)揮原墩柱的作用，應(yīng)將原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后，使用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿或聚合物修補(bǔ)砂漿等進(jìn)行修復(fù)，盡可能恢復(fù)主筋與混凝土的黏結(jié)。

3.3.1.2 外包鋼板補(bǔ)強(qiáng)

因?qū)υ罩炷量展膮^(qū)的修復(fù)效果、主筋與混凝土的后期協(xié)同受力狀況難以保證達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，因此需對(duì)墩柱再進(jìn)行外包鋼板補(bǔ)強(qiáng)。

3.3.1.3 主要板件的焊接

外包鋼板為傳力構(gòu)件，其縱、橫向的所有連接焊縫均需按設(shè)計(jì)要求熔透，并應(yīng)采用焊縫金屬量少、焊后變形小的坡口，要求對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨處理，以減小應(yīng)力集中。

鋼板的焊接應(yīng)嚴(yán)格遵照本橋招標(biāo)文件的技術(shù)規(guī)范及國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)程、規(guī)范實(shí)施。設(shè)計(jì)圖中所標(biāo)柱的鋼板全部尺寸，均為20℃基準(zhǔn)溫度下的尺寸。鋼板段制造時(shí)，應(yīng)考慮板材的壓縮彈性變形補(bǔ)償值?，F(xiàn)場(chǎng)節(jié)段拼裝焊接時(shí)需要計(jì)入焊縫的收縮量，和節(jié)段間頂板拼接縫寬度，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)豎曲線(xiàn)線(xiàn)形。

由于鋼板為全焊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)焊縫較多，所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大，制造過(guò)程中，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量采用焊接變形小、焊縫收縮小的工藝。所有要求熔透的對(duì)接焊縫及連接焊縫均應(yīng)焊透；所有要求熔透的貼腳焊縫，原則上都應(yīng)熔透。

3.3.2 主要維修措施

a）對(duì)空鼓區(qū)進(jìn)行鑿除后修復(fù)。

b）原橋墩外側(cè)外包鋼板，鋼板與橋墩之間留10 cm空隙，內(nèi)澆注C40微膨脹混凝土，墩底采用法蘭盤(pán)與原橋墩承臺(tái)相連。

c）承臺(tái)加厚80 cm，并植入鋼筋加強(qiáng)與舊承臺(tái)的結(jié)合。

d）原橋墩與后加鋼板通過(guò)植入鋼筋連接一起，以保證鋼板與橋墩連成一體。

e）在原墩柱豎向方向每隔1 m增設(shè)加強(qiáng)箍筋，鑿除橋墩表層混凝土與豎向主筋焊接，端部再與外包鋼板連接。

f）蓋梁橫橋向表面粘帖鋼板，與墩身外包鋼板相焊接，形成整體。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋橋墩存在的病害從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行了研究分析，得出以下結(jié)論：

a）通過(guò)對(duì)橋墩病害的研究分析得出在橋墩滑模施工時(shí)模板的提升間隔時(shí)間不能較長(zhǎng)，時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)使模板變形，最終造成鋼筋混凝土表面出現(xiàn)許多裂縫。

b）外包鋼板加固法施工簡(jiǎn)便、效果直觀明顯、成本低，而且不增大原構(gòu)件截面尺寸和自重，但是卻能大幅度提高承載能力，因此外包鋼板法值得在橋墩加固中推廣使用。

c）簡(jiǎn)單介紹了外包加固方法的原理和特點(diǎn)，并具體闡述了外包鋼板加固方法的一系列工藝流程。