李其軍
(上饒市鉛山公路事業(yè)發(fā)展中心,江西上饒 334500)
隨著我國經(jīng)濟建設發(fā)展和社會進步,交通運輸需求不斷增長,已建橋梁的通行量也不斷加大,同時很多橋梁周圍環(huán)境也由于新的建設活動發(fā)生了較大變化,在諸多因素的共同作用下,橋梁在實際使用過程中會出現(xiàn)一定的結構損傷和材料銹蝕,影響橋梁的結構和功能的完整性,進而導致不同程度的安全隱患。為保障橋梁使用安全,避免重大安全事故,需要對橋梁進行加固處理。研究表明,要提升橋梁加固處理的速度和最終效果,就需要從研究橋梁結構變化基礎、探索橋梁隱患發(fā)展規(guī)律、實際橋梁加固技術和施工工藝等方面入手,全方位提升橋梁加固處理成效,使得橋梁建設能夠為我國交通運輸和經(jīng)濟建設作出更多的貢獻。
隨著我國經(jīng)濟的全面發(fā)展,人民群眾的生活水平進步對物資運輸?shù)目偭亢瓦\轉速度都提出了更高的要求。同時,早期的橋梁設計受到技術和成本壓力等因素制約,其結構設計、建造和布局可能有一定的時代局限性,加上汽車保有量的飛速增長,橋梁需要滿足的交通壓力日益增加。另外,橋梁在長期的外部不良環(huán)境影響下,會出現(xiàn)造橋材料的酸腐蝕、碳化等一系列老化問題,縮短了橋梁使用壽命,加重了橋梁安全風險。
為了適應當前的交通需求,就要對橋梁采取加固措施。通過各種施工技術和工藝,從橋梁的實際情況出發(fā),在充分研究論證的基礎上,對橋梁的結構、周邊環(huán)境、基礎以及橋面、橋身等進行全面改造加固,提升橋梁的自身承重能力,才能在日益增加的交通壓力下減小安全風險事故的概率。
橋梁在使用過程中會發(fā)現(xiàn)諸如設計結構過時、材料老化、規(guī)模不足等多種類型的問題,如果出現(xiàn)重大質量安全隱患,是可以考慮直接拆除的。但橋梁拆除的成本巨大,且施工會引起環(huán)境污染、資源浪費等各種新問題,并不利于城市建設的可持續(xù)發(fā)展。因此,對于可以通過加固技術進行質量問題修復時,就可以使用較少的人力物力達到預定目的,非常有利于節(jié)約社會成本。隨著加固技術進步和先進施工工藝、設備的應用,將來橋梁加固的經(jīng)濟成本會逐漸降低,而可加固處理的橋梁風險類別也會越來越廣,可能目前暫不具備加固條件只能進行拆除的橋梁,未來可以通過更加先進的加固技術進行更加經(jīng)濟合理的處理。
由于實際橋梁自身結構、材料、所處環(huán)境等條件的多樣化,橋梁加固技術也應當在充分調研橋梁問題的基礎上,綜合考慮目標橋梁的損傷機制、部位、特征和經(jīng)濟投入,選擇最優(yōu)方案。一般來說,按照加固部位和原理,大致可以從以下幾個角度進行加固方案的選擇。
橋梁的地基基礎是橋梁質量安全的重要基石,在橋梁加固技術中,對地基基礎的加固起著至關重要的作用。目前主要的技術方法包括換填法和深層注漿攪拌法等。換填法的主要原理是清除地基表層一定厚度的軟弱層,置換為碎石、礦渣、水泥等材料的混合土層,并通過一定的碾壓和攪拌提升表層土壤的整體強度。深層注漿攪拌法的基本原理是通過機械鉆孔設備將水泥漿等材料直接泵入預定深度,并使用攪拌法將泵入材料和周圍土壤充分混合,凝結后形成具有相當強度的地基。
另外,針對樁基礎出現(xiàn)一定通縮問題的橋梁,可采用的處理技術為外包混凝土法,此方法原理是通過增大樁基礎的橫截面積和鋼筋含量,提高樁基礎的承壓能力,以減小樁基下沉的速度,保障橋梁上部結構的穩(wěn)定?;静襟E為先處理前樁基混凝土表層,再采用焊接法連接新舊配筋,然后外部支模澆入新混凝土包裹外層,最終形成一個新的整體樁基礎。
我國橋梁結構多樣,根據(jù)實際建設情況常見的有拱橋、梁橋、斜拉橋、懸索橋以及懸臂橋等。在橋梁設計時,一般都會進行中長期的通行量調研,再加上一定的設計冗余形成最終設計依據(jù),不過隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展,部分橋梁的交通壓力上升過快時,就需要從結構體系加固的角度出發(fā)來對橋梁進行加固,以滿足日漸增長的通行需求。一般來說,結構加固的基本原理是直接或者間接改變橋梁的整體受力體系,使橋梁的整體受力分布更加科學合理,進而提高橋梁的整體可靠性,以達到延長橋梁使用壽命的目的。目前最常見的技術方案是體外預應力加固,通過拉桿和撐桿的使用增加橋梁整體強度,依靠拉桿抵消部分主體自重,依靠撐桿分擔部分主體壓力,在不改變橋梁本身結構和形式的情況下,最大限度地提升橋梁的抗彎、抗裂和承重性能,同時由于該技術方案施工時不影響橋梁的日常通行,可以邊使用邊加固,因此在領域內得到了較廣的普及(見圖1)。
圖1 橋梁結構加固
構件加固是常用的橋梁加固技術手段之一,如增大構件截面法,在實際施工中有著較為普遍的應用,對增加橋梁剛性和強度有著非常好的作用。在橋梁的長期使用過程中,在上部較重荷載的影響下,其內部結構可能發(fā)生一定的未知變化,增加了橋梁的安全風險。增大構件截面法的基本原理,是通過在梁的底部和側面加入主筋等措施,增大構件的截面積,達到增加橋梁強度和抗彎性及提高橋梁承重的效果。
需要注意的是,增大構件截面雖然有操作簡單和效果明顯的優(yōu)勢,但其也有防腐蝕性較差的缺點。在實際應用中,采用該技術時應使用科學方法進行提前計算,確保完成加固后橋梁基礎可滿足要求,必要時可進行一定的物理模擬試驗加以確認。施工完成后,對外表面進行涂刷優(yōu)質防腐涂料等補充措施,以增加橋梁的使用壽命。
表面加固技術一般針對肉眼可觀察到的表層損傷,當橋梁表面出現(xiàn)裂紋、裂縫或者較大面積材料脫落時,其損傷本身就意味著質量安全隱患,影響了橋梁的整體美觀和使用感受,而且如不進行及時處理,還會導致橋梁深層鋼筋材料接觸外部空氣、水分和各種化學物質后產生銹蝕,進一步加劇橋梁安全隱患。
目前表面加固的技術基本分為填充縫隙和直接替代兩種方案。填充縫隙的基本方法,指的是將水泥漿或者其他黏性材料的混合物作為填縫劑,在專門的機械設備輔助下,把填縫劑壓入橋梁表面的縫隙或裂紋中,待其凝固后與原來的橋梁表面構成不透水的整體,阻止空氣和水分滲入深層結構,阻止深層鋼筋材料的銹蝕。直接替代法一般用于橋面加固,當橋面發(fā)生明顯的表層損傷時,會采取部分取代或者全部取代的方式更新路面,首先按照一定規(guī)則的形狀去除橋梁面層,然后鋪設鋼筋網(wǎng)再澆筑混凝土表層,如有需要也可以采用鋪設瀝青路面的替換方式。
新型工程材料具有強度高、質量輕、防水性能優(yōu)及剛性好等優(yōu)勢,隨著材料學和材料加工技術的進步,各種新型材料品類越來越豐富,生產成本也開始逐漸下降,為橋梁加固施工應用奠定了堅實基礎。在橋梁加固施工時使用各種新型材料,是當今和未來一段時間內的研究和應用熱點。比如,高分子化合物環(huán)氧樹脂具有黏度高、塑性好、防水防腐、固結后強度高等優(yōu)點。在橋梁填縫施工時,將環(huán)氧樹脂和水泥漿按一定比例混合后泵入結構縫隙后,可以大大提升修復效果。粘碳纖維片具有抗彎性強、質量輕、不易銹蝕等優(yōu)點,非常有利于鋼筋混凝土橋梁的抗彎、抗剪修復,當橋梁主體鋼筋量較低或腐蝕嚴重時,利用粘碳纖維片修復的效果尤為顯著(見圖2)。
圖2 橋梁細微裂縫加固型環(huán)氧結構膠
無論是哪個部位、哪個階段的加固施工,鋼筋混凝土等主要材料的質量都是工程效果的重要基石,對材料質量的管理應當貫穿全局,并嚴格按照相應的規(guī)章制度進行專職管理。在材料供應商選擇時,應盡量選擇品質有保證的合作企業(yè),避免與一些小企業(yè)和不能保證質量的廠家合作。對于入場材料,要履行嚴格的質量檢查程序,保證鋼筋強度、混凝土配合比等重要參數(shù)符合相關規(guī)范和要求,為提高橋梁建設質量打好基礎。材料入場后如不能立即使用需要暫時堆放,應在適當位置建造可防雨防曬的臨時堆場進行倉庫式管理,還需根據(jù)材料的不同性能進行分類管理。在材料投入使用前,應再次檢查材料質量,杜絕使用銹蝕鋼筋等不合格材料?;炷翝仓?,應加強日常養(yǎng)護工作,以免天氣原因導致其強度損失并影響最終的施工質量。
橋梁損傷具有一定的隱蔽性,為損傷狀況和成因判定帶來了不少困難,在特殊情況下,可能出現(xiàn)一定概率的情況誤判,錯誤地估計了橋梁加固施工安全形勢,成為加固工作的安全隱患。為保障施工期間的橋梁和人員安全,對橋梁的位移和變形監(jiān)測就顯得非常重要,因此應當制定出詳盡的監(jiān)測方案,設置科學的監(jiān)測點位,按照固定的時間間隔對所有的監(jiān)測點位進行觀測記錄,及時分析橋梁位移變化趨勢,據(jù)此指導現(xiàn)場橋梁和施工人員的安全管理工作。必要時,要根據(jù)可能出現(xiàn)的安全事故編制風險預案,并定期進行現(xiàn)場應急演練。加固工作完成后,監(jiān)測工作應當繼續(xù)進行,根據(jù)施工工藝和進度對未來一段時間內的橋梁使用提出科學建議,盡量避免交通量短期變化過快導致的工程質量問題。
考慮到不同橋梁損傷問題原因和特征的多樣性,對于具體的某個橋梁加固和修復,其施工工藝具有特殊性,但是在很多工藝節(jié)點的解決方案中,依然具有較強的共性問題和成功經(jīng)驗值得從業(yè)人員進行認真總結和學習。
在橋梁拓寬工程施工時,可以采用單側依次施工的方法,同時保障施工進度和通行需求;對于舊橋基礎應當充分利用,在保障安全的前提下,將舊橋的橋墩等結構改造后成為新橋的一部分,達到節(jié)約成本的目的;橋面鋪裝時,將鋼筋網(wǎng)設置于拓寬面層,伸縮縫的位置可以設置在橋梁中心部位。
在進行鋼板粘貼加固時,應充分重視施工前的準備工作,不僅要盡量準確地計算出鋼板載荷值,同時也要精確測量出橋梁的尺寸參數(shù),再根據(jù)相關計算過程得出最終的詳細鋼板粘貼方案。鋼板應挑選單體寬且厚度薄的材料,保證基本的剛性和彈性要求。實際使用鋼板的厚度應略微大于計算需求,以滿足加固的承載力需求。
裂縫處理時,應根據(jù)裂縫寬度等參數(shù)選擇合理的修補材料和工藝方法。一般來說,裂縫寬度小于0.3mm 時,宜使用封閉式噴漿處理;裂縫寬度大于0.3mm 但小于0.5mm 時,宜采用鑿槽嵌補法進行處理。但實際施工時,則需要整合考慮后再進行合理選擇。例如,在不同季節(jié),熱脹冷縮現(xiàn)象會影響縫隙寬度變化;研究裂縫形成原因的趨勢,分析當前裂縫將來是否有持續(xù)擴大的風險;充分考慮當?shù)氐慕邓涂諝庵谢瘜W成分和含量,研究其對裂縫的影響程度;調查附近同類型施工的工藝和效果,分析該工程與其他工程的具體差別。在必要的情況下,還可以通過一定的工程試驗來選擇合理的工藝方法。
在我國經(jīng)濟全面發(fā)展的新時期,橋梁建設已經(jīng)邁入新階段,不論是橋梁數(shù)量還是建設規(guī)模,都有不斷增加的發(fā)展態(tài)勢,這種趨勢無疑對未來一段時間內的橋梁加固技術和施工工藝提出了新的挑戰(zhàn)。當前針對橋梁基礎、構件、結構主體以及橋梁表面等方面的加固施工,都已經(jīng)出現(xiàn)了較為成熟的、普及程度也比較廣泛的技術方法。這些工藝雖然都有各自的施工優(yōu)勢,但也都存在著一定的不足之處,這與我國當下的工藝水平和技術裝備水平息息相關。隨著國家科學研究水平和工業(yè)制造水平的整體進步,各種新材料、新工藝、新設備和新技術不斷涌現(xiàn),為橋梁加固技術的跨越發(fā)展奠定了重要基礎,而相關從業(yè)人員和研究者應當以此為契機,不斷吸收優(yōu)秀的經(jīng)驗技術,積極彌補當前技術的短板,為我國橋梁建設事業(yè)的全面進步貢獻力量。