公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算和加固設(shè)計
2011-06-03 來源：
1 前言
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和時代的進步，人們對安全、快速、舒適和美觀的公路交通提出了越來越高的要求。由于歷史和資金等原因，我國大部分20世紀六、七十年代甚或五十年代修建的橋梁仍在營運使用，但其設(shè)計荷載標準偏低和橋梁寬度偏小等因素，這些橋梁已成為交通運輸中的潛在隱患。對這些舊橋、危橋如要全部推倒重建，則既不科學(xué)，更不現(xiàn)實。更何況歲月無情，任何一座“新”建的橋梁經(jīng)過若干年大自然的侵蝕和使用，終將成為一座“舊”橋。所以，舊橋加固、維修將是一個永久性的技術(shù)課題，舊橋的加固利用和改造已成為橋梁工程建設(shè)中既古老、又年輕的新興學(xué)科；實踐證明，舊橋的檢測、評定與加固是一項既綜合繁雜，又在不斷發(fā)展創(chuàng)新、逐步完善的技術(shù)，也是當今國際土木工程界所共同關(guān)心的熱點問題之一，亦是橋梁建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)之一。舊橋加固改造技術(shù)，是針對正在使用的舊橋進行檢測、評定、維修、加固或改造等技術(shù)對策的總稱。國內(nèi)、外的實踐均以證明，舊橋加固、維修工作是一項技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的舉措。但由于舊橋加固的過程中常存在原始資料和圖紙不全的客觀原因；舊橋加固設(shè)計的規(guī)程尚在制訂；舊橋加固設(shè)計的制約因素和技術(shù)風(fēng)險遠比設(shè)計新橋要大得多。
而且，舊橋加固是一項繁雜的系統(tǒng)工作，工程量往往不大，但涉及面廣，并關(guān)聯(lián)到諸多隱蔽工程。病害原因、加固方法常常因橋、因地而異，且施工工藝多具特殊性和復(fù)雜性。上述情況是舊橋加固工作的特點，應(yīng)引起我們的重視。同時，實踐也證明，盡管每座舊橋的情況各不相同，具有各自不同的特點，但舊橋加固也同其他任何事情一樣，有其內(nèi)在的規(guī)律，也存在一定的共性。我們應(yīng)遵循橋梁加固、改造工作的共性，結(jié)合具體橋梁的特殊性，在實踐中發(fā)揮積極性和創(chuàng)造性，不斷進取和探索，采用最先進的技術(shù)和材料，在舊橋檢測、評定、加固和改造工作中，創(chuàng)造和總結(jié)出多種多樣的、切實可行的技術(shù)和方法。
1.1 舊橋加固工作內(nèi)容
具體到對某座舊橋進行加固和改造時，既要針對其病害特點和環(huán)境條件等，采取相應(yīng)的、有效的、甚至極具創(chuàng)造性的具體措施，同時也應(yīng)遵循一定的工作步驟來開展工作。這些工作包括：
①日常養(yǎng)護發(fā)現(xiàn)橋梁存在較為嚴重的結(jié)構(gòu)病害后決定進行加固的決策過程；
②對橋梁進行結(jié)構(gòu)檢查、檢測和技術(shù)狀況評定；
③舊橋的結(jié)構(gòu)檢算與加固維修方案的擬定；
④加固設(shè)計和編制工程預(yù)算；
⑤加固施工和加固后的鑒定、驗收；
⑥加固前、后必要時進行動、靜載試驗等等。
1.2 關(guān)鍵的三項工作
上述舊橋加固的工作內(nèi)容當中，以下三項是關(guān)鍵性的：
①檢測、評定是舊橋加固工作的“前提”：目的——了解“病情”，診斷“病狀”；要求——檢查要全面、仔細，病害分析要準確。
②結(jié)構(gòu)檢算和加固設(shè)計是舊橋加固工作的“基礎(chǔ)”：加固方法要合理，技術(shù)上要安全、可靠，加固方案的針對性強；靈活應(yīng)用各種技術(shù)方法，創(chuàng)造性地開出“處方”。
③施工質(zhì)量是舊橋加固工作的“關(guān)鍵”：加固施工好比外科醫(yī)生給病人“做手術(shù)”，“成敗”在此 一舉。
2 公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算
2.1 舊橋結(jié)構(gòu)檢算和新橋設(shè)計理論計算的關(guān)系與區(qū)別
在進行公路舊橋結(jié)構(gòu)檢測與評定和加固設(shè)計前均應(yīng)進行必要的橋梁的結(jié)構(gòu)檢算，這項工作是對舊橋進行實際狀態(tài)評定和采取什么樣的有效方法與措施進行加固維修設(shè)計的重要前提。
①一般來講，新橋的設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算是經(jīng)濟、合理地擬定結(jié)構(gòu)尺寸，檢算橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，并使其滿足橋梁的使用和相應(yīng)規(guī)范要求的過程。而舊橋的結(jié)構(gòu)檢算則是利用橋梁現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)尺寸、材料等信息，以及通過現(xiàn)場檢查、檢測而發(fā)現(xiàn)橋梁業(yè)已存在的病害和缺損等結(jié)果，對橋梁的受力性能和狀況、以及安全可靠性進行分析并作出加固維修方案的決策過程。由于兩者的工作在不同階段進行，兩者所擁有的信息及信息量必然會產(chǎn)生較大變化，這就導(dǎo)致舊橋的結(jié)構(gòu)檢算和新橋設(shè)計不僅在宏觀上（涉及過程、原理、準則等）有所區(qū)別，在具體實施中（涉及對荷載和抗力的確定、結(jié)構(gòu)分析方法的選擇以及安全系數(shù)的調(diào)整等）也會有差異。對絕大多數(shù)橋梁來說，其新橋設(shè)計是一次完成的，而舊橋的維修與加固卻常常是在不同的時間點可進行多次。另外由于所搜集到的信息、所采取的方法不同，即使對同一座舊橋進行結(jié)構(gòu)檢算和狀態(tài)評定，橋梁工程師也可能會得出相差很大甚至相反的結(jié)論。
②目前公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算與分析，仍是基本上采用新橋的設(shè)計理論和方法再次進行驗算，且大多數(shù)計算方法是以彈性理論為基礎(chǔ)，盡量也考慮了某些因素對承載能力的影響，但由于對結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的簡化與實際受力狀況的差別（如未考慮實際支座的位置、鋼桁梁節(jié)點的彈性、以及拱腳的固結(jié)情況等等），以及計算采用的簡化材料本構(gòu)關(guān)系與結(jié)構(gòu)材料多維受力下本構(gòu)關(guān)系的不同；以新橋設(shè)計理論和計算方法來進行舊橋的結(jié)構(gòu)計算，難以充分反映橋梁的實際承載能力和狀況，有相當多的檢算結(jié) 果是偏于保守的。事實上，對特定使用條件的特定橋型其承載能力應(yīng)是一個客觀存在，所以對舊橋進行的結(jié)構(gòu)檢算應(yīng)區(qū)別于新橋的設(shè)計驗算方法。因此，有必要深入研究一種能合理、可靠、真實地充分考慮橋梁實際工作狀況、以及結(jié)構(gòu)和材料情況的舊橋檢算與分析評定方法。
③為真實反映舊橋的實際承載能力，在進行舊橋結(jié)構(gòu)檢算中應(yīng)考慮材料的真實情況，如可以考慮混凝土在雙向受力下的破壞準則及非線性本構(gòu)關(guān)系。混凝土在雙向受壓和未開裂時為各向同性材料，開裂后應(yīng)視為正交異性材料，并應(yīng)考慮拉伸勁化和軟化效應(yīng)；而對于混凝土和鋼筋的強度及彈性模量則應(yīng)盡量采用在舊橋結(jié)構(gòu)檢測時的實測值。當肋式拱橋的拱腳出現(xiàn)較嚴重的橫向裂縫時，應(yīng)考慮到原拱腳的固定條件已改變，宜按鉸接來簡化并按內(nèi)力重分布的方法進行結(jié)構(gòu)檢算。
2.2 舊橋的結(jié)構(gòu)檢算特點
①在我國已建成通車的公路橋梁中以中、小跨徑的梁式橋和拱式橋居多，由于近年來的計算理論的發(fā)展、計算機及橋梁結(jié)構(gòu)計算分析軟件的普及與應(yīng)用、以及橋梁靜、動載測試設(shè)備的完善及測試經(jīng)驗與資料的積累，充分證明了過去在橋梁的設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)計算中許多未予考慮和不甚明了的因素。諸如由于橋面鋪裝層的參與結(jié)構(gòu)受力使得跨中實測撓度普遍小于理論計算撓度值；而拱上建筑的聯(lián)合作用和活載的橫向不均勻分布等也都被廣泛證實是客觀存在的，其影響程度是不容忽視的，尤其是在舊橋的結(jié)構(gòu)計算分析和加固設(shè)計時應(yīng)充分考慮和加以利用的。
②在舊橋的結(jié)構(gòu)檢算時，一定要根據(jù)橋梁的實際結(jié)構(gòu)型式，尤其是橋梁的實際橫向聯(lián)系的形式和強弱來選擇采用哪種荷載橫向分布系數(shù)的計算理論和方法。例如，對于預(yù)制安裝的T梁橋，當橫隔板間距較小時，宜采用比擬正交異性板法來計算荷載橫向分布系數(shù)；當橫隔板間距較大時，則宜采用剛接梁法來計算荷載橫向分布系數(shù)才更符合橋梁實際受力狀態(tài)。
③在進行舊橋的結(jié)構(gòu)檢算時，還應(yīng)根據(jù)橋梁檢測時所發(fā)現(xiàn)的較顯著的病害來補充必要的局部結(jié)構(gòu)檢算。例如，許多連續(xù)箱梁橋的橋面鋪裝層網(wǎng)裂和破損非常嚴重，檢查后發(fā)現(xiàn)多為少設(shè)或未設(shè)橫隔板的寬箱窄腹板的箱梁。對于此類橋的結(jié)構(gòu)檢算，不僅要計算箱梁的縱向彎曲應(yīng)力和剛性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，還應(yīng)計算橫向截面的畸變應(yīng)力和橫向彎曲應(yīng)力。當橫向彎曲應(yīng)力過大，或箱梁頂板厚度較薄、剛度較小，即為橋面網(wǎng)裂和破損病害產(chǎn)生的主要原因，對應(yīng)的加固方案為重做橋面鋪裝層（此時一般不宜增加其 厚度，避免影響橋梁縱向線型），設(shè)置加密的鋼筋網(wǎng)，并加粗配置橫向鋼筋，或者增設(shè)橫隔板。
④和新橋的結(jié)構(gòu)計算不同的是，當舊橋的水泥混凝土橋面鋪裝層和梁體結(jié)合可靠、且無破損現(xiàn)象時，可扣除表面2cm磨耗層后將其考慮與梁體共同受力，一并參與結(jié)構(gòu)計算。
⑤在截面應(yīng)力檢算時，不僅要按新橋一樣對各控制截面進行計算，還應(yīng)著重對有嚴重缺損的截面在考慮截面折減后進行檢算，并以此作為選擇加固方案和加固設(shè)計的一個重要依據(jù)。
2.3 舊橋結(jié)構(gòu)檢算的一般程序
①公路舊橋的結(jié)構(gòu)檢算一般至少要進行兩次：首先是基于橋梁原設(shè)計資料和經(jīng)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢查、檢測得到的橋梁實際情況進行結(jié)構(gòu)檢算（加固前），并以此檢算結(jié)果作為評定橋梁狀況和判定是否要進行加固維修的重要依據(jù)。其次，則是在擬定加固維修方案后，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)處理后的信息再次進行結(jié)構(gòu)檢算（加固后），檢算結(jié)果主要用于判定加固方案是否可行和是否達到加固設(shè)計要求。
②加固前對橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)檢算，其結(jié)構(gòu)離散后的計算模型應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)檢查、檢測結(jié)果進行必要的修正，充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)的實際情況和材料性能的變化，計入舊橋檢算系數(shù)和結(jié)構(gòu)惡化系數(shù)等影響。
③加固方案確定后的結(jié)構(gòu)檢算，應(yīng)采用加固后的橋梁結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸等來進行加固后的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算和承載力檢算。加固后的橋梁可能是組合結(jié)構(gòu)，在檢算時應(yīng)注意區(qū)別對待。
3 公路舊橋的加固設(shè)計
3.1 加固方案的選擇
舊橋的病害原因找準后，接下來就是選擇加固方案。國內(nèi)外已有很多成熟的舊橋加固技術(shù)和方法，但要針對某座橋的具體特點加以綜合考慮，要重點考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性和體現(xiàn)創(chuàng)造性。一種病害可能采用多種方法都能處理，如何選擇最優(yōu)的方案，這是切實加固好一座橋梁的最基礎(chǔ)工作。
3.2 加固設(shè)計
加固方案確定后，接著就是進行細部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。要強調(diào)是：由于舊橋加固施工的特殊性，設(shè)計人員應(yīng)將施工方法、工藝流程或施工順序闡述清楚，并應(yīng)有相應(yīng)的技術(shù)要求和衡量工程質(zhì)量的指標。
3.3 橋梁加固設(shè)計人員的職責(zé)與要求
①既要熟練掌握橋梁設(shè)計理論和方法、相關(guān)設(shè)計規(guī)范和標準，還要了解熟悉施工工藝和要求，另外，隨時跟進掌握國內(nèi)外可用于橋梁維修與加固的新材料、新技術(shù)和新工藝，才能做好舊橋的加固設(shè)計。
②應(yīng)熟悉和掌握橋梁的設(shè)計荷載和實際使用荷載的特點與區(qū)別；如在分析橋梁結(jié)構(gòu)如何承受荷載，及承受荷載后的應(yīng)力和應(yīng)變（變形）情況時，應(yīng)明白作用在公路橋梁上的使用荷載是活荷載，而移動性、暫時性是其特點，該作用的大小及作用點，是隨時間而變的。
③設(shè)計人員通過對橋梁的檢測和分析，已了解了橋梁的病害和產(chǎn)生原因，也針對性地提出處治措施，并繪制了加固設(shè)計圖，但最終還是要通過施工單位的加固施工去體現(xiàn)其意圖和達到加固補強的目的。因此，設(shè)計人員要切實配合好施工全過程，尤其是施工前的技術(shù)交底，要詳細講解，以求施工人員明白設(shè)計意圖和工程質(zhì)量要求。同時，要充分調(diào)動施工人員的積極性和創(chuàng)造性，從而補充和完善加固設(shè)計的不足。最終目的就是共同搞好加固施工，使加固設(shè)計意圖和目的完全達到。
4 結(jié)束語
舊橋加固技術(shù)是一門新興的學(xué)科，也是始終在完善、補充、發(fā)展的學(xué)科，隨著橋型的改變、新材料、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，新的、更好的加固方法就會出現(xiàn)和得到應(yīng)用。所以，舊橋加固是一項非常有意義、有前途、有成效的工作，也可以充分體現(xiàn)技術(shù)人員個性化：一個病害可以用很多種方法處理，誰優(yōu)？科學(xué)抉擇；好壞？實踐檢驗。
總之，要做好舊橋的結(jié)構(gòu)檢算和加固設(shè)計工作，應(yīng)多收集資料，積累經(jīng)驗，多加交流，共同進步與發(fā)展；應(yīng)努力做到：認真工作，慎重決策，精心設(shè)計，創(chuàng)造性開展工作。
