論交通工程中橋梁加固方法
2011-07-15
1 橋梁加固的基本原則
一般來說，橋梁的加固包括病害橋梁的修復及原有橋梁的改造。其中，病害橋梁的修復一般是由于橋梁老化，運營養(yǎng)護的不當自然原因如橋下垃圾焚燒等使一些橋梁出現(xiàn)了病害而進行維修；原有橋梁的改造一般是由于現(xiàn)在交通運輸量的增長、設計荷載標準的提高、公路路基寬度的拓寬等使一些橋梁已不能滿足當前交通運輸?shù)囊蠖M行改造。
橋梁的加固除了應滿足設計規(guī)范，符合技術可行、經(jīng)濟合理、結構安全的原則外，還必須經(jīng)過一定的程序和步驟，這就是要求加固前要對橋梁做針對性的檢測，然后再作出具體的加固方案設計。在具體的加固設計中，必需首先明確“耐用、經(jīng)濟、安全”加固原則。
1） 對于大橋、特大橋，其主要承重構件需要加固補強時，加固設計方案應多樣化，進行方案比選和經(jīng)濟評估，選擇最佳加固方案，以達到最好效果。
2） 加固設計應與施工方法緊密結合，并采取有效措施，保證新老結構連接可靠、協(xié)同工作；
3） 在加固施工中，應盡可能減少對橋上和橋下的通行車輛及行人的干擾，采取必要的措施，減少對周圍環(huán)境的污染；
4） 加固設計及施工盡量不損壞原結構，并保留具有利用價值的構件，避免不必要的拆除或更換；
5） 加固施工中，應采取安全監(jiān)測措施，確保施工人員及結構的安全。
2 加固方案的選擇
加固方案與諸多因素有關，選擇合理的加固方案非常重要，?？紤]下列因素：
1） 橋梁結構型式；
2） 橋位地形、水文、自然狀況；
3） 橋梁現(xiàn)狀分析研究結論；
4） 施工技術水平；
5） 能否封閉交通；
6） 預期加固效果；
7） 資金投入量。
3 橋梁加固的常見方法
3.1橋梁上部結構常用的加固方法
3.1.1體外預應力加固法：
體外預應力法的加固原理是在梁的下緣受拉區(qū)設置預應力材料，通過張拉對梁體產(chǎn)生偏心預應力，在此偏心壓力作用下，使梁體發(fā)生上拱，抵消部分自重應力，減小了結構變形和裂縫寬度、改善了結構受力，能夠較大幅度的提高結構承載力。與通常的預應力混凝土結構相比，力筋與原結構只在錨固點與梁連接，類似于無粘結預應力結構。這種方法在自重增加很小的情況下可大幅度的改善和調整原結構的狀態(tài)，提高結構剛度、抗裂性。此法既適用于通行重車時的臨時加固，也可作為提高橋梁承載力的永久加固措施。
該方法主要適用情況有：當混凝土梁中預應力筋或普通鋼筋嚴重銹蝕及其它病害造成結構承載力下降；需要提高橋梁的荷載等級；用于控制梁體裂縫及鋼筋疲勞應力幅度；適用于高應力狀態(tài)下的結構，尤其是大型結構的加固等情況。
目前常用的體外預應力的方法有：下式預應力拉桿加固法和外部預應力鋼絲束加固法。
3.1.2 體系轉換加固法
改變結構體系加固舊橋通常是指增設附加構件或進行技術改造，使橋梁的受力體系和受力狀況發(fā)生改變，從而起到減小承重構件的應力，改善橋梁性能，達到提高承載能力的目的。這種技術具有提高結構承載力，增大結構剛度，減小撓度等優(yōu)點。
3.1.3 增加構件加固法
增加構件加固法主要是指增設縱梁提高承載能力或拓寬改建，增加橫隔板加強橫向聯(lián)系。當墩臺地基安全性能好，并具有承載能力，上部結構也基本完好，但其承載能力不能滿足要求，同時要求加寬橋面時，一般采用增加承載能力高和剛度大的新縱梁使新舊梁互相聯(lián)結共同受力。對于要進行拓寬改造的則還需要對墩臺進行拓寬。
常使用的方法根據(jù)增加構件及新舊主梁聯(lián)合受力形式可分為：增設縱梁加固（不拓寬橋面）；增設邊梁加固；單邊拓寬技術改造；雙邊拓寬技術改造；增加輔助橫梁加固。
3.1.4 粘貼鋼板加固法
粘貼鋼板加固是采用粘結劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結構物的受拉邊緣或薄弱部位，使之與結構物形成整體，從而提高梁的承載能力的一種加固方法。若使用錨栓將鋼板錨固在梁體上，則又稱錨栓鋼板法，這時鋼板可適當厚一些。鋼板固定于受拉混凝土表面可以增加混凝土結構抗彎剛度，使結構撓度減小，限制了裂縫的發(fā)展。并且施工時可以根據(jù)設計需要進行裁切鋼板，有效的發(fā)揮粘鋼構件的抗彎、抗壓和抗剪的性能，受力均勻，不會在混凝土中產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，除此以外，該方法還具有施工簡便，快速，不影響結構外形，加固費用低，不減小橋梁凈空以及增加荷載不多等優(yōu)點。不足之處是粘結劑的質量及耐久性是影響加固效果的主要因素。
3.1.5 碳纖維加固法
粘貼碳纖維加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構物表面，當結構荷載增加時，兩者共同工作，提高構件承載力，從而達到加固補強的目的。纖維復合材料的力學特點是其應力應變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區(qū)。由于碳纖維具有高強、輕質、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異物理力學性能，以及施工速度快，施工工期短，粘貼質量容易得到保證等優(yōu)點，因此是舊橋加固補強的理想材料。碳纖維加固法中粘結材料的性能是保證碳纖維與混凝土共同工作的關鍵，也是兩者傳力途徑的薄弱環(huán)節(jié)，因此粘結材料應有足夠的剛度與強度保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞，同時應有足夠的韌性，不會因混凝土開裂導致脆性粘結破壞。與其它加固方法相比，采用碳纖維加固舊橋能最小程度的改變原有結構的應力分布，保證在設計荷載范圍內與原結構共同受力。
3.1.6 橋面層補強加固法
橋面補強層加固法是通過在梁頂（橋面）上加鋪一層鋼筋混凝土層，使其與原有主梁形成整體，從而達到增大主梁有效高度和抗壓截面，增加橋面整體剛度，提高橋梁承載能力的一種常用且有效的方法。為了減小補強層增加的恒載，常將原有橋面鋪裝層鑿除，而且能使新老結合良好，共同受力。
3.2 橋梁下部結構加固常用的加固方法
3.2.1 墩臺拓寬加固法
此法適用于基礎承載力不足或埋深太淺，而墩臺又是磚石或砼剛性實體基礎時的情況。擴大基礎地基面積應由地基強度驗算確定。
3.2.2 增補樁基加固法
當橋梁墩臺基底下有軟臥層時，墩臺發(fā)生沉陷；對此采用增補樁基加固法是一種常用而且有效的方法。這種方法是：在樁式基礎的周圍補加鉆孔樁等，以此提高基礎的承載力，增強基礎的穩(wěn)定性。
3.2.3 鋼筋砼套箍或護套加固法
鋼筋砼套箍或護套加固法是一種由于橋梁墩臺由于基礎埋深不夠，或因施工質量控制不嚴等原因，導致墩臺開裂時，有時會出現(xiàn)貫通裂縫，可采用鋼筋砼圍帶或鋼箍進行加固。
3.2.4 橋臺新建輔助擋土墻加固法
由于橋臺臺背水平土壓力過大，引起橋臺傾斜，應在臺背之后加建一擋墻，以抵御過大的土壓力。
3.2.5 擴大基礎加固法
利用舊橋基礎，靠墩臺蓋梁挑出懸臂加寬部分，以便安裝的上部結構。此種情況為只加寬墩臺，上部的蓋梁、墩臺身和基礎則不需予以加固。
上訴各種常見加固方法可中和運用，優(yōu)化組合，更能體現(xiàn)出加固效果及經(jīng)濟效益，但還應注意以下幾點：
1）不同的加固方法有對應的設計計算方法；
2）加固后的橋梁結構承載能力提高幅度受原結構的制約，如原結構配筋率、截面尺寸等，不可能無限制地提高承載能力；
3）對于大跨徑復雜橋梁結構的加固計算，一般要做結構整體分析，有效工具時有限元法，必要時應考慮非線性影響。
4） 加寬加固同時進行時，宜將加寬部分與原橋連為整體，以充分發(fā)揮新加部分的卸載作用。
4 碳纖維特點及優(yōu)越性
碳纖維用于混凝土結構加固修復是一項新技術，它是利用浸漬樹脂將碳纖維布沿受力方向或垂直于受力方向粘貼在受損的混凝土構件上，使之與構件原有鋼筋共同工作，從而達到對混凝土構件的加固補強。加固后可增大結構抗拉及抗剪能力，有效地提高其強度、剛度、抗裂性和延性，控制裂縫和撓度的繼續(xù)發(fā)展。碳纖維復合材料包括碳纖維布和粘接材料，簡單介紹如下： 4.1 碳纖維布具有如下特點
1）強度高；
2）單根纖維間強度變化??；
3）高彈膜，以提供有效的增強作用；
4）在制造與處理過程中強度穩(wěn)定并保持不變。
5）化學性能好，不易也外界發(fā)生反應，引起其原有性能變化。
4.2 粘結材料具有如下特點
粘結材料的性能是保證碳纖維與混凝土共同合作的關鍵，也是碳纖維與混凝土受力過程中的薄弱環(huán)節(jié)，它應有足夠的剛度與強度，保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞，同時應用足夠的韌性，不會因混凝土開裂導致脆性粘接破壞。此外應適應現(xiàn)場施工條件，即能在一般條件下固化，具有適宜的流動性與粘度，固化收縮率小。粘接材料主要包括三類：底膠、整平材料和浸漬樹脂，其作用如下：
4.2.1 底膠：浸入混凝土表面，強化混凝土表面強度從而使混凝土與碳纖維布之間的粘接性得到提高；
4.2.2 整平材料：碳纖維布很有可能因混凝土表面的銳利突起物、錯位和轉角等部位產(chǎn)生損傷或空鼓，從而引起強度降低。整平材料可補平由于混凝土表面劣化或表面處理造成的空洞或斜面，另一方面用于將矩形90o轉角打磨后補成圓弧狀。
4.2.3 浸漬樹脂：將連續(xù)粘貼的碳纖維布結合在一起，使之呈板狀硬化，使纖維之間相互結合、均勻抵抗外力，發(fā)揮纖維整體強度。同時、將碳纖維布與混凝土粘接在一起，形成一個復合性整體，共同抵抗外力。
4.3 碳纖維補強技術的特點及優(yōu)越性
4.3.1 優(yōu)異的力學性能，可有效用于多種形式的結構補強，包括抗彎、抗剪、抗拉、抗疲勞、抗震、抗風，控制裂縫及撓度的擴展。
4.3.2 優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。碳纖維布具有極強的抗酸、堿、鹽、紫外線和防水能力。具有足夠的適應氣溫變化能力。外加防火層后可以有效地防火。因此，可大大增強結構對惡劣外部環(huán)境的適應能力，延長結構壽命。 4.3.3 材料本身質輕高強。可以不增加結構體積和不改變結構外型。增加的結構重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂裝，而不留補強痕跡。
4.3.4 施工工序簡單，可用小型電動工具操作。工種少，用工少，工期短，進度快。更有資料表明能在持續(xù)交通有震動的情況下施工，而不影響補強效果，從而大大縮短了施工斷交時間，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。 5 橋梁常出現(xiàn)的裂縫及處理方法
由于橋梁裂縫是一種很常見的橋梁病害，而且潛在危險比較大，所以，必須對裂縫及時作出處理。
5.1 按形成原因分裂縫可以分為
第一類：由外荷載引起的裂縫，稱為結構性裂縫（又稱為受力裂縫），其裂縫的分布及寬度與外荷載有關。這種裂縫的出現(xiàn)，預示結構承載力可能不足或存在其他嚴重問題。
第二類：由變形引起的裂縫，稱為非結構性裂縫，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結構變形受到限制時，在結構內部就會產(chǎn)生自應力，當此應力達到混凝土抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)，變形得到釋放，自應力也就消失了。
兩類裂縫有明顯的區(qū)別，危害效果也不相同，有時兩類裂縫融在一起。調查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫占主導的約占80%；以荷載引起的裂縫占主導的約占20%。對裂縫原因的分析是裂縫危害性評定，裂縫修補和加固的依據(jù)，若對裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進行處理，不僅達不到預期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險。
5.2 塞縫灌漿
塞縫灌漿是把將一定比例配制的水泥（砂）漿、 環(huán)氧樹脂（砂）漿，通過注射器按一定壓力灌入結構物縫隙內，起到填塞裂縫、避免鋼筋銹蝕并提高結構整體強度的作用。裂縫在橋梁病害中較為普遍，產(chǎn)生裂縫的原因很多，也很復雜。結構物一旦出現(xiàn)裂縫，其受力截面發(fā)生應力重分布，也就意味著受力有效截面變小，結構應力增大，承載能力降低。塞縫灌漿是用膠結材料把結構的裂縫填滿，使力的作用、傳遞盡可能恢復到原狀態(tài)。
塞縫灌漿一般用于處理橋梁上、下部結構裂縫，灌漿分為水泥漿、水泥砂漿、環(huán)氧樹脂漿、環(huán)氧樹脂、砂漿等，具體采用哪一種，應視實際情況而定。通常水泥（砂）漿用于石砌墩、臺和拱圈裂縫，由裂縫的大小來決定灌漿中是否摻砂，采用水泥（砂）漿造價低、效果好。環(huán)氧樹脂漿一般用于鋼筋混凝土結構物，因為鋼筋混凝土構件產(chǎn)生的裂縫較小，易灌滿，粘結性好；環(huán)氧樹脂砂漿多用于橋面裂縫。
先用1：1水泥砂漿勾縫，勾縫時須預留直徑約6—8mm的灌漿孔，孔距視裂縫寬度而定，縫寬處孔距為0.3一0.4 m，縫小處孔距為0.4—0.5m。待勾縫砂漿達到一定強度后即可灌漿。鋼筋混凝土梁的裂縫較小，用環(huán)氧樹脂勾縫，凡大于0.1mm的裂縫都要留孔灌漿，孔距一般為0.4一0.5m，灌漿方法與灌水泥漿大致相同。在公路舊橋加固中，塞縫灌漿是綜合處治的方法之一，用得比較普遍，通過試載及使用觀察，效果較好。
結束語
所以，橋梁的加固維修是必可少的，是保障道路暢通的技術措施之一。它節(jié)約了大量的人力、物力、財力、資源等。如何做好橋梁的正確利用是我們現(xiàn)在急需解決的問題。
參考文獻
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