舊橋加固技術(shù)研究與案例分析
2014-08-14
文本摘要：隨著時間的推移，任何公路橋梁都將成為舊橋，都會因各種原因不同程度地存在缺陷、病害需要維修、加固和改造。江西省大部分二十世紀(jì)六、七十年代修建的、設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)較低的公路橋梁仍在服役，截止2000年底，江西的危橋有427座, 13849延米, 舊危橋改造任務(wù)十分繁重，全部推倒重來的思想既不現(xiàn)實，也不科學(xué)，更不應(yīng)該。
關(guān) 鍵 詞：公路舊橋加固 西河大橋 大橋病害 黃花大橋
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一、問題的提出
隨著時間的推移，任何公路橋梁都將成為舊橋，都會因各種原因不同程度地存在缺陷、病害需要維修、加固和改造。江西省大部分二十世紀(jì)六、七十年代修建的、設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)較低的公路橋梁仍在服役，截止2000年底，江西的危橋有427座, 13849延米, 舊危橋改造任務(wù)十分繁重，全部推倒重來的思想既不現(xiàn)實，也不科學(xué)，更不應(yīng)該。因此，我省在八十年代初，在不斷提升技術(shù)等級的公路改造、改建過程中，即開始公路舊橋加固改造技術(shù)的研究與實踐。先后針對不同橋型、不同的加固技術(shù)和方法，完成了多項舊橋加固改造方面的科研項目，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效果，其中兩項獲江西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎。由于舊橋檢測、評定與加固技術(shù)是一項既綜合復(fù)雜又在不斷發(fā)展和更新的技術(shù)，也是公路工程技術(shù)人員共同關(guān)心的熱點問題。所以，下面簡要介紹江西省在公路舊橋加固技術(shù)的一些研究成果和實橋情況。
二、主要開展的科研項目介紹
1、我省于1983年完成“提高小型梁板橋承載能力的研究”，為定性地衡量改建前后橋梁剛度及承載能力提高程度，提出了“剛度提高度”和“承載能力提高度”兩個指標(biāo)，以及計算方法。兩者反映的是全橋狀況，前者指全橋剛度提高了的倍數(shù)，后者指全橋承載能力提高了的倍數(shù)。該項成果多次被外省引用。
2、1988年～1991年完成的“錨噴砼加固雙曲拱橋的研究”，使一座五孔跨徑45米的雙曲拱橋由原設(shè)計荷載：汽－13，拖－60，提高到汽－超20，掛－120，并安全通過總重134噸的超重車。該項成果，經(jīng)交通部科技情報所檢索查新證實，在當(dāng)時屬全國采用錨噴砼加固橋梁中，跨徑最大、提高橋梁荷載等級最多。
3、1994年成功完成全國首座梁底側(cè)采用體外預(yù)應(yīng)力直索加固提載梁式橋的研究，并同時采用錨噴技術(shù)，解決了體外預(yù)應(yīng)力索銹蝕和受溫度變化失效的技術(shù)難題。
4、1996年完成了“帶掛孔普通鋼筋砼雙懸臂梁橋加固研究”課題，成功地應(yīng)用鋼纖維砼解決了橋面負(fù)彎矩區(qū)砼開裂、致使鋼筋銹蝕的問題。
5、成功完成懸臂式拓寬梁式橋和拱式橋橋面的研究，使凈－7的橋面拓寬至凈－9+2×1.5米人行道，總寬12.5米。
6、成功完成碳纖維布加固梁式橋的研究，并通過加固前后鑒定性靜載試驗證實了提高抗彎能力的加固效果。
7、先后成功應(yīng)用粘貼鋼板、粘貼鋼筋、外包砼和套拱法等加固橋梁上部結(jié)構(gòu)；以及多種方法加固橋梁下部結(jié)構(gòu)。
三、典型橋梁的加固方案介紹
1、德興香屯大橋（錨噴法、雙曲拱橋）
1.1 大橋設(shè)計簡況
香屯大橋是通往德興銅礦公路上的一座大橋，1969年8月竣工通車。
大橋設(shè)計荷載為汽—13，拖—60，橋面凈寬為凈-7+2×0.25m。上部構(gòu)造為5孔45m（矢跨比1/6）的雙曲拱，橫向6肋5波。下部構(gòu)造為重力式實體橋墩和加后座的U型橋臺。除德興臺奠基于密實卵石層以外，其余墩臺均建于千枚巖基巖上。
1.2 香屯大橋病害狀況
（1）主拱圈裂縫
①主拱圈中波縱向裂縫，檢查時發(fā)現(xiàn)各孔中波波頂均存在縱向裂縫。
②肋、波連接處裂縫。各孔拱波與拱肋連接處大部分均發(fā)生裂縫。
③拱肋裂縫。各孔拱肋均有橫向裂縫，有不少是U形裂縫，這些裂縫多發(fā)生在拱頂前后10m左右范圍內(nèi)。
④橫系梁裂縫。為數(shù)較少但除第1、4孔外均有發(fā)現(xiàn)。
（2）主拱圈軸線下降
主拱軸線普遍下降，拱頂下降5～18cm，L/4點下降0～9cm，而且上下水下降值很不一致。
（3）橋面變形及破碎
橋面縱向變形已呈波浪形，但高差尚不很大。而橋面破碎現(xiàn)象甚為嚴(yán)重，且集中在3、4、5孔及兩臺后座上，在墩頂附近伸縮縫處裂縫尤其發(fā)達(dá)，以致破碎露筋。
（4）腹拱、立墻病害
腹拱及立墻均為漿砌片石材料，由于防水層質(zhì)量差，許多腹孔及立墻上均有滲水痕跡，以致發(fā)現(xiàn)不少因長年流水侵溶懸掛著的“石筍”。腹拱圈及立墻上也發(fā)現(xiàn)有裂縫。
（5）橋臺后座變形嚴(yán)重
兩橋臺后座擋墻與橋臺連接處沉降縫均增大至8～10cm（設(shè)計為2cm），且從外部可見內(nèi)部填料中的空洞。在橫向、后座兩擋墻均偏出橋臺外緣5～8cm。后座上橋面沉陷多次,修補時發(fā)現(xiàn)其填料在上層2m左右為煤渣，車輛通過時，煤渣則由沉降縫處外泄，因而其上路面不能穩(wěn)定。
⑤墩臺身裂縫
各橋墩上均存在豎向裂縫，反映了施工時混凝土澆筑及水泥、骨料質(zhì)量的一定問題，但裂縫多般為早期出現(xiàn)的許多裂縫，因年代較久，沿縫出現(xiàn)白色晶體析出物。
漿砌片石橋臺上亦發(fā)現(xiàn)不少豎向、斜向裂縫，但較細(xì)微。
1.3 香屯大橋加固設(shè)計要點
通過對該橋進(jìn)行檢查及分析的情況來看，尚未發(fā)現(xiàn)墩臺基礎(chǔ)出現(xiàn)病害的反映，即使是置于非巖石基底上的德興岸橋臺亦未發(fā)現(xiàn)位移的跡象，所以大橋的加固主要針對上部構(gòu)造和橋臺后座。
1.3.1 主拱圈加固
原橫系梁尺寸偏小，橫向聯(lián)系差，屬薄弱構(gòu)件，針對這一病害，將原橫系梁由116×15×18cm加大截面尺寸至116×15×50cm，把拱頂部分三根橫系梁改為橫隔板116×30×84cm，以加強橫向整體性，使全拱寬共同受力。除端系梁外，其它橫系梁原定用噴錨技術(shù)施工，后改為預(yù)制安裝。
由于主拱圈受力大，裂縫多，采用拱肋及拱波部分外包鋼筋網(wǎng)并噴射25#厚6cm砼加固拱圈截面，以提高各孔的整體剛度和承載力，為使拱腳應(yīng)力減小，在每跨拱腳至第二腹孔的拱圈頂現(xiàn)澆30#鋼筋砼， 厚10cm，其設(shè)計圖如下：
1.3.2 橋面
原橋面缺乏穩(wěn)定而堅實的基層，整體性差，有必要將原橋面徹底清除，并挖除部分砂礫墊層（如是非砂礫填料，必須挖除，換上砂礫填料，夯實），再加鋪水泥穩(wěn)定砂礫基層，厚15cm，其上澆筑20cm厚鋼筋砼橋面。
1.3.3 橋臺后座加固
將橋臺后座上路面除去，改成30#鋼筋砼單向簡支預(yù)制板，厚35cm，支承于兩側(cè)墻上。用Φ24mm的錨固鋼筋使之與側(cè)墻相接，其上鋪裝15cm厚30#砼橋面,鋼筋砼板與后座填料間留有空隙，以使活載壓力直接作用在側(cè)墻上，從而減去了活載引起的對側(cè)墻的土壓力，并增加側(cè)墻抗剪能力和基底摩阻力。
1.4 加固后承載能力評定
（1）在汽—超20主要組合荷載，掛—120附加組合荷載和特掛—150附加組合荷載作用下，預(yù)測各測點應(yīng)力，變形和裂縫寬度均滿足規(guī)范規(guī)定的容許限值，因此本橋能承受汽—超20，掛—120和特掛—150。
（2）本橋采用噴錨混凝土補強提高舊橋承載能力達(dá)到預(yù)期效果。
（3）本橋噴錨混凝土補強層與舊橋共同作用是不完全的。由于噴錨混凝土中存在空穴，結(jié)合粘結(jié)強度不高等原因，共同作用程度僅達(dá)65.6%。建議今后采用“濕噴法”進(jìn)行錨噴施工，提高新舊砼共同作用程度，使噴錨混凝土層與舊橋起到完全的整體作用，提高加固效果。
（4）由于老橋收縮、徐變已基本完成，所以噴錨混凝土不承受原橋及自身恒載，在工作階段僅承受活載，故噴錨混凝土強度不控制。
2、320國道靈溪大橋（體外預(yù)應(yīng)力直索加錨噴法、梁式橋）
2.1 靈溪大橋概況
靈溪大橋位于320國道上，原是一座年代已久的老式橋。該橋于1970年10月由七孔不等跨八字撐架木梁橋改建成七孔不等跨簡支鋼筋混凝土梁橋，全長119.99m，上部構(gòu)造為四梁式T梁。下部構(gòu)造均為重力式墩臺、八字墻。設(shè)計荷載為汽—13、拖—60，橋面凈寬為凈-7+2×0.5m人行道。320國道改建成二級公路后，該橋通過的交通量較大，并常有200—300KN左右載貨重車經(jīng)過，且來往行人及自行車、板車亦較多。因此該橋成為全線縮頸段，時有交通事故發(fā)生。為確保交通暢通，與行人和車輛交通安全，經(jīng)上級批準(zhǔn)，將此橋加固和拓寬為荷載標(biāo)準(zhǔn)汽—20，掛—100，橋面凈寬為凈-9+2×1.5m人行道。
2.2 靈溪大橋拓寬加固方案
2.2.1 拓寬加固
靈溪大橋兩端引道已改建為二級公路，混凝土路面亦已修建完成。另改橋位新建已屬不可能。故僅就地改建或拓寬加固兩種方案進(jìn)行了比較。
（1）就地改建方案。為了不中斷交通，就地改建就必須搭便橋，由于橋下水深常年在3～4m左右（因下游建壩），搭便橋費用較高；且改建需拆除原有上、下部結(jié)構(gòu)物，又需一筆可觀費用。但改建后，各橋孔跨徑標(biāo)準(zhǔn)全部結(jié)構(gòu)都是“新”的，在心理上感覺更美觀、耐用、可靠。
（2）拓寬加固方案。此方案可不需搭便橋，只需適當(dāng)控制交通，邊通車邊拓寬加固。由于可以利用原有墩臺，拓寬加固主要在上部構(gòu)造上進(jìn)行，因而可節(jié)約更多投資。只要拓寬加固方案得當(dāng)，亦可滿足設(shè)計荷載要求。但橋孔尺寸長短不一，原橋混凝土標(biāo)號低，又有一定的病害，雖經(jīng)拓寬加固，似乎總感覺不如新橋。
經(jīng)過研究討論，認(rèn)為按照江西現(xiàn)時公路建設(shè)資金緊張的狀況，能節(jié)省的建設(shè)費用應(yīng)盡量節(jié)約、以投入到其它必需的建設(shè)項目中去，故應(yīng)選擇拓寬加固方案。
2.2.2 原橋主梁加固增強方案
加固增強方法很多，如：①以錨噴或現(xiàn)澆混凝土方法增加T梁受拉區(qū)鋼筋及加大梁身斷面；②以鋼板粘貼加固增強；③以體外預(yù)應(yīng)力加固增強等。據(jù)計算，原主梁增強至能承擔(dān)汽車-20級，掛車-100的設(shè)計荷載需增加較多鋼筋，費用較高，故不選用①法；②法因鋼板外露，需經(jīng)常養(yǎng)護且粘貼鋼板不易使其緊密與梁身結(jié)合，故亦未采用。③法所需鋼材較少，且施加預(yù)應(yīng)力可使梁裂縫減少或閉合，施工也簡便，但也存在預(yù)應(yīng)力鋼材防銹蝕問題及加強經(jīng)常養(yǎng)護問題，同時預(yù)應(yīng)力鋼材直接受大氣溫度影響較大。經(jīng)反復(fù)研究，決定采用先用體外預(yù)應(yīng)力加固增強，再以噴射混凝土將其覆蓋的方案。此方方案既可解決預(yù)應(yīng)力鋼材防銹蝕問題，又可避免其直接受大氣溫度影響，同時噴射混凝土后尚可增加梁身抗剪能力。
（1）利用墩頂上兩孔梁端空間設(shè)置現(xiàn)澆橫向懸臂挑梁，其上安裝預(yù)制的微彎板。
（2）在挑梁懸臂部分架設(shè)預(yù)制的π形人行道梁。兩邊橋孔人行道梁較主梁長，一端支承在邊墩挑梁上一端支承在路堤上特設(shè)的支墩上，此舉系為了避免加寬橋臺。
（3）在人行道梁內(nèi)側(cè)的凸緣與舊橋面板間，用25號混凝土澆筑橋面加寬部分，橋面鋪裝層混凝土同時澆筑形成凈-9m行車道，在橋面鋪裝層及橋面加寬部分，均設(shè)置了鋼筋網(wǎng)，使整體性能加強。
（4）橋面伸縮縫設(shè)置在挑梁頂中心，將行車道鋪裝延伸搭架在挑梁上形成。挑梁上橋面鋪裝層下墊設(shè)二層油氈，使其能隨溫度收縮。伸縮縫中充填聚氨脂材料。
墩上懸臂梁及微彎板構(gòu)造圖
2.3 加固后試驗結(jié)論
（1）從撓度測試結(jié)果表明，試驗荷載下人行道梁和T梁撓度均很小。推算得的汽—20荷載（已考慮沖擊系數(shù)）作用下T梁撓度僅為3.607mm，其f/L=1/4574；人行道梁撓度為4.142mm，其f/L=1/4104，均遠(yuǎn)小于L/600，完全滿足使用要求。
從第二加載階段撓度實測值與計算值比較表可看出，實測值大大小于相應(yīng)荷載的計算值，其校驗系數(shù)僅為0.329～0.369，說明人行道梁和T梁的實際剛度比理論計算用的剛度大很多，如T梁計算開裂慣性矩為0.0978m4，返算的實際慣性矩為0.14135m4，而梁的計算換算慣性矩為0.23197m4。
（2）由測試資料可知，加固拓寬前后跨中加載彎矩增大1.631倍時,實測的邊T梁撓度和梁底受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力僅分別增大1.071倍及1.063倍，可見該橋在加固拓寬后上部結(jié)構(gòu)承載能力大，安全可靠。
（3）由測試資料推測的汽—20荷載作用下梁的應(yīng)變、應(yīng)力值與行人荷載、恒載作用下梁的應(yīng)變、應(yīng)力值均較容許值為小，可見加固拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計要求。
2.4 大橋加固效果評價
（1）靈溪大橋采用先以體外預(yù)應(yīng)力加固T梁，后用錨噴混凝土使預(yù)應(yīng)力鋼束與梁體粘合的加固方法，是行之有效的，達(dá)到了預(yù)期的目的和效果。此法在國內(nèi)尚系第一次使用，它不僅使梁的抗彎、抗剪強度及剛度得以增大，且能有效地防止預(yù)應(yīng)力鋼束因暴露在大氣中引起銹蝕，也使其不直接受大氣溫度影響，即可使預(yù)應(yīng)力鋼束工作安全可靠，也減少了今后養(yǎng)護工作和費用。該方法具有施工設(shè)備簡單、施工操作容易、施工速度快和在施工過程中基本不中斷交交通等優(yōu)點。尤其通過施加預(yù)應(yīng)力，主梁將會產(chǎn)生上拱，這對改善舊橋的下?lián)蠣顩r是十分有利的，且可使裂縫減小或閉合。施加體外預(yù)應(yīng)力與噴射砼加固舊橋的組合體根治了原結(jié)構(gòu)由于裂縫等原因產(chǎn)生的應(yīng)力集中并恢復(fù)了原結(jié)構(gòu)變形的協(xié)調(diào)性，使其能抵御更大的外荷載。噴射砼包裹著預(yù)應(yīng)力鋼筋，既發(fā)揮了預(yù)應(yīng)力的作用，又發(fā)揮了噴錨砼優(yōu)越性，也解決了體外預(yù)應(yīng)力鋼材養(yǎng)護難題，經(jīng)濟效益十分顯著，為類似橋梁的加固改造提供了一種十分有效的好途徑。
（2）靈溪大橋采用在墩上澆制的懸臂梁上架設(shè)人行道梁以加寬橋面的方法，使人行道梁除承受人行荷載外，還分擔(dān)了部分行車荷載，充分利用其承載能力，節(jié)約了建造新的深水墩臺的費用，可供類似梁橋拓寬橋面參考。
（3）浮動式工作平臺對加固梁橋是一種很經(jīng)濟的方法，本身安裝拆散均簡單，使用穩(wěn)定安全。值得在橋下常年有水且不很高的梁橋加固時采用。
（4）該橋加固拓寬工藝簡單，施工方便，設(shè)備少，加固費用僅95萬元，如就地建新橋還需搭深水便橋，費用較大，總需要費用250萬元，加固拓寬費用僅為其40%左右。經(jīng)濟效益顯著。
（5）該橋加固拓寬施工除部分項目系在半幅通車的情況下進(jìn)行的。其余均是讓車輛雙向通車，社會效益明顯。
（6）本橋設(shè)計的重點是巧妙地利用了墩上懸臂梁來加寬橋面，避免加寬墩臺，即節(jié)省了經(jīng)費，又大大加快了進(jìn)度，同時施工操作又簡單。
（7）不同的橋梁具備不同的特點，但同類型的橋梁有著相同的特性，其加固方法可以借鑒，但也要具體問題具體分析，巧妙地利用其特性，則許多難點就可迎刃而解。如靈溪大橋墩上懸臂梁、邊孔人行道梁的設(shè)置。
（8）該橋加固拓寬后營運至今，經(jīng)跟蹤觀察使用情況良好。
3、贛州西河大橋（鋼纖維砼加固負(fù)彎矩區(qū)、雙懸臂梁橋）
3.1 西河大橋概況
贛州市西河大橋位于市區(qū)內(nèi)，跨越章江，為該市聯(lián)絡(luò)東西城區(qū)及由105國道進(jìn)入市區(qū)的跨江通道。該橋橋長256.2m，為9孔雙懸臂鋼筋砼梁橋，孔徑為12.6+7×33+12.6m。懸臂孔掛梁計算跨徑為14m。原設(shè)計荷載為汽—10、拖—60，橋面寬度為凈-7+2×1.5m人行道。該橋于1955年按蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)圖并參照洛河橋施工圖設(shè)計，1956年建成通車。
由于大橋建成后交通量日益增多，汽車載重愈來愈大，致使該橋已在主梁正、負(fù)彎矩區(qū)、牛腿上出現(xiàn)眾多裂縫，橋面鋪裝及伸縮縫亦出現(xiàn)破碎及其它損壞現(xiàn)象。由于該橋病害嚴(yán)重，故被禁止稍重車輛通過。1992年以來，贛州公路分局曾先后三次組織對該橋進(jìn)行檢查，拍攝錄像。1993年在對大橋進(jìn)行加固設(shè)計前，亦進(jìn)行了較全面細(xì)致的檢查。
3.2 大橋病害檢查情況
西河大橋病害主要表現(xiàn)在：
（1）主梁裂縫及主梁變形
主梁裂縫主要發(fā)生在錨跨中部（正彎矩區(qū)）梁的下緣及懸臂梁根部（負(fù)彎矩區(qū)）上緣，后者大都貫穿整個車行道翼板。各裂縫寬約在0.1～0.5mm之間。此類裂縫顯然是由于大量重車通過使梁的受拉區(qū)開裂，屬正?，F(xiàn)象。但由于負(fù)變矩區(qū)裂縫在上面，雨水易從裂縫滲入梁內(nèi)，引起鋼筋銹蝕及砼強度降低。
主梁永久性變形嚴(yán)重，從橋欄桿柱變化，可明顯看到這種波浪起伏狀態(tài)，墩臺處與墩中橋面高差大者已達(dá)6cm左右。
（2）牛腿裂縫
牛腿裂縫大都發(fā)生在懸臂孔贛州方向的主梁牛腿上。裂縫大者達(dá)21mm之多，為支座附近豎直裂縫。第七孔處下水南昌方向牛腿砼在支座處脫落一塊，支座鋼板外移，鋼筋外露，支撐其上掛梁，銹蝕嚴(yán)重。掛梁上牛腿裂縫較少，大多是（嵌固端）轉(zhuǎn)角處斜裂縫或豎向裂縫。
在后來鑿開牛腿原砼時，發(fā)現(xiàn)由于鋼筋較密，砼有澆筑不實之處，有空洞存在。
（3）橋面及伸縮縫
橋面呈波浪狀。橋面鋪裝層裂縫及破碎現(xiàn)象甚為嚴(yán)重，在墩頂處及掛孔牛腿上伸縮縫處裂縫尤其發(fā)達(dá)，以致破碎脫落。究其原因，可能是因橋面鋪裝層下是較軟的油毛氈防水層，在重車及沖擊荷載作用下易產(chǎn)生這種破裂現(xiàn)象。
