市政桥梁结构加固设计方法

时间：2024-04-24

文/李茜茜

1 前言

当前社会快速发展，人们的生活水平不断提高，对交通运输的需求也更加多样化；与此同时，随着机动车数量的激增，道路桥梁的工作压力也快速增加。建设于10～20年前的很大一部分桥梁结构，由于当时荷载要求、材料性能及施工技术水平相对较低，在长年高负荷运营下，会出现各类病害，影响耐久性甚至危及桥梁安全，必须进行结构加固。

2 市政桥梁加固设计思路

市政桥梁加固设计思路：依据检测报告找到结构病害—通过结构计算分析病害成因—分部、分项进行加固设计。

第一步：发现病害。《桥梁检测报告》是桥梁加固设计的依据，检测报告内容含常规检测、结构检测以及静载、动载试验等几个部分。《桥梁检测报告》通过综合评定桥梁技术状况，确定桥梁的技术状况等级；分析和评价病害对承载能力的影响，确定桥梁结构运营的安全性；通过静载、动荷载试验检验主要构件在设计荷载下的正常使用状态及承载极限状态。桥梁上部结构、下部结构、桥面系以及整座桥梁结构的完好状况可按表1进行评估。

表1 桥梁结构完好状况评估表

第二步：通过结构计算分析病害原因。关键是收集桥梁竣工资料、现场踏勘调研，通过建模计算分析，并对比病害形式，确定病害的成因。桥梁病害主要有以下成因：结构长期超载，运营荷载超越桥梁结构原设计荷载；原结构设计安全系数偏低或者部分设计考虑不周全；原施工技术条件落后，或施工未完全按施工图实施，监理未及时发现隐患。

本文以中北桥为例，阐述桥梁加固设计中病害成因分析的步骤。在桥梁常规检测中发现中北桥桥梁北段支座脱空，支座钢板部分破坏，桥梁端部箱梁整体移动4～5cm。

该桥建于1996年，采用三跨变截面混凝土预应力连续箱梁，跨径布置（20+43+20）m，桥总宽30.6m，设计荷载为汽-20，挂-100。施工过程边跨采用满堂支架现浇，中跨采用挂篮悬浇。因建设年代久远无竣工图，只收集到部分施工过程文字记录。

根据施工方法，建立有限元模型计算分析病害原因如下：三跨预应力连续梁，中跨采用悬浇施工，边跨采用支架现浇施工，边跨/中跨=0.465，边中跨比例偏小，恒载反力边跨仅为中墩的5%，在荷载影响下，边跨支座易脱空；据施工过程文字记录，边跨支座采用非常规施工，即先浇筑箱梁，后安装支座，给支座带来脱空隐患；本桥南端是环城北路交叉口，交通拥堵现象严重，西半幅桥面南边跨及跨中长期处于车辆满载状态，在此工况作用下，北端支座易脱空；北端桥台未设置限位挡块，梁体易产生侧向位移。

第三步：找到病因，需结合各种边界条件，如桥梁现状、新材料特性、施工技术手段等来确定加固方案。

再次以中北桥为例，阐述加固方案的形成过程。最直接的改善边跨梁端反力方法是压重，但压重会降低边跨承载能力，且中北桥预应力钢束布置方式不明，故无实施梁段压重的可能性。本次设计思路是：纠正侧向位移—实施侧向挡块—顶升更换病害支座—梁端设置抗拔拉杆。具体加固设计步骤如下：拆除北侧桥台处伸缩缝，待加固完成恢复；北桥台台帽西侧增设抗震挡块，预留初始空隙8cm；在支座中心线位置设千斤顶，向西顶推，逐级加载，三幅桥同时顶推4cm；北桥台台帽东侧增设C40 抗震挡块，预留初始空隙5cm；北侧桥台设千斤顶，三幅桥同时单端顶升0.5cm，支撑钢垫块；更换橡胶支座，橡胶支座上钢板采用环氧黏钢胶与梁底紧密贴合，无空隙。

由于前期梁体移位，每处支座空隙高度不同，需精确测量顶升0.5cm 后的空隙高度，以确定支座上下钢板厚度，保证落梁后各支座均匀受力，最后再安装台帽与梁体挑臂根部的抗拔拉杆（图1）。

图1 桥梁加固示意图

3 常见病害问题

3.1 混凝土碳化、钢筋腐蚀

在市政桥梁加固设计中，混凝土碳化和内部钢筋腐蚀是最常遇到的病害。混凝土碳化是由于施工过程中二氧化碳因为工艺不当大量渗入混凝土，混凝土中含有很多碱性成分，如硅酸盐，且氧化钙等成分遇水也会生成碱性物质。这些碱性物质除少量在混凝土结构空隙中外，大部分都是以结晶体的状态存在。当过多的二氧化碳渗入，与内部的碱性物质发生中和反应，会使得混凝土结构出现碳化现象，降低碱性物质对钢筋的保护作用，从而发生钢筋腐蚀。钢筋体积膨胀，削弱混凝土对钢筋握裹力，承载能力会大幅降低，且周围的混凝土受挤压导致内部出现裂缝，轻则影响美观，重则影响整体承重能力，易导致严重的安全事故[1]。

3.2 裂缝问题

桥梁裂缝也是常见病害之一，其中拱圈裂缝和主梁裂缝更为常见。裂缝出现的位置不同，所带来的影响也大不相同。裂缝的成因，有些是抗剪，有些是抗弯，还有些是承压，成因不同，加固的方案也完全不同。长期超载运营、恶劣环境、化学反应腐蚀等都会使得混凝土结构发生变化，可能产生较大内应力，整体发生形变，承重不均匀，从而出现裂缝。设计应分析裂缝成因，采用具有针对性、有效性的加固工艺来延长市政桥梁的使用年限，确保其整体质量完好[2]。

4 加固改造措施

4.1 裂缝常规处理方案

4.1.1 对宽度≤0.15mm 的非超限裂缝，用角磨机切割片在裂缝处开“V”型槽，用专用裂缝灌注胶在其表面进行反复涂抹，使胶料渗进裂缝内，封闭弥补裂缝。

4.1.2 宽度＞0.15mm 的裂缝及超限，应采用恒压灌注法对裂缝进行灌注，以达到对裂缝弥补的效果。灌注方法及步骤如下：观测裂缝—清洁裂缝—预留并安设底座—封闭裂缝—注入灌缝胶液—拆除灌浆器—清除表面封缝胶及底座—结束。

4.1.3 对于超限裂缝需要计算，分析裂缝成因，待裂缝封闭后采用粘贴碳纤维加固或者粘贴钢板加固。

以红丰立交桥加固设计为例，阐述裂缝的加固方案。红丰立交桥建成于2004年，桥梁全长约420m。上部结构采用20～25m 多跨简支空心板结构，桥面连续。下部结构为排架柱接盖梁桥墩，普通钢筋结构盖梁。根据《检测报告》数据显示，所有桥墩盖梁均存在竖向裂缝，部分超限影响结构安全使用。裂缝的性状和分布具有共性，裂缝基本出现在正、负弯矩较大的区域，如盖梁跨中底部正弯矩区和立柱对应的盖梁顶部负弯矩区。其中，盖梁顶部负弯矩区裂缝相对较大，并随着荷载作用而逐渐发展。采用桥梁程序对盖梁进行抗弯裂缝验算，荷载与原设计荷载一致。

最容易发生裂缝的位置为柱顶与跨中，计算数据显示，裂缝值基本符合规范要求，但富余量不足，盖梁跨中下缘裂缝存在超限的风险。随着城市的发展，车辆荷载会渐渐超出原设计荷载，导致裂缝形成。为保证结构的安全使用功能，对其进行加固具有紧迫性。提出如下加固设计思路：在盖梁侧面采用压力注胶粘贴钢板，增加盖梁的抗剪能力；在盖梁底部粘贴三层碳纤维布，提高盖梁抗弯能力，阻止盖梁梁底和梁身裂缝进一步扩大。该方案的优点在于施工工艺成熟、效果明显。