浅谈公路桥梁加固技术研究

蔡忠祥

摘 要：公路养护是交通运输行业的一项重要工作，尤其是桥梁更显突出，若因管理养护不到位，将导致交通中断，甚至引发安全事故。桥梁主要由钢筋、混凝土等材料组成。在日常使用过程中，根据不同环境因素及使用情况可能会对公路桥梁造成不同程度的损害。其中常见的桥梁病害主要表现为：混凝土风化脱落、钢筋锈蚀、混凝土裂缝等等，导致桥梁承载能力下降，从而影响使用安全，基于此类桥梁病害，在不新建的情况下，必须采取有效的处治措施加以维护，针对不同的病害采取有效的加固措施。本文就桥梁部分常见的病害类型进行分析;同时，以加固完成的大己保桥通过荷载试验检测情况为例提供参考。对提升公路承载力提出點滴意见，为后期同类型施工提供理论参考。

关键词：公路施工;桥梁加固;加固技术

0 前言

公路作为交通运输的重要组成部分，保证其安全、畅通是关键。早期修建的公路随着时间的推移，在行车荷载作用及自然因素影响下，不同程度存在很多病害。产生病害原因包括：早期修建的公路大多因建设资金的投入、修建的等级、设计的深度、施工能力等不同程度存在先天的不足;在后期运营过程行车荷载的作用，地质、气候的影响;加之近年大型超限超载车辆的运输也给公路承载能力造成了一定的影响等且产生大量病害。若过程管护跟不上，将对使用者的人身安全造成极大威胁。所以要切实提高建设与养护并重的认识，在建项目投入使用后出现病害时须及时进行修复，通过科学的技术方法提高公路使用效率。

1 桥梁常见病害类型及加固方式

1.1 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是桥梁修建过程中出现频率最大的病害类型，引发此类病害的诱因较多，主要是由混凝土强度和密实性未达到施工标准，另外钢筋材料在使用过程中如若暴露在空气中容易出现腐蚀的现象，所以需要对其设置保护层，保护层厚度的数值需要根据不同的施工条件进行差异化选择。钢筋锈蚀会给桥梁建造引发一系列连锁反应，裸露引发的钢筋锈蚀极大程度上降低了桥梁结构的稳定性，桥体受力不均将会造成混凝土的裂缝，影响投入使用效率（如图1）。类似病害，清理露筋区域，对钢筋除锈，用聚合物水泥砂浆修复。

1.2 预应力混凝土裂缝

常规静、动荷载超标会使桥梁混凝土产生裂缝，我们常称为荷载裂缝（如图2）;另外由于混凝土的热胀冷缩特性，在内外部环境发生变化时，混凝土会受温度影响变形，即温度裂缝，温度裂缝受温度影响较大，会随着温度变化随之发生改变（如图3）;混凝土收缩发生变形导致的裂缝称为收缩裂缝，与使用原材料的质量有关，包括差异化水灰比、骨料品种等，同时不恰当的养护技术及振捣浇筑技术也会导致桥梁混凝土出现裂缝。预应力混凝土T梁裂缝，成因多样，可能是一种或多种原因叠加形成。其一是由混凝土配比缺陷导致的，当混凝土中水泥用量过大时会导致水化热偏大，引起混凝土裂缝，其次在进行混凝土浇筑时需要选择适宜的气候因素，如若在早晚温差较大的季节进行施工将会直接导致温度裂缝（如图4）。类似病害，结合完成的桥梁加固案例，加固上采取碳纤维布加固法，此方法操作简单，施工材料质量较小，施工简单，可有效防止混凝土裂缝的扩张。

预应力混凝土T形梁腹板“U”形裂缝。导致预应力混凝土T形梁腹板产生竖向裂缝，可能的原因有：①受工期和材料供应条件的限制，采用安息期过短的散装水泥，导致混凝土水化热过高，产生拉应力;②T形梁早期养护过程中，预制场地环境温度与混凝土发生水化热的内部温度引起较大温差，由于保温、保湿措施不到位，湿养护期过短，产生拉应力;③预制台座脱模剂质量缺陷或脱模剂涂刷后与T形梁混凝土浇筑的时间间隔过长，拆模后导致T形梁马蹄底部与台座接触面摩阻力增大，早期预制梁的自由伸长受到约束，产生拉应力;④采用钢模板，模板在室外暴晒，安装后即刻浇筑混凝土，夜间温度骤降，导致温差过大，产生拉应力;⑤T形梁堆放和安装后，台座上的多点支承变为2点支承，边界条件发生了变化，原来隐性的、肉眼观察不到的微裂缝逐渐显现出来，甚至个别梁片由于预应力张拉时混凝土龄期过短，导致混凝土收缩析变引起的预应力损失值比设计计算的理论值大，导致预应力钢束永存应力降低，腹板设计压应力储备下降，投入使用后在车辆荷载反复冲击作用下，原有的腹板竖向裂缝宽度出现增大的趋势。针对此类似病害，可采用包括体外预应力加固法和改变结构体系加固法之类的主动加固方法，可以抑制裂缝病害的扩展抑制裂缝扩展，提高构件的耐久性，采用预应力碳纤维板加固后的T梁（如图5）。

1.3 桥梁支座

桥梁支座一方面可将桥梁载荷传递到桥墩上，另一方面为梁体结构提供所需变形空间。支座在正常使用情况下容易产生剪切变形、竖向压缩变形、转角变形等多种现象。支座剪切变形由桥梁产生的水平力引起，按照施工规定支座的剪切角要小于35度，当支座发生剪切变形后降低荷载能力，影响桥梁稳定性。除此之外支座的脱空现象也对桥梁使用安全造成一定影响，主要原因包括梁体挠曲、支座垫石操作不当、梁体吊运应力分布不均、梁体安装技术缺陷等。在进行支座垫石过程中要严格把控施工技术，按照相应施工规定进行支座垫石高度选择。当发生桥梁支座脱空现象后，应力无法向桥台、墩传输，导致梁体直接受力，长期以往损坏梁体，进而影响桥梁使用效率，缩短桥梁使用寿命。支座脱空或变形都会造成桥梁不稳，在车辆长期横向纵向产生应力的影响下将会对桥面造成一定损害，加大了养护难度，增加养护成本。

2 预应力混凝土T梁桥加固后效果评价

以大己保桥为例：大己保桥为跨沟箐而设，位于直线上，上部结构为装配式结构连续T形梁（7×20 m），翼板预制宽度1.60 m，梁间距2.30 m，翼板湿接头宽度0.70 m，下缘马蹄宽度0.48 m，腹板宽度自跨中渐变至梁端0.2 m～0.48 m。下部结构桥墩为钢筋混凝土圆形双柱式墩，桩基础;桥台为埋置式轻型桥台，桩基础。支座为橡胶板式支座。桥面采用沥青混凝土和混凝土复合式铺装。主要病害：大量T形梁腹板产生竖向（竖斜向）裂缝;个别台帽受桥面渗漏水污染，局部位置混凝土结构有碳化腐蚀现象;桩基础局部被冲刷外露情况;桥台台后路基有横向裂缝等。结合病害进行分析，采用预应力碳纤维板对裂缝进行加固及对其他病害进行修复，并通过荷载试验进行检测，以验证加固效果：

2.1 动静载荷试验及测点布置

以大己保桥为例，静载荷试验测试内容包括测试截面处的应力及截面跨中挠度，测点布置将应力测试与挠度测试分开设置。应力测点于截面每片T梁各布置3个应力测点，共计60个，采用静态应变测试系统进行测试;挠度测点共设置12个，采用数显百分表进行测试。动载荷试验包括动力相应试验及动力特性试验。大己保桥选用1辆加载车，以5 km/h、10 km/h、20 km/h、40 km/h几种不同速度在试验桥跨正常行驶，测试动态应变，用于计算试验冲击系数，动应力测试共设5个变测点，采用动态应变测试系统进行检测（如图6）。动力特性试验采用环境随机激振法，在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过测定桥梁由风荷载、地脉动、水流等随机激励引起的微幅振动来识别结构自振特性参数。

2.2 桥梁结构计算分析及试验荷载布置

对于桥梁结构计算通常使用桥梁工程软件MIDAS Civil进行计算分析，在计算分析的基础上，本次静力试验荷载采用载重汽车（重350 kN）充当，就某一检验项目而言，所需车载重量，根据设计控制荷载产生的检验项目（内力和位移等）的最不利效应值，以满足下式所定原则等效换算而得：

式中：为静力试验荷载效率;

Sstate为试验荷载作用下某一检验项目最大计算效应值;

S为设计控制荷载作用下该检验项目的最不利计算效应值;

為规范采用的冲击系数。

在桥梁出现桥梁病害后进行加固前结构计算分析，通过选取适当的加固技术方式解决桥梁问题后采取加固后结构计算分析并进一步进行荷载试验，计算模型如下图（图7）。

2.3 荷载试验分级及加载方式

为了获得结构试验荷载与变位关系的连续曲线和防止结构意外损坏，试验荷载至少分为3～4级，逐级施加，直到最大值。在本项目中，对满载为4辆车的加载截面，1级为加载1辆加载车，2级为加载2辆加载车，3级为加载3辆加载车，以此类推。每级加载后全部卸完该级荷载（如图8）。

每次加载或卸载的时间取决于结构变位达到稳定标准时所需的时间，要求相邻两个荷载阶段不能同时进行，在读取数据时每间隔5分钟读取一次，确定结构变位达到稳定状态在结构变位最大的测点进行数据读取。

3 加固实验结果分析及评价

3.1 动力特性实验结果分析

实验表明自振频率与结构刚度有着明确的关系，当实测频率大于计算频率时，可认为结构实际刚度大于理论刚度，反之则实际刚度偏小。比较自振频率、振型及阻尼比的实测值与计算数据或历史数据，可根据其变化规律初步判断桥梁技术状况是否发生变化。当桥梁结构存在或出现缺损时，一般会造成振型的变异，变异区段即为缺损所在区段。阻尼比参数可与历史数据对比或同类桥梁历史经验数据对比，如阻尼比明显偏大，则证明桥梁结构技术状况可能存在缺损或出现劣化。

3.2 荷载实验结果分析

根据测试结果整合分析墩顶负弯矩截面T梁梁体结构应力校验系数介于0.46～0.86之间，在评定规程建议的范围之内;跨中截面T梁梁体结构应力校验系数介于0.36～1.85之间，局部应力超出理论计算值;翼板下部测点测值无规律。各测点均不存在超出规范限值的相对残余应力，这一现象表明所检测桥跨结构在试验荷载下处于弹性工作状态。

3.3 加固结果总体评价

通过多种方式的桥梁加固工艺对桥梁进行养护后，很大程度上实现破损位置的修复及缓解，采用预应力碳纤维板对T形梁维修加固后，大已保桥的强度和刚度均得到较为明显的改善，所检桥跨现阶段总体工作状态满足现行公路设计荷载等级要求，加固达到效果。

4 阐述建设与养护并重的趋势的必要性和重要性

为了解决我国部分地区交通拥堵现象，国家大力支持公路桥梁建设事业的开展。建筑质量是建筑企业的生之根本，但由于公路桥梁的使用特性，经长时间风吹日晒及车辆不均匀压力会导致建筑本体发生破损，如不及时进行养护将极大程度影响交通安全。要想使公路桥梁建筑发挥其最大经济价值，需进行建设养护两手抓，在保证建设质量的同时也要对公路进行实时监控，及时对破损路面进行修复，破损程度较大的路面严重时会引发行驶车辆事故，造成恶劣后果。公路养护集公路修复与预防作用为一体，对出现的待修复路段进行针对性重整，对正常使用路面定期进行养护，有利于延长公路使用寿命。所以建设与养护并重是公路桥梁工程的主要发展方向。

5 结束语

综上所述，公路桥梁在投入使用过程中会由于各种因素导致其发生破损，对此需要施工团队及时进行养护工作，将公路病害带来的危害降至最低，提升道路安全。

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