常用公路桥梁加固技术及其应用探析

摘 要：

近年来，随着我国经济与科技的不断进步，交通运输业也取得了长足发展。就上世纪或本世纪初设计修建的一些桥梁而言，其原本设计规范标准偏低，所以难以支撑现今日益增加的交通量和车辆超限超载现象，加之公路桥梁的设计和施工与当时的社会经济条件、环境问题等密切相关，大部分桥梁出现了不同程度的病害。相对于桥梁拆除重建，加固再提高结构承载力、增强结构整体性、满足行车平顺性的同时，还能达到节省工期，缩减投资、降低能耗和环境的负担，满足可持续发展要求。本论述通过分析造成公路桥梁出现病害的原因，总结了公路桥梁常见的病害及相应的加固方法。通过工程实例，说明了针对桥体结构和不同部位病害的处理方法及其达到的效果。本论述的研究，对于桥梁加固工作的施工与方法选择均具有一定的指导和参考作用。

关键词：

桥梁工程; 桥梁病害; 维修与加固; 应用;

0 引言

近年来，随着我国经济与科技的不断进步，交通运输业也取得了长足发展。上世纪或本世纪初设计修建的一些桥梁，原本设计规范标准偏低，难以支撑现今日益增加的交通量和车辆超限超载现象。加之公路桥梁的设计和施工与当时的社会经济条件、环境问题等密切相关，桥梁在运营过程中，同时受到自然环境与使用环境的影响，如果将出现病害或者承载能力降低的桥梁全部拆除重建，在耗费巨额建设资金的同时，也会因工期和施工期间的交通阻断给交通运输系统带来巨大压力。因此，若对出现病害的桥梁进行有序、适当的加固和维修，不仅可以在一定程度上提高桥梁的承载能力，也可以减少资金投入，带来可观的经济与社会效益。因此，对桥梁进行加固和维修，具有重要的经济和社会意义[1,2,3,4,5]。

桥梁加固的主要目的在于确保桥梁工程的耐久性、安全性、适用性的同时，恢复或在一定程度上提高其原有的承载能力，进而保证桥梁的正常使用性能及运营过程中的行车舒适性与安全性。桥梁加固的基本要求包括：了解并掌握加固桥梁的基本结构状况和技术资料；在保证加固效果的同时，优先选择能降低成本的加固方法；加固过程应尽量减少对交通的影响；加固方案的设计应严格遵循相关的国家与行业规范；加固过程中，对于已经确定的桥梁病害，应通过加固一次性彻底解决；加固及其过程应尽量降低对原有桥梁结构的损伤；加固技术应成熟可靠，并具备较高的耐久性与适用性，且便于以后的养护[3,4,5,6,7]。

1 桥梁常见病害及维修加固方法

为节约施工建设成本，提高桥梁结构的耐久性与承载能力，保证桥梁在运营过程中的安全性与行车舒适性，须对桥梁工程的病害及常见的加固维修措施进行分析研究，以保证加固方法的实用性和适用性。

1.1 公路桥梁常见病害

公路桥梁的病害根据结构位置和桥体结构形式的不同，常见的包括以下几种[4,5,6,7]。就常见的桥型而言，梁体病害可分为以下几种：预应力空心板桥上部结构的病害主要有梁底面的纵向裂缝，其分布在空心板连体的底面中央及两侧位置对应的预应力钢束处，沿预应力筋呈现通长或断续通长分布。T梁的裂缝主要出现在翼板底面和腹板位置处，分别沿纵向和竖向分布。其中，底面及翼板位置的裂缝呈横向分布，腹板的裂缝分布在腹板的侧面位置，部分裂缝会沿腹板竖向一直延伸到梁的底面及翼缘板位置，竖向裂缝一般出现在翼板与腹板的连接位置及翼板底面的中央位置，顺桥向分布。对于连续箱梁而言，裂缝主要出现在翼板底面，呈横向分布；梁腹板位置处，呈竖向分布；梁底面位置，呈横向分布，以及腹板侧面位置，其裂缝沿预应力束方向的分布。

另外，桥梁的下部结构及其他部位也常出现病害。尤其是桥梁墩台的基础位置，在长期使用过程中在土压力、温度梯度、浮力、风力、水流作用、重型车辆通行的压力及冲击力、自然环境等多重因素的共同作用下，承受的荷载往往较其他位置大得多，加之基础深埋在地下或水下，病害不像上部结构可以直接观测得到，在长期作用下会不可避免的影响墩台的安全使用。此外，钢筋的锈蚀也经常出现在公路桥梁中。钢筋的锈蚀一般发生在梁体内部，病害发生之初往往无法第一时间监测发现，直到病害发展到较为严重时方可发现，而且钢筋锈蚀会导致自身体积膨胀，造成钢筋周围混凝土的开裂和剥蚀，进而缩小结构的截面有效尺寸，钢筋的锈蚀会直接造成自身断面面积减小，也会降低混凝土与钢筋之间的握裹力，严重影响结构自身的承载能力。

1.2 公路桥梁常见病害的成因分析

总体而言，公路桥梁病害的成因有以下五种[5,6,7,8,9]。第一，桥梁的结构设计欠缺合理。部分桥梁在设计过程中，没有充分考虑环境条件、使用条件、偶然荷载、最大运输量等方面因素对桥梁正常使用的影响，致使桥梁结构在设计过程中处于不合理的受力状态，甚至出现受力薄弱点、应力集中等现象，严重影响了桥梁结构的承载能力和耐久性；第二，施工设计欠佳，施工质量把控不严格。部分施工单位为追求效益，盲目追赶工期，未按照设计要求严格组织施工进程，未严格控制施工环节与施工质量，施工中的管理和技术人员整体专业素养偏低，进而导致了施工质量不达标等问题；第三，原材料的选取和存放未进行严格控制。混凝土骨料和水泥种类与混凝土工程的质量有密切联系，选材须结合当地的环境条件和施工工艺，对原材料的物理性能和力学性能从源头上进行管控，尽量减少混凝土浇筑后的徐变、收缩、应力松弛等。此外，水泥与钢筋等原材料的存放须依照规范和标准分类、分别堆放与加工，避免水泥因受潮而发生凝结，也应避免钢筋的锈蚀。

此外，混凝土养护和后期运营过程中的管理也对桥梁质量有影响。混凝土浇筑后的养护不到位，致使混凝土结构在浇筑后的凝结硬化阶段便出现了干缩微裂缝，对后期混凝土的防裂工作极为不利；运营过程中管理不到位，对于桥梁的日常巡检与维护重视不够，加快了桥体病害的发展，且对车辆的超载、超限、超速等问题的忽略，重载车对于公路桥梁的高速冲击，进一步加剧了结构的病害发展历程，缩短了结构的使用寿命，对桥梁结构的耐久性影响较大。

1.3 公路桥梁常用加固方法

随着施工技术与整体工艺水平的提升，越来越多的桥梁加固方法被开发出来并应用于实际工程中，常见的有增大截面法、体外预应力法、体系转换法、粘贴钢板加固、复合材料加固技术（FRP）、绕丝加固法、SRAP加固方法等[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。

增大截面加固的方法，又称外包混凝土加固法，其通过扩大混凝土结构的截面面积并对须要加固的部位配置一定量的钢筋来达到提高结构自身的承载能力并满足正常使用性能的加固方法。该方法工艺简单成熟，有较多相关的成熟经验可供参考借鉴，经常应用到小跨径、T梁桥的病害维修及加固中，该方法施工后可有效提高梁体的刚度，缺点是要经过较长时间的湿作业，且加固后会减小桥下净空。

体外预应力加固是一种改变桥梁结构体系的方法，增设的拉杆增加了梁体的超静定次数，与梁体一同受力，通过对桥梁施加预加应力来达到抵消超出的那部分恒载作用力，能在很大程度上提高梁自身的刚度、承载力、以及抗裂性，可用于大型结构的加固与梁体裂缝及钢筋疲劳应力幅的控制等情况。其最显著的缺点是工艺复杂，对施工人员的整体技术水平要求较高。

体系转换法是通过增设附加构件或结构改造，进而改变桥梁结构体系来达到减少梁内应力的目的。目前最常用的体系转换方式有梁桥与梁拱组合体系的转换、多跨简支梁转为连续桥面简支梁桥、增设辅助墩等。粘贴钢板加固则通过特制的粘结剂和锚栓，将钢板牢固地粘贴锚固于混凝土结构的薄弱部位，使粘贴的钢板与被加固的结构形成一个统一的整体，达到提高混凝土结构自身承载能力，提高桥梁结构耐久性的目的。该方法的缺点是钢板会随着使用时间的推移产生一定程度的锈蚀。

复合材料加固中，常用的复合材料包括玻璃纤维、芳伦纤、碳纤维等，其中以碳纤维板和碳纤维布最为常用，由于碳纤维自身具有高强度、高弹性模量的力学特性，因此可以利用该特性对混凝土结构物进行补强与加固。而绕丝加固法，则是通过约束被加固的混凝土来实现对结构的加固和补强，达到改善结构受力状况，延长使用寿命的目的，常用的方法是在混凝土结构对应的构件外表面缠绕退火钢丝。SRAP加固方法是近年发展起来的导入预应力概念的新型桥梁梁体加固法，该法通过结合SR增强材料的高强特性与AP树脂砂浆防腐防水、粘合力强的特点，采用特殊的方法对材料施加预应力，实现桥梁加固。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

该桥为我国南方某地国道上1987年通车的旧桥，全长63.9 m，桥面宽度为1.75 m+12.0 m+1.75 m，桥梁上部结构为1×50 m的刚架拱，横向拱片共有5片，拱片之间以横梁、桥面铺装及微弯板连接成统一的整体；桥台形式为U形，桩基础为常用的钻孔灌注桩。由于该桥的服役时间相对较长，且修建时间较早，随着近年来交通量的不断增加，该桥面的交通压力也越来越多，车辆的超载、超限、超速现象日益增加，加之使用环境和自然条件的影响，梁体部分构件产生了一定的损伤，须根据具体的监测与监测结果，制定适宜的维修加固方案，对该桥进行加固。

经现场检测后发现，该桥的主要病害包括：桥面铺装有不同程度的磨损、开裂、老化现象，个别部位甚至出现了塌陷、骨料与内部构造钢筋外露，在桥梁两端与原有路堤的连接部位发生了不同程度的横向开裂；主拱圈的轴线产生了不同程度的下挠和变形，造成了拱顶的下沉，影响结构的安全性和美观性；伸缩缝发生了局部开裂和一定程度的变形，影响行车舒适性和结构的整体性；行车道两旁的人行道栏杆周围的混凝土产生了较为严重的膨胀和脱落；桥体的横向连接系普遍出现了混凝土的开裂，个别部位甚至出现了通长缝，且刚架拱的节点与弦杆的连接部位出现了开裂。

2.2 桥梁加固

针对桥梁检测过程中发现的病害情况和桥梁加固的基本原则，对桥体不同部位的病害制定相应的方案进行加固与维修。

对于桥面铺装出现的病害，将原有的桥面铺装凿除后更换为新型的聚丙烯纤维钢筋混凝土铺装，并在其中植入竖向的抗剪钢筋以协同结构承受荷载。为了便于桥面排水，延长桥面铺装的使用寿面，在桥面增设1.5%的双向横坡。伸缩缝部位，将原来破损的伸缩缝全部更换为毛勒伸缩缝，以提高桥面的平顺性和结构的整体性。此外，将人行道的护栏更换为安全系数更高、结构可靠性更好的防撞护栏，并在两边的桥头分别设置8 m长的桥头搭板。

对于承重构件如主拱片节点、弦杆、实腹段、斜撑接点、拱腿接点等部位均进行粘贴钢板加固，并在钢板的外层用防锈漆进行防锈处理。粘贴钢板加固的具体工艺流程为：对应位置混凝土结构的表面处理—埋置粘贴钢板所用的钻孔螺杆—对使用的钢带现场进行配套打孔并对钢板粘贴面的表面进行处理—配制粘贴钢带所需的结构胶并粘贴—对已粘贴的钢板进行加压固定—固化及粘贴效果检验—防腐处理。粘贴钢板的工作应尽可能安排在桥面系拆除后或恒载卸载至最小时进行，以保证钢板粘贴后能与原有的桥体协同受力，更好地参与桥跨结构受力。

将联结系的微弯板拆除并以整体现浇桥面代替，同时将横系梁也进行更换，并用焊接钢板和植入钢筋相结合的方法对新更换的横梁进行预防性加固。此外，出现钢筋锈蚀、混凝土膨胀、开裂、脱落等病害的部位与构件，采用环氧砂浆、改性砂浆等方法进行加固与修补。此外，考虑到桥梁加固施工期间新加的混凝土在其浇筑期间对桥梁结构的恒载作用，应在此期间尽量减少桥面上的车辆行驶，以减轻其对桥体的冲击作用及其对新旧混凝土结合的影响。

2.3 桥梁加固效果分析

桥梁加固后进行静载试验，测定梁体的静应变、挠度及加载过程中的梁体开裂情况，以确定加固后结构的可靠性、安全性，验证加固的效果。静载试验的结果表明，桥梁上部结构具有较强的抗偏载能力，增强了结构的整体性，加固后的附件构件能与原结构共同受力，且荷载的横向分布良好，桥梁在汽车荷载作用下的刚度和承载能力基本满足现有的规范和标准要求。加固后对桥梁进行为期三年的监测发现，三年内加固维修后的桥面板和承重构件并未出现开裂及其他病害，表明加固效果达到了预期的目的。此外，加固后的桥梁能达到二级公路桥梁的荷载标准，与新建桥梁相比，在满足了运营要求、节省工期、缩减投资的同时，也降低了施工过程中的能耗和环境负担，满足可持续发展要求。

3 结束语

桥梁加固通过对出现病害或已破损的构件采取适宜的方法进行修补或更换，达到恢复或提高其原有的承载能力并确保桥梁结构的耐久性、安全性、适用性的目的。本论述通过分析得出了造成桥梁工程病害的五方面原因，包括设计、施工、原材料、养护、运营管理等方面的质量管控，并总结了不同形式的桥梁在上部结构、下部结构可能出现的病害，如结构破损、梁体变形、混凝土开裂、钢筋锈蚀等，进而分析了公路桥梁常用的七种加固方法各自的优缺点，最后通过工程实例，说明了针对桥体结构和不同部位病害的处理方法，工程实际结构的加固效果表明，桥梁加固在提高结构承载力、增强结构整体性、满足行车平顺性的同时，还能达到节省工期，缩减投资、降低能耗和环境负担，满足可持续发展要求。

参考文献

[1]万魁.探究道路桥梁维修与加固施工技术[J].居舍，2019(36):81.

[2]商东洋.公路桥梁养护及维修加固施工技术浅析[J].科学技术创新，2019(35):116-117.

[3]陈军民.桥梁维修加固常见技术的应用[J].交通世界，2019(32):113-114.

[4]陈乃龙.公路桥梁施工管理、养护及加固维修技术浅谈[J].四川水泥，2019(11):85.

[5]张建港.公路桥梁养护与维修加固施工技术的应用研究[J].人民交通，2019(11):77-78.

[6]章先强.公路桥梁养护与维修加固施工技术分析[J].黑龙江交通科技，2019,42(10):120,123.

[7]王忠民.浅谈公路桥梁养护与常用的维修加固技术应用[J].低碳世界，2019,9(8):263-264.

[8]孙安庆，马文峰，刘天林.探究公路桥梁施工管理、养护及加固维修技术[J].绿色环保建材，2019(7):105,108.

[9]秦亚周.公路桥梁的养护与维修加固分析[J].交通世界，2018(19):58-59.

[10]赵士良.公路桥梁养护与维修加固施工关键技术[J].交通世界，2018,No.472(22):32-33.

[11]巨雅琴.桥梁维修加固技术及应用[J].中国新技术新产品，2018(15):120-121.

[12]汪锋.公路桥梁常见病害与维修加固[J].居舍，2018(20):19.

[13]陈国利.公路桥梁常见病害与维修加固[J].中国战略新兴产业，2018(16):76.

[14]智卫国.公路桥梁损害维修加固的优势及方法[J].交通世界，2016(15):74-75.

作者简介： 葛建勇（1990-），男，汉族，陕西子洲人，大学本科，助理工程师，主要从事市政桥梁工程建设工作