梁式橋病害及加固對策

中鐵十五局集團有限公司華南公司 陳永祥

梁式橋病害及加固對策

中鐵十五局集團有限公司華南公司 陳永祥

橋梁結構在成橋運營過程中，各構件均會產生損傷和性能指標的退化。梁橋的常見病害主要有伸縮縫損壞、支座失效、梁體裂縫、柱墩裂縫以及跨中撓度過大等。針對不同構件的病害，應采取不同的加固維修對策，從而恢復或提高舊橋承載能力及通行能力，并延長橋梁壽命。

支座 伸縮縫 加固維修 結構剛度

一、引言

橋梁在成橋運營中，由于自然環境和使用環境的變化，結構會產生損傷和性能指標的退化。尤其是許多橋梁超負荷使用，已帶來嚴重的安全隱患。而改造又限于資金的緊缺，只能采取投資較少，施工期短，又能緩解當前運輸緊張狀態的維修與加固技術措施。因此，在建和在役橋梁的病害防治，包括橋梁的維修加固是現代橋梁所面臨的重要課題。

梁橋病害主要有伸縮縫損壞、支座失效、梁體裂縫、柱墩裂縫以及跨中撓度過大等。其中梁體裂縫、柱墩裂縫以及跨中撓度過大等屬于結構剛度不足所引起的，其構件加固方法有別于支座、伸縮縫等可更換構件。以下就這幾種常見病害及加固維修對策進行分析。

二、支座病害及處治

橋梁支座處于橋梁上、下部構造連接點的重要位置，主要用來將上部結構荷載傳遞到下部結構，容許上部結構在荷載、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素作用下自由變形（包括軸向伸縮和轉動），使結構的實際受力狀況符合設計計算圖式，保護梁端、墩臺帽不受損傷。支座一旦有所損壞，將直接影響橋梁結構的安全性和耐久性。

支座在使用過程中，由于設計、施工以及材料老化的原因，往往容易發生以下幾種病害：①支座脫空、不均勻支撐；②支座變形過大；③橡膠老化、開裂； ④支座移位、偏壓等。

對于上述幾種支座病害的處理方法，一般均需要更換支座。具體施工方法為：搭設頂升支架，采用特制的超薄型油壓千斤頂將梁頂起，橫橋向各片梁也應保證同時頂起，具體施工流程如圖1所示。

圖1 支座更換施工流程

三、伸縮縫病害及處治

由于伸縮縫設置在梁端等構造薄弱部位，直接承受車輛反復動力荷載及沖擊作用，同時還承受疲勞、磨損以及化學性和物理性的各種侵蝕。在各種綜合作用下，伸縮縫周圍的混凝土在頻繁沖擊作用下容易破損，從而使伸縮縫變形、破壞。

多年的橋梁檢測實踐表明，橋梁伸縮縫已成為橋梁結構發生病害最為頻繁的部件之一，其主要病害有：①伸縮量過大，橡膠條被拉裂或擠出；②橡膠條的老化、脫落；③型鋼斷裂及錨固混凝土的開裂、破碎；④ 伸縮縫安裝標高與兩側路面有差異，引起伸縮縫處跳車；⑤伸縮縫本身變形或錨固筋脫落等造成早期損壞。

伸縮縫的維修及加固處理要視其病害的程度而采取不同的措施：對于橡膠條拉裂、老化或脫落，但其他部位完好的伸縮縫，僅需更換跨縫材料，如毛勒縫、橡膠伸縮縫的橡膠條；對于錨固混凝土的破碎或出現粗長裂縫但伸縮縫型鋼及伸縮縫鋼筋完好、伸縮縫使用功能未受損害的伸縮縫，則酌情對伸縮縫錨固混凝土重新澆筑；對于伸縮縫型鋼或鋼筋裸露、變形，而致使伸縮縫使用功能明顯受損的伸縮縫，則需要更換整個伸縮縫裝置，包括跨縫材料和錨固件。

四、結構剛度不足及加固

由外荷載引起的結構裂縫，以及荷載作用下的變形過大，均預示結構承載能力可能不足或存在嚴重問題。這種病害在大跨PC箱梁橋里較為突出，主要表現為主跨下撓過大、腹板斜裂縫、底板裂縫等，因此需要對其結構剛度補強。

結構性補強一般通過增大構件截面、粘貼補強材料、改變結構體系等方法來實現，從而改善結構性能，恢復或提高現有橋梁的承載能力，延長其使用年限，適應現代交通運輸的要求。

1. 增大截面法

增大截面法是指在原結構截面處，增加受力鋼筋，加大混凝土截面尺寸，使其與原結構形成整體，從而增大構件的有效高度和受力鋼筋面積，增加構件的剛度，提高橋梁整體承載力。該法主要針對受力鋼筋和截面尺寸偏小、設計荷載等級偏低而導致承載力不足的缺陷，適用于梁（板）橋及拱橋拱肋的加固。

但需注意的是，加大構件截面，會使上部結構恒載增加，對原結構及基礎承載力有一定影響，主梁成為二次受力的疊合構件。原主梁截面除承擔原自重產生的應力外，還承擔后期恒載和活載產生的應力，需按二次受力疊合梁進行承載力極限狀態和正常使用狀態驗算。如果橋面鋪裝也進行加固，則可適當考慮部分鋪裝層參與受力。

該方法應用范圍廣，施工工藝簡單，并具有成熟的設計和施工經驗，能有效增大截面尺寸及截面剛度，但現場作業量大，養護期長，而且自重加大產生的內力增量會消抵部分或全部結構承載能力，而且截面增大還需注意對結構外觀和凈空的影響。

2. 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。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，限制了裂縫的發展，且受力均勻，不會在混凝土中產生應力集中現象，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。

此種結構除發生強度破壞外，根據所粘貼鋼板的范圍，粘貼用膠的強度及混凝土與鋼筋的粘結力，還可能出現粘結失效破壞和混凝土保護層剝落破壞。因此，必須合理確定所用于加固或維修鋼板的厚度、膠體的性能，并從以下3個方面進行分析：

（1） 梁僅發生彎曲破壞，即混凝土壓碎時，鋼板亦屈服。

（2） 合理確定接觸面應力以避免粘結力失效破壞。

（3） 合理確定剪切能力以避免混凝土保護層剝落破壞。

3. 外包鋼法

外包鋼法加固具有施工簡便、受力簡單直觀（按剛度比分擔原結構的荷載）、對施工環境影響小、不顯著增大原構件截面尺寸和自重但可以大幅度提高其承載能力等優點，主要適用于提高受壓為主構件的承載力、剛度和延度，如橋墩、拱肋、桁架桿件的加固。適用在環境溫度：-20～60℃范圍內，相對濕度不大于 70%，無化學腐蝕地區。但需對結合面進行處理，并鉆埋螺栓孔，對原結構產生了損傷，且鋼材需作防腐處理，增加了日后的養護費用。

外包鋼法加固可分為干式外包鋼和濕式外包鋼法加固，外包鋼用鋼材有型鋼、鋼板、扁鋼和鋼管等。

（1） 干式外包鋼法：當型鋼與原柱間無任何聯接，或填塞水泥砂漿但仍不能確保結合面剪力有效傳遞時，稱為干式外包鋼法。

（2） 濕式外包鋼法：除鋼筋聯接外，還以乳膠水泥粘貼或以環氧樹脂灌漿等方法粘貼，稱為濕式外包鋼法。濕式外包鋼法除角鋼可以分擔原結構的荷載，外套扁鋼可以對核心混凝土產生約束作用，提高其受壓強度，加固效果優于干式外包鋼法。

4. 粘貼纖維復合材料

纖維復合材料是高強度的材料，強度通常都達到3000 MPa以上（如碳纖維），可用于抗彎、抗剪、抗壓（偏心受壓）等構件的加固，一般在混凝土梁式橋、板橋、蓋梁的抗彎、抗剪加固中使用較多，還適用于混凝土墩柱的抗壓補強、抗震延性補強以及地震破壞后的修復。

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。碳纖維具有高強、輕質、耐腐蝕、耐疲勞等優異物理力學性能，以及施工速度快，施工工期短，粘貼質量容易得到保證等優點。采用纏繞粘貼高強復合纖維對軸向受壓構件進行加固可以明顯地提高柱的承載力，由于高強復合纖維層的約束作用，在縱向力的作用下，混凝土處于三向受壓狀態，可以較大幅度地提高結構的抗壓承載力。

值得注意的是，纖維復合材料的彈性模量相對其強度來說卻小得多，常用的一般為230 GPa，高彈性模量也不過380~640 GPa。要發揮較大的強度，纖維復合材料需要相當大的變形。當與鋼筋共同工作，鋼筋完全發揮強度時碳纖維才發揮出不到20%的強度，難以高效抑制結構的變形與裂縫的擴展。

因此，采用粘貼高強復合纖維加固，對結構的剛度提高不大，對于以控制結構變形為主要目的的使用功能加固是不適宜的。在加固設計時，不能簡單地將碳纖維作為鋼筋的替代物，必須考慮碳纖維片材的受力特點。

5. 改變結構受力體系

改變結構體系加固常使用的方法有：簡支變連續、梁橋轉換為梁拱組合體系或矮塔斜拉橋法、增加輔助墩法等。

（1） 體外預應力加固：把具有防腐保護的預應力筋布置在梁體的外部（或箱內），對梁體施加預加力，靠后增設的轉向裝置調整體外預應力筋的方向，以適應內力沿梁長方向的變化，以預加力產生的反彎矩抵消部分外荷載產生的內力，達到提高承載力的目的。

（2） 簡支變連續法：將兩跨及兩跨以上的簡支梁的梁端連起來，使受力體系由原來的簡支轉換連續，減小跨中正彎矩，提高結構的承載力。

（3） 梁橋轉換為梁拱組合體系法：在原梁下設置拱肋，拱肋上設立柱及蓋梁來支撐原簡支梁，減小梁的跨進和及荷載作用下的跨中彎矩，但原橋墩臺地基應力及穩定性必須滿足要求才能適用該加固方法。

五、結論

橋梁加固技術是目前橋梁工程的新熱點，大量的舊橋需進行改造或加固，以滿足公路運輸發展的需要。歷史和實踐證明，采取有效的加固處理措施，可恢復甚至提高舊橋承載能力及通行能力，延長橋梁壽命，從而節省大量投資，獲得良好的社會效益和經濟效益。

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