橋梁結構加固設計原則及方法分析

陳孟林

（撫州贛東公路設計院有限公司，江西 撫州 344000）

0 引言

橋梁在長時間運營后因環境、荷載等因素可能出現質量問題，尤其是早些年修建的橋梁，已無法滿足現行規范的要求。為提升橋梁運營的安全性，且使其滿足當前的設計標準，最為合理的辦法是實施橋梁結構加固設計，恢復甚至增強橋梁結構的承載能力和通行能力，盡可能消除橋梁的安全隱患，提高其運營能力，延長使用年限。

1 橋梁結構加固設計的原則

橋梁結構加固的主要目的是防止現有的質量病害擴展，增強其安全穩固性，而且在多數情況下，在加固的過程中需要滿足保通條件。因而從整體上來看，橋梁結構加固的標準相對較高，需要綜合考慮橋梁施工安全與運營，結構加固設計的難度相對較高。為此，橋梁結構加固設計的原則如下：

第一，資料熟悉，實地考察。為使橋梁結構加固設計方案充分發揮作用，設計前需掌握此項工程的原始資料，尤其是橋梁施工設計圖、施工方案、施工材料等，明確橋梁結構。與此同時，圍繞橋梁現有的質量問題、結構缺陷開展實地考察與數據采集工作，對比分析橋梁實際與原始資料，以此為基礎開展橋梁結構加固設計。

第二，做好橋梁基礎核算，對橋梁的現有缺陷進行分析，掌握其破壞程度，尤其是橋梁結構的承載力的性能，確保設計方案能夠將橋梁結構的承載力提升至1.5 倍左右。

第三，盡可能保留原有結構。由于原本的橋梁結構也經過精密計算，為避免資源的不必要浪費，設計人員應保留具有價值的結構構件，除非在必要情況下才可開展拆除和更換工作。

第四，注重橋梁結構加固設計與施工方法的緊密結合，從而為后續施工作業的有序開展奠定良好基礎，增強新老構件的連接可靠性，實現設計方案的預期加固效果。

第五，控制施工操作難度。橋梁結構加固設計應盡量控制所選用的技術的實施難度，根據橋梁的實際情況開展臨時加固設計，保證多方安全。

第六，通過開展橋梁結構加固設計，使技術方案囊括所有結構缺陷，并按照橋梁下部—橋梁上部—橋梁附屬設施的流程加以設計，最后落實規范的整體設計驗證。

需要注意的是，在優選橋梁結構加固設計方案時，要將經濟性、環保性、耐久性等評價原則貫穿始終，將加固施工費用控制在合理范圍內，選擇成本適中、橋梁通行運行影響小、耐久性強、環保節能的加固設計，以此滿足橋梁工程多方建設效益的要求。

2 橋梁結構加固設計的方法

2.1 基于下部結構的加固技術

2.1.1 橋梁基礎擴大技術

橋梁基礎擴大技術主要的應用場景是橋梁基礎埋置不深、基礎承載力相對較小的工程環境，尤其是橋梁墩臺由混凝土制成且為剛性實體的情況下。當橋梁在長時間的運營下，其基礎出現鮮明的不均勻沉降，或地基土的土壤堅實度較高時，橋梁基礎擴大技術將取得良好的加固效果。在一般情況下，當橋梁基礎底部承載力不足時，可以根據工程實際情況，通過在基礎下面打樁的方法，遏制地基變形。其中，樁基數量應根據地基具體變形的程度確定。由于基礎擴大技術在實施過程中需要開挖原基礎，出于施工安全考慮，以該技術為核心的橋梁結構加固設計還應具有支護內容，增強原基礎的穩定性，實現新老基礎的順利結合，使其成為一個整體共同受力。技術流程為：基礎定位放樣—基坑開挖—基坑排水—基底處理—砌筑（澆筑）基礎結構。

其中，在確定橋梁基礎的擴大面積時，需要以地基強度為基準，通過強度驗算科學設計擴大面積，以此增強橋梁基礎的承載力，使其滿足橋梁的運營需求和現行標準。相較于單一計算，設計階段可以構建安全性評估模型，以此掌握橋梁結構承載力降低情況、橋梁結構剛度降低情況以及橋梁結構構件開裂程度，進而更為準確地修正、強化橋梁結構的實際承載能力。具體公式如下：

（1）橋梁結構承載力降低

式（1）中：

ζ

——橋梁結構抗彎降低系數；

ζ

——橋梁結構抗剪承載力降低系數；

M

——橋梁結構損傷前抗彎承載力（kPa）；

M

——橋梁結構損傷后抗彎承載力（kPa）；

V

——橋梁結構損傷前抗剪承載力（kPa）；

V

——橋梁結構損傷后抗剪承載力（kPa）。

（2）橋梁結構剛度降低

式（2）中：

B

——橋梁結構開裂構件等效截面設計抗彎剛度（N/m）；

B

——橋梁結構開裂構件等效截面實際抗彎剛度（N/m）；

ζ

——橋梁結構鋼筋混凝土開裂構件等效截面抗彎剛度降低系數。

（3）橋梁結構構件開裂程度（混凝土銹脹開裂）

式（3）中：

W

——橋梁結構混凝土保護層銹脹裂縫寬度（mm）；

W

——橋梁結構混凝土裂縫最大限值寬度（mm）；

ζ

——橋梁結構混凝土銹脹開裂程度系數。

設計期間，按照資料逐一計算，掌握橋梁結構原有設計承載力和實際承載力比值，明確結構截面損失對整體剛度的具體影響，判斷現有裂縫的質量問題是否滿足橋梁的正常使用要求。通過計算模型，獲得結構可靠性指標，以此為基礎確定橋梁基礎的擴大面積，增強橋梁的安全性及各項性能指標。

2.1.2 樁基增補技術

當現有樁基無法使橋梁基礎承載力達到標準時，則落實樁基增補設計，將原有承臺擴大，通過新舊樁基承臺的高質量連接，實現對橋梁荷載的共同分擔，以此增強地基的承載力。該技術不涉及抽水筑壩等水下作業，但需要在現場搭設打樁架，開鑿橋面，因而需要應用于交通運營要求相對較低的橋梁結構加固工程。

2.1.3 高壓旋噴注漿技術

高壓旋噴注漿技術利用水泥、化學材料，以及配有安全閥與自動停機裝置的設備開展作業。該加固技術成本水平相對較低，且具有良好的耐久性，是當前橋梁結構加固工程中的常用加固技術。技術流程為：地質鉆孔—放置帶有噴嘴的旋噴注漿管—高壓噴射漿液—攪拌混合土顆粒與漿液—凝聚固結。設計時，應把握以下要點。

（1）參數設計

（a）樁徑。根據土質估算旋噴樁直徑，當地基土的標準貫入值為0～5（包括5），且為黏性土時，估算公式為：

式（4）中：D——旋噴樁直徑（m）；

N——標準貫入值。

當地基土的標準貫入值為5～15（包括15），且為砂性土時，估算公式為：

如果水泥漿液壓力在20MPa 以上，旋噴注漿管噴嘴孔徑在2.5mm 以上時，可以適當增大計算所得的結果，即旋噴樁直徑。

（b）樁長。以加固土層厚度參數為基準，綜合考慮橋梁周圍地質要求，在滿足地基強度、變形控制等要求的前提下，運用以下公式計算樁長：

式（6）中：

L

——樁長（m）；

b——摩擦系數；

k

——郎肯土壓力系數；

r

——樁半徑（m）。

（c）樁數

實施高壓旋噴注漿技術，加固橋梁結構所需的旋噴樁數計算公式：

式（7）中：n——樁數（個）；

F——結構荷載（MPa）；

G——承臺及其上土體自重（kg）；

R——承載力標準值（單個樁體）。

若是存在受力不均現象，則要將計算所得結果增加1.1～1.2 倍。

（2）注漿量計算

水泥漿液是高壓旋噴注漿技術的常用材料，為保證后續的施工質量，設計階段運用體積法公式和噴量法公式計算注漿量。注漿量應為二者間的最大值。

體積法公式：

式（8）中：Q——注漿量（m）；

D、D——旋噴體、注漿管直徑（m）；

K、K——已施工區域土的填充率（0.75～0.90）、未施工區域土的填充率（0.5～0.75）；

h、h——旋噴、未旋噴長度（m）；

β——損失系數。

噴量法公式：

式（9）中：H——旋噴長度（m）；

V——旋噴提升速度（m/min）；

q——漿液噴量（m/min）。

以該技術為核心的加固設計，施工時需要樁中心與鉆桿中心保持對準狀態，位置偏差在50mm 以下，垂直偏差在1%以下。設備就位后，在孔身垂直的狀態下鉆進設計標高。在此期間，鉆頭刃口傾斜度需小于1.5%，完成鉆孔作業后將高壓管插至設計深度，之后開展噴射作業，根據實際情況靈活調整提升速度，最后沖洗機具，完成施工。

2.1.4 頂推法

針對橋梁徑向裂縫和環向裂縫，應落實頂推加固技術設計，依托于拱橋拱腳水平位移的調整達到橋梁結構加固的目標。該技術對橋梁運營影響較小，調整拱體內部的作用力，能夠從根本上優化拱橋的抗彎剛度，短期內即可發揮良好的加固效果。

2.1.5 混凝土置換的加固技術

當橋梁結構的構件強度不再符合使用要求時，可以采用混凝土置換的加固技術。在保留原結構的基礎上，置換局部缺陷構件，利用性能優良的混凝土解決結構問題，在保證結構體積、空間不變的前提下加固橋梁。

2.2 基于上部結構的加固技術

2.2.1 橋梁面板的加固技術

將鋼筋混凝土結構規范鋪設于橋梁前面板，擴大橋梁前面板的受壓截面，以整體化方法強化原有結構，實現橋梁結構剛度與承載能力的有效提高。設計期間，應根據橋梁橋面出現的具體問題，采取相對應的加固措施設計，具體如表1所示：

表1 基于橋梁結構加固的橋面修補措施

除此之外，在確定加固措施過程中，還應通過公式（1）、（2）、（3）確定具體參數，以此保證加固設計的質量與實用性。

2.2.2 主梁的加固技術

（1）碳纖維粘貼加固

針對銹蝕明顯、配筋率較低的橋梁，可采取碳纖維粘貼加固技術設計，利用其施工便利、操作簡單的技術特性完成梁橋、板橋的抗剪與抗彎加固作業。但在實際施工期間，需要對黏結劑、碳纖維片的溫濕度進行控制，在良好的環境下開工。

（2）錨栓錨固工藝

對于錨固存在缺陷或質量損傷的橋梁結構構件，通過局部構件更換實現結構加固。由于該方法適用于強度較低的構件處理，因此需要綜合考慮橋梁實際情況，并盡可能避免構件更換與拆裝，從而保證橋梁整體的穩固性。

（3）體外預應力加固

該技術方法主要目的是增強橋梁承載力，經過上述承載力公式計算后得到實際與計算偏差，然后通過鋼筋形成預應力拉桿帶來的偏心預應力加固橋梁結構，實現內力的合理分布，不僅使用方便，施工期間也不會對橋梁運營造成較大的影響。

2.3 基于結構表層的加固技術

在長時間運營下，橋梁表層經常出現裂縫、銹蝕等局部病害，針對由此產生的結構穩固性問題，應加強結構表層的加固設計，目前常用的加固技術包括水泥砂漿修補、混凝土修補以及黏結劑修補。此外，需針對具體病害落實加固設計：針對鋼筋銹蝕，在處理后均勻涂抹環氧膠液；針對結構裂縫，視實際情況，采用壓力灌漿、封閉加固或表面粘貼修補技術。

3 結語

綜上所述，橋梁作為交通體系的重要組成，其穩固性直接關系到人們的出行安全。為了有效加固橋梁結構，提升其后續的運營質量，應立足設計原則針對橋梁下部結構、上部結構、結構表層落實完善的加固設計，選擇合適的加固措施，明確技術優缺點，以此強化橋梁性能，提高整體的安全穩固性。