高速公路橋梁維修加固技術及經濟性研究

摘要 橋梁作為高速公路順暢通行的重要設施，其設計、施工、材料老化等因素的影響使橋梁出現各種損傷，進而導致交通擁堵甚至引起安全事故，對高速公路橋梁及時進行有效的養護和維修加固是保障其性能的重要措施。該文通過探討高速公路橋梁存在的問題，提出相應的加固技術措施，并結合實際案例對高速公路橋梁維修加固技術的經濟性進行深入分析。結果表明：不同截面積的鋼絞線的抗彎承載能力不同，且成本也有差別，綜合分析承載力和成本，西安市某高速公路橋最終選用2束7-7ФS15.2的鋼絞線進行體外預應力加固。

關鍵詞 加固技術；經濟性；體外預應力；抗彎承載力

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0112-03

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，橋梁作為高速公路順暢通行的重要設施，其安全性和穩定性直接關系著高速道路交通的正常運行，保障高速公路橋梁發揮安全穩定作用，對于交通運輸、生產生活具有極為重要的意義[1]。然而，高速公路橋梁由于設計、施工、材料老化、自然因素和養護不當等因素的影響，隨著使用時間的增長，橋梁常常會出現裂縫、凍融、沉降、伸縮縫損壞等各種損傷和病害，導致高速公路橋梁維護成本的持續增加和安全性能的逐漸降低。因此，對高速公路橋梁及時進行有效的養護和維修加固對公路安全尤為重要。該文結合實際案例對高速公路橋梁維修加固技術及其經濟性進行深入分析，以期為橋梁養護及維修加固技術的經濟性提供相關支持。

1 高速公路橋梁常見病害問題

1.1 橋梁表面老化

高速公路橋梁在長期運用過程中受到風雨等自然因素的侵蝕，很容易出現混凝土裂縫、鋼筋銹蝕、橋面磨損等問題，其中最常見的混凝土裂縫，有受作用力的影響產生的結構性裂縫和由混凝土內、外溫度變化產生的非結構性裂縫[2]。這些損傷不僅影響橋梁的美觀性，甚至可能降低橋梁結構的耐久性，從而縮短其使用壽命。

1.2 承載力不足

高速公路橋梁承載力不足是公路橋梁亟待解決的問題。隨著交通運輸行業的快速發展，交通運輸的壓力在逐漸增加，這就對高速公路橋梁的承載能力提出了更高的要求。然而，高速公路橋梁在前期設計中可能存在計算錯誤、結構細節處理不當或未充分考慮未來交通發展的需求，導致部分橋梁無法滿足實際使用的承載要求；同時，在施工過程中施工質量達不到標準，如混凝土澆筑不密實、鋼筋布置錯誤、保護層厚度不足等問題，將直接影響橋梁的承載力和耐久性[3]。另外，隨著橋梁使用時間的增加，橋梁使用的混凝土、鋼筋等材料可能會發生老化現象，從而造成一些橋梁在使用過程中出現承載能力下降的情況。

1.3 基礎的穩定性

高速公路橋梁基礎穩定性降低也是橋梁需要加固的重要原因之一，地基穩定性對于橋梁的整體安全性及使用具有重要的意義。然而，由于橋梁基礎受到地質條件、施工質量及環境等多種不利因素的影響（如地震、暴雨、洪水、冰雹和強風等），會使一些地基出現沉降、變形、滑移等病害。這些病害不僅嚴重影響橋梁基礎的正常使用，同時也會對橋梁的安全性造成嚴重影響[4]。

2 高速公路橋梁維修加固措施

2.1 橋梁問題優化措施

（1）優化表面結構

針對橋梁表面結構老化問題，可以采用表面修復、防水層維護和表面保護涂層的方法。對于表面脫落和裂縫問題一般采用補漏、修復材料填充等方法進行修補，從而恢復橋梁表面結構的完整性；表面防水層對橋梁表面結構尤為重要，因此要定期檢測橋梁表面的防水層狀況，及時發現防水層損壞及老化問題，并對已經損壞的防水層及時進行修復；在橋梁表面涂抹適當的涂料，利用涂層形成額外的保護層，減少水分和有害物質對橋面的損壞，減緩其老化速度；同時，可以采用新型的修補材料、防水材料及保護層涂料，以此減少橋梁表面結構的老化速度，提高橋梁表面結構的耐久性。

（2）加固梁體結構

解決橋梁承載力不足的問題最有效的措施就是對橋梁結構進行加固。首先應對橋梁進行全面的檢測和評估，其中檢測加固流程如圖1所示[5]，并依據實際檢測情況制定專項加固方案，一般可以通過增設鋼筋、采用預應力技術的方法來加固橋梁，這些方法可以增加橋梁的剛度和硬度，進而提高其承載能力。此外，還可以采用粘貼碳纖維布進行加固，實際中需要根據現場實際情況選用不同的加固方法。

圖1 橋梁檢測加固流程圖

（3）基礎加固

解決基礎穩定性差問題最有效的措施就是進行橋墩處理和加固。首先應對橋梁基礎進行全面的檢測和評估，了解基礎沉降及變形情況，并依據實際檢測情況制定專項加固方案，其中橋梁技術狀況評定等級如表1所示[3]。對于基礎沉降和變形較大的情況，一般采用注漿和地基換填的方法來提高地基的承載力和變形模量。此外，應加強基礎監測和維護，及時發現問題并解決潛在的安全隱患，以此提高基礎的耐久性。

2.2 高速公路橋梁維修加固措施

（1）體外預應力加固

體外預應力加固技術是指在橋梁上增加體外預應力鋼束，通過張拉體外預應力，提升原橋梁的預應力儲備能力，并且以此來抵消部分自重和外載荷產生的應力，進而提高橋梁的承載能力。該方法具有對交通影響小、主動性強、對橋下凈空影響小和承載能力提高顯著的優點；但是體外預應力鋼束需要長期暴露在空氣中，沒有混凝土的保護，且局部應力復雜，易產生局部裂縫等損傷，在長期荷載作用下，容易造成預應力損失。

（2）增大截面法

增大截面法是使用與需要加固的橋梁統一規格及品種的鋼筋和混凝土，在需要加固橋梁處進行植筋澆筑，以此來增加橋梁的截面面積，新增加的面積成為新的受力構件，承載自重及內力并降低原截面內力，進而提高橋梁整體的承載能力。該方法結構受力明確，計算簡單，加固后整體橋梁的結構強度、剛度和穩定性都有顯著的提升，同時該方法不影響原有公路橋梁的整體效果；但是對一些大跨徑橋梁受自身重力的影響，如果只是單純地增加橋梁截面，可能其承載能力提升不夠明顯。

（3）粘貼纖維復合材料法

粘貼纖維復合材料的原理是指在加固后復合纖維布、樹脂膠與橋梁的鋼筋混凝土混為一體，共同承載橋梁的應力、共同變形等，從而能較大限度地提升橋梁的抗彎及抗震能力。纖維復合材料強度高、質量輕、彈性高、不受構件形狀限制，能適用各種結構外形；該方法加固是通過粘貼，不需要打孔和螺栓，不會對原有結構造成二次破壞；纖維復合材料耐久性能好，能很好抵抗酸堿鹽等介質的腐蝕，提高外部環境對混凝土結構的損壞，進而提高橋梁的耐久性。

3 橋梁加固措施經濟性分析

3.1 項目概況

選取陜西省西安市某高速公路橋作為研究對象，該高速公路橋梁長184 m，其中主梁設計為采用C50混凝土澆筑的T形梁，其中軸心抗壓強度設計值、抗拉強度設計值和彈性模量分別為11.6 MPa、1.25 MPa和2.8×104 N/mm2，橋梁的主筋選用二級鋼，其他使用一級鋼。由于年代久遠，該橋梁及橋面老化嚴重，出現了一系列病害問題，如梁體裂縫、伸縮縫損壞等，需要進行維修處理。

3.2 橋梁加固措施及經濟性分析

3.2.1 橋梁檢測分析

為了確定該橋梁是否需要加固，首先在試驗載荷620 kN下對橋梁的抗擾度進行試驗。如圖2所示，通過對實測數據的計算分析，可以得到校驗系數的變化情況。通過檢測分析得出，該橋梁在試驗載荷下，橋梁抗擾度校驗系數為0.28～1.56，而國標規定的橋梁抗擾度校驗系數值小于0.9，表面該橋梁承載力已經不滿足規范要求，需要進行加固維修。

3.2.2 橋梁維修加固經濟性分析

基于檢測結果，為了保證結構安全，對加固方案進行對比分析，該工程采用體外預應力索方法進行加固。具體方案如下，首先對橋梁上的裂縫進行處理，其中裂縫大于0.2 mm的進行注膠，裂縫小于0.2 mm的采用環氧樹脂封堵；在主梁上增設ФS15.2 mm的鋼絞線，為確定選用鋼絞線的數量，設置四組鋼絞線，具體分類如表2所示。

對上述表格中的鋼絞線分別進行抗彎承載力計算，其計算結果如圖3所示。由圖3數據得出，四組鋼絞線采用體外預應力加固后抗彎承載力皆有所提高，且隨著體外預應力鋼絞線截面面積增加，抗彎承載力也逐漸增加；根據設計標準要求抗彎承載力需增加1 241.8 kNetkioxc3lDRfCJsr2lIBsrH2QnFnx8Vvzk01yrp/99A=·m，通過圖3中的數據計算得出只有在鋼絞線截面積為840 mm2時抗彎承載力增加1 280.6 kN·m不符合要求，其余三組皆大于1 241.8 kN·m。同時對四組鋼絞線在跨徑為20 m時進行成本分析，分析結果如圖4所示。通過圖4得出，在鋼絞線截面積為840 mm2時，成本最低僅有2 640元，在鋼絞線截面積為3 920 mm2時，成本最高為1 1120元，且在鋼絞線截面積為1 960 mm2時的成本還低于截面積為1 680 mm2時的成本。結合圖3和圖4中的數據進行綜合對比，最終體外預應力加固選用2束7-7ФS15.2的鋼絞線。

4 總結

該文通過分析高速公路橋梁存在的問題，提出了相應的加固技術措施，根據實際橋梁加固案例進行分析，并通過實際數據分析得出：

（1）通過對所研究橋梁的抗擾度進行試驗，得出在載荷620 kN下橋梁抗擾度校驗系數為0.28～1.56，試驗得出的橋梁抗擾度校驗系數大于規定要求，從而得出該橋梁承載力下降，需要進行加固維修。

（2）通過對四組不同鋼絞線的抗彎承載力的分析，抗彎承載力隨著鋼絞線的截面面積增加而增大，除了截面積為840 mm2時抗彎承載力達不到要求，其余三組符合要求；且經過成本對比分析，最終選用2束7-7ФS15.2的鋼絞線進行體外預應力加固，加固方案可滿足性能要求。

參考文獻

[1]陳海濤，馬遠剛，呂曹炯，等.既有鐵路橋梁樁基檢測與病害加固處治[J].世界橋梁，2024（2）：120-126.

[2]姜宏維，郭建明.某鋼箱梁懸索橋加固方案設計與分析[J].公路，2024（3）：710-712．

[3]張峰.大跨徑連續鋼結構橋梁檢測評估與體外預應力加固研究[D].成都：西華大學，2022.

[4]于玲，王澤鵬，任成明，等.預應力CFRP布加固混凝土梁受彎試驗[J].沈陽建筑大學學報，2024（2）：241-249.

[5]王磊，郭震山，楊國俊.黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價[J].安全與環境工程，2022（1）：26-32.