桥梁加固技术应用研究

韩永军

（国家能源集团神华准能集团有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 010300）

1 我国桥梁主要病害及成因分析

桥梁受到自然、社会等诸多因素的影响，容易出现不同类型的病害，比如常见的钢筋锈蚀、冻害、基础沉降等。

1.1 铁蚀病害

桥梁结构长期暴露在大气中，和空气中的二氧化碳直接接触。钢筋又是桥梁的基础材料之一，是桥梁的重要部分，对桥梁的抗拉、抗剪性能起决定作用。通常钢筋表层具有致密的氧化膜，可以阻隔空气，有效防止腐蚀。但由于外界环境的影响，在二氧化碳环境当中，随着雨水等渗入混凝土，致使钢筋氧化膜发生破坏，发生连锁腐蚀反应，导致其刚度及强度急剧降低。此外酸性液体还会进一步加剧钢筋腐蚀，使钢筋的整体性能大大降低，桥梁的整体承载能力急剧降低。

1.2 冻融病害

除钢筋腐蚀病害外，冻融病害也是非常严重的一种病害形式。冻融病害通常和当地的气温有很大关系，尤其是在我国的北方地区较为突出。在我国北方长期冻融现象使得大量桥梁出现裂缝。一般在发现上述裂缝病害后，采取加固填充处理，但在处理时若措施不当，反而会加剧破坏，增大裂缝。一般冻融病害主要原因在于当地气候，但也会有人为因素的存在。例如：在桥梁施工期间施工工艺不规范，监管力度薄弱，以及桥梁养护期内养护工作滞后等都会造成上述病害的发生。

1.3 基础结构沉降

因桥梁地基不稳定因素（如地质变化、外界环境变化等），导致桥梁基础发生不均匀沉降。发生不均匀沉降，可导致墩台开裂；上部结构横向联系开裂变形，梁体结构造成结构性破坏，桥面铺装结构破裂，在墩台衔接处发生不均匀沉降，易造成跳车等交通事故。现代交通运输行业的高速发展，类似像高速铁路对路线线形要求更加苛刻，基础沉降问题显得异常重要，成为工程建设研究的重点。

1.4 裂缝问题

混凝土结构的桥梁，裂缝是很普遍的病害，甚至预应力结构有些部位都会出现裂缝。当桥梁使用较长时间，由于各种外界因素、内部原因共同影响，一般都会出现裂缝，根据其是否由外荷载引发，大致可归纳分为结构性裂缝和非结构性裂缝。结构物一旦出现裂缝，其受力截面发生应力重分布，也就意味着有效受力截面变小，结构应力增大，承载能力降低。混凝土结构的任何损伤和破坏，一般都首先在混凝土中出现裂缝，裂缝已成为是反映混凝土结构病害的晴雨表，在工程施工及桥梁后期养护中需引起高度重视。

2 桥梁加固的重要意义

2.1 提高桥梁的安全性能

桥梁一旦发生病害，桥梁的安全性能就会降低。如桥梁发生裂缝病害后，其整体刚度就会急剧降低，力学性能发生变化，结构应力发生重分布，导致局部应力可能超过允许应力，致使桥梁结构出现新的裂缝，甚至可能出现结构构件断裂而导致桥梁垮塌，造成严重的安全事故。故桥梁加固对提高桥梁的安全使用性能具有重要意义。

2.2 节约建设成本

通过对桥梁进行加固，不仅能恢复桥梁原有的功能，同时还能在很大程度上减少新建工程的资金投入，实现经济效益与社会效益双丰收。首先，翻新重建或拆除旧桥都需要耗费大量的资金，增加了政府、企事业单位的经济负担；其次，加固能够使原有桥梁承载力提高，使用寿命增加，节约投资的同时，使得既有桥梁充分发挥其应有的价值，整体上节省了交通建设发展的投资成本。

2.2 有利于保障人民人身财产安全

改革开放以来，我国交通事业蓬勃发展，尤其进入“十三五”，交通供给侧结构性改革，实现安全、便捷、高效、绿色的现代综合交通运输体系。一方面，运输车型不断发展，载重数量不断加大，车流量持续增加；另一方面，交通综合管理相对滞后，监管尚未实现全覆盖，这就意味着，超载现象屡见不鲜、桥梁养护尚处落后，桥梁的实际高负荷承载使得桥梁垮塌事故时有发生、桥梁带病运行较普遍存在。桥梁加固能够有效避免上述事故的发生，提高了交通运行的安全性和可靠性，有助于保证行车安全，为国民的生命财产安全提供了保障。

2.3 促进可持续、和谐发展

现代交通持续发展，尤其是在城市，交通拥挤已经成为各大城市的痛点，平交方式已经无法满足当今持续紧张的交通状况，对既有桥梁进行加固改造，能有效的对高密度车流实行分流处置，大幅减少交通堵塞，为缓解城市交通起到举足轻重的作用。方便人们正常生活工作的同时，也为当今持续发展的物流业助力。此外，交通建设发展不可避免的占用了大量农田，导致我国耕地保有量持续降低，威胁着我国农业的可持续发展。桥梁加固改造再利用，一定程度上省去了新建桥梁或路基填筑，节约耕地，保障了农业的土地根本。同时，征地拆迁难度降低，有效的消除了工程建设的社会稳定性风险点，促进了社会和谐可持续发展。

3 桥梁加固方法、各自特点及其适用性

3.1 碳纤维加固法

碳纤维近年来常见于混凝土结构的桥梁加固。加固方法基于混凝土的结构原理，即钢筋与混凝土之间良好的协调性，以及钢筋在弹性模量与抗拉强度上的优越性。粘贴碳纤维法就是利用碳纤维的高强度与相近的弹性模量，将粘结树脂涂布到混凝土上，使碳纤维与混凝土结合，提高混凝土强度。碳纤维布粘贴时应沿其受力方向用橡皮滚筒多次滚压压实， 将气泡赶出， 保证碳纤维布粘贴密实，与混凝土表面紧密结合。第一层碳纤维布粘贴完成后， 应及时进行第二层黏结剂的涂抹，待黏结剂固化到一定程度后， 进行第二层碳纤维布的粘贴， 重复上述步骤直到层数达到设计要求的数量。碳纤维的端部通常较难固定，可采用钢板固定等方法进行处理。碳纤维布粘贴完成后，需要在最外层外面涂抹一层胶料形成表面防护层。防护层可以采用在黏结胶料中加入少量的滑石粉的方法配制，在胶料固化后利用无机材料进行一道表面涂装。

碳纤维加固法可用于混凝土结构抗弯、抗剪加固。在多种结构的桥梁上应用也较为广泛，例如最常见的混凝土结构、木材或钢材结构桥梁的加固。使用碳纤维材料进行加固以后，桥梁的承重能力、抗震能力以及抗腐蚀能力都有了显著的提高。

3.2 预应力加固法

在原构件体外增设预应力钢筋，通过对其施加预应力的方法，改变原结构的内力分布状态，以达到提高结构承载力的目的。增设的预应力杆、撑与原结构有良好的共同工作性能，其承载力提高的幅度也比较大。预应力加固施工技术有诸多特点，如施工难度较低，不影响桥梁结构本身，施工工序较为简单等。在桥梁施工中，体外预应力加固法主要被用于连续体系梁、悬臂梁、简支梁桥等在内的梁式桥在其正常使用极限状态出现超限情况下的结构加固，此外大跨度结构以及采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力应变状态下的大型结构加固。通过对已建桥梁进行体外预应力加固，不但可以达到降低或者消除裂缝的目的，与其他加固方法相比，还有助于减小梁体的断面尺寸和自重，提高桥梁结构的使用寿命。

3.3 增大构件截面加固法

增大构件截面法指通过增加钢筋或混凝土截面面积等进行桥梁加固的方法。增加钢筋法需在混凝土保护层上进行处理，然后通过焊接连接新旧主钢筋、接长箍筋，以及恢复混凝土保护层，实现补强。

采用增大截面法加固有以下特点：1）现代桥梁主要使用的材料为混凝土，钢筋及植筋胶，材料成本低廉且易取得，施工简便，技术含量相对较低，经济有效。相对于其他加固方法，施工质量最易控制；2）在设计中主梁受力明确，计算简单，减少设计计算工作量，加快了设计周期；3）增大截面法加固施工中湿作业的工作量大，可以结合桥面一起进行改造，改善桥梁横向传力，提高桥梁的整体刚度和稳定性。实际工程中，该技术在拱桥、连续桥梁、双曲拱桥、受弯构件、火损桥梁、桥台加固等方面有着广泛的应用。

4 我国桥梁加固技术研究及应用现状

加固技术问世后陆续被世界各国广泛的应用到了桥梁加固当中，并且取得了较好的效果，明显的提高了桥梁的抗震性能与安全性。我国的桥梁加固技术的研究与应用尚处于起步的阶段，直到2008 年才出台了我国桥梁的加固设计及施工技术规范，并在实践中得以应用，以探索总结相关经验，但是对加固的桥梁进行全方位评估尚处空白，目前仅可依据养护规范进行间接评估。从整体上来说， 我国的桥梁加固技术与世界上先进国家依然存在着巨大的差距， 桥梁加固技术水平还有待于进一步提高。目前，桥梁加固技术日趋成熟，加固技术已经由通用加固技术向专门针对各种形式的拱桥(如石拱桥、双曲拱桥)、PC 混凝土斜拉桥、连续梁桥和刚构桥等桥梁结构体系的维修加固技术、防震预加固及地震后的维修加固技术的方向发展。此外还针对桥梁加固之后如何对加固的质量进行检验评定以及加固时选取的新材料应用效果进行专题研究，并取得了良好的效果。通过这些深层次的专项研究，我国的桥梁的加固技术必将走向更加先进成熟的快车道。同时我们也看到，从2008 年汶川大地震，到近几年全国各地地震、洪水、泥石流等自然灾害频发，其不确定性和自身的强大破坏力，给国家及人民生命财产带来重大损失；同时我国抵御自然灾害的体制机制，风险预控体系建设也日趋完善，防风险意识不断增强，抵御自然灾害的能力逐步提升。所以，新时代新要求，桥梁加固改造系列领域的建设发展，肩负着时代的要求和崇高的历史使命，必须不遗余力，攻坚克难，继往开来。

5 桥梁加固工程实例分析

5.1 工程概况

某公路中桥建于上世纪90 年代，桥梁全长47.5m，桥面宽度为净4.5m+2×0.75m 人行道，设计荷载为汽车-15 级。是一座跨径为30 米的空腹式等截面悬链线拱桥。主拱圈由混凝土预制块砌筑，厚0.75m，宽6m，净矢高6m，矢跨比f/L=1/5。拱式腹拱孔跨径为3m。重力式桥台，基础及侧墙采用M7.5 浆砌片石砌筑，桥台两侧设有锥坡。

5.2 主要病害

主拱圈裂缝。主拱圈中波有大量纵向裂缝，横桥向中心线位于第 3 拱波顶处各孔中波顶均存在大量纵向裂缝，大都自拱顶开始至 L/4 附近止，裂缝宽度最大约0.4mm；拱肋、拱波连接处存在大量裂缝，水泥砂浆脱落严重，渗水现象明显。

5.3 主要病害原因分析

裂缝的主要原因是有效预应力不足。在预应力管道的施工过程中，受放线精准度的影响，导致预应力管道的部分位置发生轻微弯折，亦或预应力管道曲率不符合预期要求等问题，导致预应力筋的实际位置与设计位置出现偏差，使该处混凝土的径向预应力发生突变，造成混凝土开裂。

5.4 改造加固方案比选

（1）方案一：根据初步计算的结果采用增大截面法对主拱圈进行加固，即在主拱圈下衬30cm 等厚钢筋混凝土层以改善主拱圈的受力，如下图所示。使其荷载等级提高到公路-Ⅱ级。鉴于原桥桥面宽度不足，增加到净7.0m，全宽8.0m 的要求。拆除原桥面系设置悬臂长0.85m，重新铺20cm 厚现浇钢筋混凝土行车道板（其他外观等缺陷修复内容略）。工程造价约80 万元。

图：主拱圈加固图

（2）方案二：新建2—16m 预应力混凝土梁桥。在现有桥下游与路线顺接处，修建2—16m 预应力混凝土梁桥，并对桥头引线进行改造。工程造价约120 万元。

（3）方案比选：方案一较方案二优势明显，节约工程投资，外观与周围环境相协调，减少了对周边环境的破坏，且施工工期较短，故选方案一。

5.5 主要施工工序及相关要求

加固改造时，先拆除桥面系（卸载）；再加固主拱圈及拱脚基础；疏通排水系统；现浇行车道板；浇筑钢筋混凝土桥面铺装及防撞护栏；铺筑沥青混凝土铺装；安装标志、标线安全设施；所有施工工艺和技术均应符合相应规范、规程要求。

5.6 加固效果及效益

（1）从桥梁自身看：加固完成后，通过静动载试验表明，桥梁的荷载等级已达到公路-Ⅱ级标准，异常应力已消除，其他截面应力相比容许值小，各项指标均在加固设计计算允许值范围内，加固效果良好，且其他表观缺陷经过修补后，裂缝彻底消除，整座桥梁焕然一新，增加了服役的安全性和可靠性，发挥了自身应有的价值和功能。

（2）从经济、民生方面看：该桥加固方案节约投资40 万元，与新建桥梁相比节约投资33%，大大减少了企业的成本支出；另外该桥为企业及群众生产生活的重要通道，短工期完工且未侵扰周边环境，为企业正常生产节约了宝贵的时间，也为附近群众生活带来了便利。

6 结语

桥梁加固是工程领域研究的重要课题，也是时代发展的必然要求，我们必须着眼全局，充分分析利害得失，采用最科学的加固技术方案和工艺，同时将基础理论研究与科技进步紧密结合，不断总结，推陈出新。此外，针对桥梁加固相关参建单位，一定要制定科学完备的施工方案及措施，确保施工的安全性和可靠性，保证施工质量，同时应对加固桥梁进行后评价，建立档案卡，总结得失，分析技术、材料、工艺的利弊性和使用效果，以丰富我国桥梁加固经验数据库，努力为我国桥梁事业的发展做出新的更大的贡献。