桥梁结构加固设计原则及方法分析

陈孟林

（抚州赣东公路设计院有限公司，江西 抚州 344000）

0 引言

桥梁在长时间运营后因环境、荷载等因素可能出现质量问题，尤其是早些年修建的桥梁，已无法满足现行规范的要求。为提升桥梁运营的安全性，且使其满足当前的设计标准，最为合理的办法是实施桥梁结构加固设计，恢复甚至增强桥梁结构的承载能力和通行能力，尽可能消除桥梁的安全隐患，提高其运营能力，延长使用年限。

1 桥梁结构加固设计的原则

桥梁结构加固的主要目的是防止现有的质量病害扩展，增强其安全稳固性，而且在多数情况下，在加固的过程中需要满足保通条件。因而从整体上来看，桥梁结构加固的标准相对较高，需要综合考虑桥梁施工安全与运营，结构加固设计的难度相对较高。为此，桥梁结构加固设计的原则如下：

第一，资料熟悉，实地考察。为使桥梁结构加固设计方案充分发挥作用，设计前需掌握此项工程的原始资料，尤其是桥梁施工设计图、施工方案、施工材料等，明确桥梁结构。与此同时，围绕桥梁现有的质量问题、结构缺陷开展实地考察与数据采集工作，对比分析桥梁实际与原始资料，以此为基础开展桥梁结构加固设计。

第二，做好桥梁基础核算，对桥梁的现有缺陷进行分析，掌握其破坏程度，尤其是桥梁结构的承载力的性能，确保设计方案能够将桥梁结构的承载力提升至1.5 倍左右。

第三，尽可能保留原有结构。由于原本的桥梁结构也经过精密计算，为避免资源的不必要浪费，设计人员应保留具有价值的结构构件，除非在必要情况下才可开展拆除和更换工作。

第四，注重桥梁结构加固设计与施工方法的紧密结合，从而为后续施工作业的有序开展奠定良好基础，增强新老构件的连接可靠性，实现设计方案的预期加固效果。

第五，控制施工操作难度。桥梁结构加固设计应尽量控制所选用的技术的实施难度，根据桥梁的实际情况开展临时加固设计，保证多方安全。

第六，通过开展桥梁结构加固设计，使技术方案囊括所有结构缺陷，并按照桥梁下部—桥梁上部—桥梁附属设施的流程加以设计，最后落实规范的整体设计验证。

需要注意的是，在优选桥梁结构加固设计方案时，要将经济性、环保性、耐久性等评价原则贯穿始终，将加固施工费用控制在合理范围内，选择成本适中、桥梁通行运行影响小、耐久性强、环保节能的加固设计，以此满足桥梁工程多方建设效益的要求。

2 桥梁结构加固设计的方法

2.1 基于下部结构的加固技术

2.1.1 桥梁基础扩大技术

桥梁基础扩大技术主要的应用场景是桥梁基础埋置不深、基础承载力相对较小的工程环境，尤其是桥梁墩台由混凝土制成且为刚性实体的情况下。当桥梁在长时间的运营下，其基础出现鲜明的不均匀沉降，或地基土的土壤坚实度较高时，桥梁基础扩大技术将取得良好的加固效果。在一般情况下，当桥梁基础底部承载力不足时，可以根据工程实际情况，通过在基础下面打桩的方法，遏制地基变形。其中，桩基数量应根据地基具体变形的程度确定。由于基础扩大技术在实施过程中需要开挖原基础，出于施工安全考虑，以该技术为核心的桥梁结构加固设计还应具有支护内容，增强原基础的稳定性，实现新老基础的顺利结合，使其成为一个整体共同受力。技术流程为：基础定位放样—基坑开挖—基坑排水—基底处理—砌筑（浇筑）基础结构。

其中，在确定桥梁基础的扩大面积时，需要以地基强度为基准，通过强度验算科学设计扩大面积，以此增强桥梁基础的承载力，使其满足桥梁的运营需求和现行标准。相较于单一计算，设计阶段可以构建安全性评估模型，以此掌握桥梁结构承载力降低情况、桥梁结构刚度降低情况以及桥梁结构构件开裂程度，进而更为准确地修正、强化桥梁结构的实际承载能力。具体公式如下：

（1）桥梁结构承载力降低

式（1）中：

ζ

——桥梁结构抗弯降低系数；

ζ

——桥梁结构抗剪承载力降低系数；

M

——桥梁结构损伤前抗弯承载力（kPa）；

M

——桥梁结构损伤后抗弯承载力（kPa）；

V

——桥梁结构损伤前抗剪承载力（kPa）；

V

——桥梁结构损伤后抗剪承载力（kPa）。

（2）桥梁结构刚度降低

式（2）中：

B

——桥梁结构开裂构件等效截面设计抗弯刚度（N/m）；

B

——桥梁结构开裂构件等效截面实际抗弯刚度（N/m）；

ζ

——桥梁结构钢筋混凝土开裂构件等效截面抗弯刚度降低系数。

（3）桥梁结构构件开裂程度（混凝土锈胀开裂）

式（3）中：

W

——桥梁结构混凝土保护层锈胀裂缝宽度（mm）；

W

——桥梁结构混凝土裂缝最大限值宽度（mm）；

ζ

——桥梁结构混凝土锈胀开裂程度系数。

设计期间，按照资料逐一计算，掌握桥梁结构原有设计承载力和实际承载力比值，明确结构截面损失对整体刚度的具体影响，判断现有裂缝的质量问题是否满足桥梁的正常使用要求。通过计算模型，获得结构可靠性指标，以此为基础确定桥梁基础的扩大面积，增强桥梁的安全性及各项性能指标。

2.1.2 桩基增补技术

当现有桩基无法使桥梁基础承载力达到标准时，则落实桩基增补设计，将原有承台扩大，通过新旧桩基承台的高质量连接，实现对桥梁荷载的共同分担，以此增强地基的承载力。该技术不涉及抽水筑坝等水下作业，但需要在现场搭设打桩架，开凿桥面，因而需要应用于交通运营要求相对较低的桥梁结构加固工程。

2.1.3 高压旋喷注浆技术

高压旋喷注浆技术利用水泥、化学材料，以及配有安全阀与自动停机装置的设备开展作业。该加固技术成本水平相对较低，且具有良好的耐久性，是当前桥梁结构加固工程中的常用加固技术。技术流程为：地质钻孔—放置带有喷嘴的旋喷注浆管—高压喷射浆液—搅拌混合土颗粒与浆液—凝聚固结。设计时，应把握以下要点。

（1）参数设计

（a）桩径。根据土质估算旋喷桩直径，当地基土的标准贯入值为0～5（包括5），且为黏性土时，估算公式为：

式（4）中：D——旋喷桩直径（m）；

N——标准贯入值。

当地基土的标准贯入值为5～15（包括15），且为砂性土时，估算公式为：

如果水泥浆液压力在20MPa 以上，旋喷注浆管喷嘴孔径在2.5mm 以上时，可以适当增大计算所得的结果，即旋喷桩直径。

（b）桩长。以加固土层厚度参数为基准，综合考虑桥梁周围地质要求，在满足地基强度、变形控制等要求的前提下，运用以下公式计算桩长：

式（6）中：

L

——桩长（m）；

b——摩擦系数；

k

——郎肯土压力系数；

r

——桩半径（m）。

（c）桩数

实施高压旋喷注浆技术，加固桥梁结构所需的旋喷桩数计算公式：

式（7）中：n——桩数（个）；

F——结构荷载（MPa）；

G——承台及其上土体自重（kg）；

R——承载力标准值（单个桩体）。

若是存在受力不均现象，则要将计算所得结果增加1.1～1.2 倍。

（2）注浆量计算

水泥浆液是高压旋喷注浆技术的常用材料，为保证后续的施工质量，设计阶段运用体积法公式和喷量法公式计算注浆量。注浆量应为二者间的最大值。

体积法公式：

式（8）中：Q——注浆量（m）；

D、D——旋喷体、注浆管直径（m）；

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

h、h——旋喷、未旋喷长度（m）；

β——损失系数。

喷量法公式：

式（9）中：H——旋喷长度（m）；

V——旋喷提升速度（m/min）；

q——浆液喷量（m/min）。

以该技术为核心的加固设计，施工时需要桩中心与钻杆中心保持对准状态，位置偏差在50mm 以下，垂直偏差在1%以下。设备就位后，在孔身垂直的状态下钻进设计标高。在此期间，钻头刃口倾斜度需小于1.5%，完成钻孔作业后将高压管插至设计深度，之后开展喷射作业，根据实际情况灵活调整提升速度，最后冲洗机具，完成施工。

2.1.4 顶推法

针对桥梁径向裂缝和环向裂缝，应落实顶推加固技术设计，依托于拱桥拱脚水平位移的调整达到桥梁结构加固的目标。该技术对桥梁运营影响较小，调整拱体内部的作用力，能够从根本上优化拱桥的抗弯刚度，短期内即可发挥良好的加固效果。

2.1.5 混凝土置换的加固技术

当桥梁结构的构件强度不再符合使用要求时，可以采用混凝土置换的加固技术。在保留原结构的基础上，置换局部缺陷构件，利用性能优良的混凝土解决结构问题，在保证结构体积、空间不变的前提下加固桥梁。

2.2 基于上部结构的加固技术

2.2.1 桥梁面板的加固技术

将钢筋混凝土结构规范铺设于桥梁前面板，扩大桥梁前面板的受压截面，以整体化方法强化原有结构，实现桥梁结构刚度与承载能力的有效提高。设计期间，应根据桥梁桥面出现的具体问题，采取相对应的加固措施设计，具体如表1所示：

表1 基于桥梁结构加固的桥面修补措施

除此之外，在确定加固措施过程中，还应通过公式（1）、（2）、（3）确定具体参数，以此保证加固设计的质量与实用性。

2.2.2 主梁的加固技术

（1）碳纤维粘贴加固

针对锈蚀明显、配筋率较低的桥梁，可采取碳纤维粘贴加固技术设计，利用其施工便利、操作简单的技术特性完成梁桥、板桥的抗剪与抗弯加固作业。但在实际施工期间，需要对黏结剂、碳纤维片的温湿度进行控制，在良好的环境下开工。

（2）锚栓锚固工艺

对于锚固存在缺陷或质量损伤的桥梁结构构件，通过局部构件更换实现结构加固。由于该方法适用于强度较低的构件处理，因此需要综合考虑桥梁实际情况，并尽可能避免构件更换与拆装，从而保证桥梁整体的稳固性。

（3）体外预应力加固

该技术方法主要目的是增强桥梁承载力，经过上述承载力公式计算后得到实际与计算偏差，然后通过钢筋形成预应力拉杆带来的偏心预应力加固桥梁结构，实现内力的合理分布，不仅使用方便，施工期间也不会对桥梁运营造成较大的影响。

2.3 基于结构表层的加固技术

在长时间运营下，桥梁表层经常出现裂缝、锈蚀等局部病害，针对由此产生的结构稳固性问题，应加强结构表层的加固设计，目前常用的加固技术包括水泥砂浆修补、混凝土修补以及黏结剂修补。此外，需针对具体病害落实加固设计：针对钢筋锈蚀，在处理后均匀涂抹环氧胶液；针对结构裂缝，视实际情况，采用压力灌浆、封闭加固或表面粘贴修补技术。

3 结语

综上所述，桥梁作为交通体系的重要组成，其稳固性直接关系到人们的出行安全。为了有效加固桥梁结构，提升其后续的运营质量，应立足设计原则针对桥梁下部结构、上部结构、结构表层落实完善的加固设计，选择合适的加固措施，明确技术优缺点，以此强化桥梁性能，提高整体的安全稳固性。