旧桥评估与加固技术应用研究-论文发表

旧桥评估与加固技术应用研究

刘晖

（宁夏公路勘察设计院有限责任公司，银川 750004）

摘要：随着我国国民经济的发展，公路交通运输量急剧上升，由于不利的环境影响、结构的自然老化、车辆荷载的增加以及养护维修的欠缺，一部分桥梁不可避免地出现各种结构损伤，旧桥的评估和加固越来越受到重视。本文简单介绍了国内外现有桥梁的基本状况，对常用桥梁可靠性评估、旧桥加固的方法及优选方法进行了系统总结和研究，为桥梁设计理论提供参考。论文发表网

关键词：结构损伤，可靠性评估，旧桥加固，优选方法

1．国内外现有桥梁的状况

世间一切事物，都是一个产生、存续、终结或转化的过程，桥梁结构也不例外，由于交通量、车辆荷载的增加和周围环境不利因素的影响以及结构自身的自然老化，桥梁结构在其生命周期内必然发生结构状态的退化，其功能将逐渐减弱，这是一个不可逆转的客观规律。

如果能科学的评估这种损伤的规律和程度，及时采取有效处理措施，可以延缓结构损伤的进程，达到延长结构使用寿命的目的。因此，在役结构的可靠性评估方法及加固技术已逐渐成为工程界关注的热点问题，许多工程技术人员和研究团体已经投入研究该领域，把结构的鉴定评估与加固技术放在非常突出的位置。

美国自1978年至1981年对全国公路桥梁作了全面调查，发现自1950年至1981年建设的大于6m的桥梁中，被定级为结构性缺陷的桥梁占13.9%之多。在其他一些国家如法国、挪威和德国，缺损桥梁比例分别达到39%、37%和26%。我国在近20年建造了大量的公路桥梁，永久性桥梁的数量也在不断增加。同时，大量桥梁因桥梁增大和交通量激增等原因而出现不同程度的缺损与退化，危桥数量呈增长趋势。据美国联邦公路管理局统计，目前美国每年约有5000座桥梁退化为缺损桥梁，联邦桥梁维修基金也相应增加到每年30亿美元。欧洲桥梁管理项目统计表明，目前欧洲各国每年用于桥梁维护的费用占既有桥梁重建费用的0.5%～1.0%；而就美国纽约交通局所管辖桥梁而言，这个比例高达8.5%。



图1 桥梁损伤示意图

2. 结构可靠性降低的原因

随着我国经济实力的不断增强，公路运输事业发展迅速。近几十年来，一方面公路交通量急速增长，大型重载的运输工具越来越多，需要高标准的桥梁；另一方面原有的公路桥梁因老化、破损等原因难以满足公路运输的发展。造成桥梁结构可靠性降低的主要原因有以下几个方面：

（1）公路车辆的超限运输

在提高公路货运车辆经济效益的同时，存在着大量提高公路运输车辆轴载重量、总质量以及外形尺寸限值标准的现象，即超载运输。给处于道路咽喉的桥梁增加了额外的载重负担，对桥梁的安全性构成了巨大的威胁。

（2）结构的老化与病害

由于结构所处外界环境的影响而产生的老化与病害，使结构的承载能力、安全性下降。究其产生的原因，除了自然老化外，更主要是由于施工质量差、材料强度下降及常年失修、恶劣的运营条件。

（3）设计标准的演变

在我国许多建于20世纪60年代的桥梁目前仍在正常运营，这意味着依据旧规范设计的桥梁承担着新规范规定的增大的设计荷载，超载现象是客观存在的。在设计方法的发展和设计标准的不断细化过程中，虽然能保证前后规范在安全性方面的合理衔接，但其中存在一些差异也在所难免。1974年以前我国尚无高速公路，也不存在汽车专用公路和一般公路的区别，但随着公路网的重新划分，必然会造成部分公路等级的提高，从而造成桥梁承担的荷载等级也相应提高，并因此影响到桥梁结构的安全性，这是进行桥梁评估最主要的原因。

（4）意外碰撞

结构在使用过程中，由于意外碰撞引起的结构构件断裂、失稳或变形过大而没有及时修复或更换，常常会影响相邻构件的承载能力。构件裂缝的开展也会导致构件的抗力下降。

我国公路桥梁大部分是新中国成立以后兴建的，部分桥梁的桥龄也已达40余年。根据20世纪80年代和近年的几次公路调查结果，已有相当数量的桥梁发生了不同程度的老化、损坏，危桥的数量逐年增长。特别是50年代和60年代建造的一些桥梁，普遍存在因设计荷载较低，承载力不足，桥面过窄、材料老化、结构破损等问题。这些桥梁难以正常使用，必须限重、限载通行，有些桥梁甚至不得不关闭交通，只有加固补强，使其恢复设计承载能力或提高荷载标准后才能运行。

3．旧桥维修加固的特点

桥梁维修加固的特点：与新建桥梁工程相比，旧桥的维修加固施工主要有如下特点：

（1）维修加固的标准与设计时所采用的标准往往会有不同。

由于旧有建筑物的存在，以及未来使用年限要求的不同，桥梁加固或改建的标准不可能与设计时采用的标准完全相同。比如，旧桥的荷载等级假设是汽车-13级，而经过加固后，其荷载等级可能会提高。故应在保证行车安全的前提下，根据使用要求和耐久性要求的具体情况，正确地掌握和提出加固或改建的有关标准要求。

（2）维修加固工作的难度比新建时大

维修加固桥梁建筑物的工作必须在不妨碍交通的条件下进行，因此，往往会增加不少困难。即使会使施工产生困难，也必须尽量照顾交通。因此，在桥梁维修加固工作中，应从设计和施工组织上采取有效措施，尽量减少对交通的影响。

（3）桥梁的维修加固工作应充分利用原有结构

桥梁的维修加固，在对原有结构作周密。细致检查评定的基础上，合理利用原有结构，勿需更换的就不更换。

（4）桥梁维修加固工作比新建桥梁有更好的经济效果

解决旧桥承载力和通过能力不足的问题，通常有两种方案可供选择：一是拆除旧桥后重建新桥的重建法和换下全部旧桥主梁，架设荷载等级高的新梁的换梁法；另一种即采用各种加固措施，或除采用加固措施外，同时对旧桥加以拓宽的加固法。前者施工费时、费力，且造价较高，后者所需费用较少，一般仅为建造新桥的1/10至3/10。

可见，采用维修加固提高桥梁承载能力和通过能力，是提高现有桥梁经济效益，节省投资、减少人力、物力的重要途径。

（5）桥梁维修加固施工需更注意安全

桥梁维修加固施工是在荷载存在情况下进行的，因此必须保证施工每一阶段结构的安全。特别是混凝土的修理、凿毛和破坏作业拆换受力构件，在桥梁上施加新的施工荷载等，都使结构受力条件发生变化，均应作出分析评定。必要时，在施工中要加强观测，并采取有效的安全措施等。

（6）桥梁维修加固方法很多是新的施工工艺

由于桥梁维修加固工作是一项新近出现的技术，许多施工工艺是全新的，因此，其工艺的可靠性、可行性、合理性、耐久性等必须经过反复的科学试验和实践论证且需经受时间的考验。只有在车辆的反复作用下，才能充分验证是否获得了预期成效。通过大量实践，进一步探求其规律，为改进新工艺奠定基础。

4. 桥梁可靠性评估的主要内容

按照结构可靠性理论，桥梁结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三个方面。可靠性评估就是利用特定的信息，分析、评价在役桥梁的可靠性，以此作出工程决策的过程。桥梁结构可靠性评估大都基于大量的外观调查的基础上，借助必要的监控和检测试验，建立专家经验评价库，利用监控诊断和无损探伤技术，提供结构相应，确定材料的实际物力特征，以及判断结构的损伤程度等进行可靠性评估。其评估内容有：

（1）安全性评估

主要是指对结构的破坏极限状态的评估，即承载能力评估，它涉及到人身财产安全，是现阶段桥梁评估的主要内容。桥梁结构在实际使用中，随着使用年限的增加和其他环境因素的影响，荷载和抗力将是随时间变化的随机过程，为揭示桥梁的真实承载能力，要以结构系统为对象，并借助于较为复杂的结构分析模型，对结构的强度和稳定性等方面进行评价，以弄清结构的实际安全储备。

（2）适用性评估

桥梁结构的适用性是指在正常使用荷载作用下，主要包括构件在使用寿命期限内应具有足够的刚度和使用性能。通过对结构的运营极限状态的评估，为判断结构是否正常使用提供依据。这对确定结构的正常工作条件和指导日常养护维修是否需要。因此，要加强日常桥梁结构监测，对结构的变形、震动及其他影响正常运营的因素进行分析，为对桥梁进行适用性评估提供重要信息。

（3）耐久性评估

耐久性评估是在安全性和适用性评估的基础上，对结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的使用年限内应有的足够使用寿命的评估。对桥梁结构而言，耐久性评估侧重于结构损伤及其原因，以及这些损伤对材料物理特性的影响，如混凝土结构的耐久性以规定保护层厚度和限制裂缝宽度；钢结构的耐久性评估准则是根据其钢材的腐蚀、磨损和疲劳累积损伤程度以及养护维修状况来进行的。

5. 桥梁加固的主要内容

桥梁加固与改建工作的主要内容：对发生重大病害和不能满足运输要求的桥涵设备彻底进行整治加固、改善和更新。目的是恢复原有桥梁建筑物的整体使用效能和延长使用年限；提高原有桥梁建筑物的荷载等级和通过能力。

桥梁加固与改建工作的主要内容有：

（1）对旧桥上部构件进行加固；

（2）对旧桥下部构件进行加固；

（3）拓宽桥梁的行车道或人行道；

（4）升高桥梁上部构造的高度；

（5）更换桥梁行车道路面或引桥路面的结构；

（6）部分或全部更换桥梁损坏或破旧结构物。

桥梁加固与改建工作，应充分利用原有结构，凡能加固的，则不宜改建，如能部分改建的，则不应全部改建。

6. 桥梁加固的主要方法

6.1上部构造的常用加固方法

1）扩大或增加构件截面法，包括下列几种形式：

（1）桥面补强层加固法

通过一定的工艺和结构措施，在梁顶面上加铺一层钢筋混凝土面层，使其与原有主梁形成整体，达到加厚主梁高度和增大梁的抗压截面的目的，以提高桥梁的承载能力。其特点是：

① 施工简便、经济，但加铺梁面层后，静载增加，承载能力提高不显著；

② 施工需凿除原有桥面铺装，同时考虑到新旧混凝土的结合，新浇混凝土的干燥收缩影响等，尚需设置连续钢筋和钢筋网等；

③ 此法适用于抗压截面较小的构件；

④ 浇注后混凝土须养护，必须对交通加以限制；

（2）增大梁截面和配筋加固法

在梁底或侧面，加大钢筋混凝土截面（增曾配主筋），使梁抗弯截面加大，提高梁的承载能力，其特点是：

① 为加强新旧混凝土的结合，需对旧梁面凿毛，操作麻烦、凿除工作量大，常需在桥下搭设脚手架；

② 对T形梁有采用底面及侧面同时加大，以及加大底部马蹄两种加固形式；

③ 加固效果显著，适用于梁桥及拱桥。

（3）钢板粘贴或增设其他钢梁，形成组合梁的加固法。

用环氧树脂类粘结剂，将钢板（或槽钢）粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位，使其与结构形成整体，以钢板代替钢筋，提高梁的承载能力，其特点是：

① 不需要破坏被加固的原有结构物；

② 加固工程几乎不增大原结构的尺寸；

③ 尽管工程质量要求很高，但施工时并不要求高级的专门技术人员操作；

④ 能在短期内完成加固工程；

⑤ 几乎可以不改变具有历史价值建筑物的原有艺术特点。

（4）粘贴碳纤维布加固法

碳纤维是一种高新材料，力学性能优异，是在高温下经特殊工艺制造出的一种高科技产品。用环氧树脂类粘贴剂，将碳纤维粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位，使其与结构形成整体，以碳纤维布代替钢筋，提高梁的承载能力，其特点是：

① 优异的力学性能。可有效应用于多种形式的结构补强，包括抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的扩展等；

② 优异的化学稳定性。碳纤维片具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线和防水能力，适应温度变化能力强，加防火涂料后可有效防火。因此，可以大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长构件寿命；

③ 材料轻、强度高。可以不增加结构体积和不改变结构外形，增加的结构重量可以忽略，便于用所需的材料涂装，且不留补强痕迹，这是其它方法不可比拟的；

④ 施工工序简单。可用小型电动工具操作，工种少、工期短、进度快，可在持续交通的情况下施工，而不影响补强效果，从而大大缩短施工断交时间，具有较大的经济和社会效益。

2）改变结构体系法，包括以下两种形式：

（1）增设纵梁法

在墩台地基安全性能好、并有足够承载能力的情况下，可增设承载力高和刚度大的新纵梁。当基础承载力不足时，必须对基础采取加固措施。新增主梁与旧梁连接，共同受力，从而达到提高桥梁承载力的目的。当新增主梁位于两侧时，则兼有加宽的作用。

（2）增设立柱或桥墩，使简支变连续，或改桥为涵的改变结构体系法。

通过改变桥梁结构体系，如在简支梁下增设支点，缩短桥跨，或把相邻两跨简支梁加以连接，从而使简支梁变成连续梁。对于小桥，还可采用改桥为涵的形式，来提高桥梁的承载能力。前者一般为临时通过重车的应急措施，后者则必须视通航及排洪灌溉而定。

3）对结构施加预应力的预应力法

应用预应力原理，以梁身为锚固体，通过张拉、对梁的受拉区施加压力，以抵消部分自重应力，减少在活载作用下的应力增量，从而减少和避免梁上出现裂缝，提高梁的耐久性，可作为重车通行的临时加固手段，也可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。

4）更换部分或全部主梁的换梁法

6.2下部构造的常用加固方法

桥梁下部构造的维修加固，需根据旧桥损坏情况及存在的问题，分别采用不同的方法，常用的方法有：

1） 扩大基础加固法；

2） 加桩法（打入桩或就地灌注水泥混凝土桩）；

3） 减轻荷载法；

4） 顶升法；

5） 支撑法或加宽加厚法（处理墩台变位）；

6） 用钢筋混凝土套箍（或护套）加固墩台；

7） 其他加固法：如旋喷法、砂桩法等。

7. 桥梁加固方案的优选

对桥梁加固方案优选进行研究的目的在于从众多初步可行的方案中选择出一个最佳方案。为达到这一目的，应该实现桥梁加固所要求的基本目标，即：技术可行、效果可靠、经济合理、施工简便和确保质量。

（1）桥梁加固方案的效果可靠性主要是分析加固方案所达到的加固效果是否能满足要求。每一种加固方案都有一定的适用范围，以满足某种加固需要，其适用范围主要由桥梁需要加固的原因、结构特点、结构所处的环境、当地具体条件，尤其是对加固后桥梁的功能要求所决定的。所以，为保证加固方案效果可靠，就必须要求加固方案达到如下子目标：采用该加固方案满足加固后桥梁的功能要求，包括强度、刚度、稳定性等；该加固方案能否适应新旧结构的协调工作要求；该方案能否尽量少地对原构件产生不利影响。

（2）桥梁加固方案的经济合理性主要是指所采用的结构加固方案的造价和工期应该在满足加固效果可靠的前提下，能够做到造价低、工期合适，另外，还需充分考虑结构在加固后可能花费的维修费用。

（3）桥梁加固方案的技术可行性是指以下几个方面：所采用的加固方案是否技术先进；所选方案经过了丰富的工程实践经验，证明其技术是成熟的；所选加固方案与结构需要加固的原因相适应；所选加固方案与结构所在地的具体条件相适应。

（4）桥梁加固方案的施工是否简便取决于三方面：加固方案本身的技术复杂程度；客观条件的制约；施工单位水平的高低。众所周知，由于不同加固方案所采用的施工方法、施工程序、施工设备等不一样，其施工的难易程度亦不同。而加固施工场地条件的区别，结构类型的不同对施工进度也有很大影响。施工单位水平应适宜承担所选择加固方案的技术水平。总之，所选方案应该达到技术简单、占用场地小、与被加固结构的类型相适应、施工单位水平满足要求。

8．结论

通过上述对在役桥梁的评估和加固原则及加固方法的阐述，可得到如下几点结论:

（1）对不同型式的桥梁，检测的侧重点也各不相同，检测时须根据桥梁结构特点，选取桥梁主要受力部位的主要病害进行详细检测，为桥梁的评估与加固提供科学、可靠的检测数据。

（2）旧桥的现场检测可以评价现有桥梁结构的完好程度、材料老化程度和强度降低程度，但检测是一个非常复杂的问题，如检测仪器的精度不够、检测方法的选择、人为检测误差等均会影响结构计算结果。为了保证检测数据的准确性，我们应该在控制人为因素产生误差的同时，尽量采取先进的检测方法。

（3）旧桥的评估是一个数据不完整、理论不准确、存在许多不确定性的综合决策问题，采用现场检测及荷载试验，与理论计算相结合的分析方法能够比较准确的对旧桥的现有技术状况及承载能力作出评估。

（4）旧桥的加固是一项十分复杂且极具灵活性的工作，需考虑的因素及涉及到的问题很多，从某种意义上来说，无论是技术改造方案的拟定于设计计算，还是技术改造的具体实施，其难度往往比新建桥梁还大。一般情况下维修与加固方案的拟定，首先须根据桥梁现有的技术状况和通行荷载的要求，对技术改造的必要性和可行性作出判断，然后对各种可能的维修与加固方案的技术经济效果进行分析比较，从中选择合理的改造方案，优秀的加固方案具体体现在其施工作业方便、施工技术先进、经济效果好、加固质量高等方面。

通过对旧桥的评估与加固研究，可以帮助我们对原有桥梁进行重新利用，在结构性能、承载力与耐久性等方面进行挖掘，也为桥梁设计理论提供参考。

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