公路桥梁维修及加固.docx

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公路桥梁维修及加固

公路桥梁维修及加固

一公路桥梁病害分析

1、公路桥梁病害分析的意义

随着时间的推移，新建桥梁终会成为旧桥。

在桥梁存续期内，由于车辆、特别是超重车辆行驶，以及外界各种因素作用和影响，导致桥梁结构产生病害，出现缺陷，严重影响到桥梁正常使用。

桥梁病害是指因人为的（勘察、设计、施工、使用等）或自然的）地质、风雨、冰冻等）原因，使桥梁结构出现不符合规范和标准要求的问题和现象。

早期设计施工的桥梁在长期重荷载、大量交通量的营运情况下，大部分桥梁都出现了不同程度的病害。

对这些桥梁进行病害分析，提出相应的对策，进行维修加固，具有显著的经济效益和社会效益。

大部分桥梁都具有一定的超载能力，只有找到病害的原因，并进行相应的处治，其大多数是可以继续营运的。

目前我省大量20世纪70年代以后修建的钢筋混凝土桥梁（服务期满30年），将进入桥梁维修的高峰期。

因此，研究桥梁病害机理与防护对策，并及时采取处治和防护措施，可延长现有桥梁的使用寿命；同时，在设计和维修新的桥梁时，选用合理的材料和结构形式，以延缓病害的发生，从而减少桥梁养护工程量，节省养护费用。

2、桥梁病害的主要成因

桥梁的安全度，是通过桥梁结构的强度、刚度、稳定性及耐久性等指标来衡量的。

不仅要保证结构的局部（各组成部分）具有足够的强度、刚度和稳定性，同时结构也要具有较高的耐久性。

但是由于作用荷载的随机性、材料强度的离散性、制造与施工质量的分散性、计算假定的近似性，致使建造的桥梁在长期使用过程中桥梁产生病害，其具体原因有：

原设计荷载偏低，交通发展后车辆增大，桥梁因承载力不足而产生病害；结构设计中存在缺陷，如采用桥型结构不当，设计假定不尽合理等，给桥梁产生病害带来隐患；桥梁施工质量差，未按设计要求和施工规程实施；不不重视桥梁后期养护工作，没有及时消除已产生的病害；洪水、地震等自然灾害使桥梁产生损坏；地质条件差，如滑坡、软基等导致桥梁产生病害。

3、公路桥梁存在的主要病害

就现有桥梁的现状来说，我国公路桥梁存在的病害主要有以下几个方面：

1.设计荷载标准偏低，承载力不足。

早期建造的桥梁，设计荷载大多偏低。

随着交通量的增加和荷载等级的提高，有些桥梁已经出现病害。

2.通行能力不足。

这主要表现在桥面宽度不足；桥梁平面线形、纵断面线形标准太低、桥下净空或桥下通航净空不足。

3.人为及自然因素引起结构的破坏。

比如超出设计最高水位的洪水、泥石流、浮冰、冰冻、地震、强风、船舶撞击，河道不当开挖，桥梁基础下的岩溶、矿山坑道等引起桥梁结构的局部损坏。

4.自然老化。

早期公路桥梁的设计龄期为50年，随着时间的推移，已建桥梁会不断损坏和老化，其承载力、刚度、延性和稳定性不断下降，这是一个不可改变的客观规律。

5.超期服役。

主要是建造时期较早、比如20世纪50～60年代建造的桥梁，设计使用寿命只有30～50年，这些桥梁目前部分仍在使用。

6.超负荷使用。

随着我国改革开放的深入，交通运输竞争业竞争在不断加剧。

按路线等级或者预期设计荷载等级来说，这一部分设计荷载等级并不低，但由于一些特殊的原因，桥梁使用荷载大大超出设计荷载，致使桥梁长期处于超重荷载作用下运营，加速了桥梁的损坏。

7.设计、施工的先天不足。

有些桥梁设计和结构构造处理不合理，桥梁在早期运营时其缺陷并不明显，运营一定时间后，病害便逐渐显现出来。

有些桥梁由于受施工质量、施工技术、施工手段等因素的限制和影响，存在一定的技术缺陷，随着运营时间的增加，其病害也逐渐显露、发展。

8.养护维修及加固措施不当。

有些桥梁的技术缺陷则是由于养护不当引起的。

比如桥面维修增加过大的永久荷载，致使桥梁本身自重过大，承载力相对提高较小或未提高，桥面排水处理不当，桥面渗水；又如支座维修不当，改变整个结构的受力状态等。

有些桥梁则是加固不当引起的。

比如加固施加的预应力大小或者位置不当，引起结构的二次病害；又如结构体系改变不合理，致使结构的关键部位应力超限等。

二上部结构加固常用方法

1、粘帖钢板加固

1.加固的原理

钢筋混凝土梁是由钢筋和混凝土两种力学性质差异很大的材料组成的受弯构件。

混凝土抗压性能好，抗拉性能差，抗拉强度仅为抗压强度的1/10左右；而钢筋的抗拉抗压性能都好。

对于混凝土的受弯梁，在荷载作用下，梁中性轴以上为部分为受压区，中性轴以下为部分为受拉区。

由于混凝土抗拉强度很低，在不大荷载作用下，素混凝土就会在受拉区开裂二破坏，此时边缘配置适量的钢筋，利用钢筋替代混凝土受拉，使得受压区混凝土的抗压强度能得到充分发挥，这样就可大大提高梁的承载力。

进一步分析可知，只要在适筋范围内，梁截面配筋率越大，梁截面参与受压的混凝土越多，梁的抗弯性能就越好。

而对于少筋梁，由于配筋过少，受压区混凝土还未充分发挥作用，钢筋就已经被拉断了。

这说明少筋梁和适筋梁都有可能在提高配筋率的条件下使更多的混凝土参与受压，从而提高梁的抗弯性能。

粘钢法加固梁就是基于此原理产生的一种钢筋混凝土梁的补强措施。

对于已经浇筑完成的钢筋混凝土梁出现抗弯能力不足时，可通过结构胶将钢板粘帖在混凝土梁受拉区的外边缘，利用钢板的抗拉性能可以有效地补充原构件钢筋的不足，使更多的混凝土参与受压，从而大大提高梁的抗弯性能，达到结构补强的目的。

2.加固的特点

粘帖钢板加固法，就是在构件受拉区表面用特制的结构胶粘帖钢板，使钢板与原构件结合成一个整体构件，并且通过粘帖胶将上部荷载产生的梁底拉应力传递给钢板，使钢板与原构件钢筋共同承担活载拉应力，达到增加构件承载力的目的。

这种方法的最大优点在于施工简便，基本上不减少桥梁的净空，并可在不影响或减少影响桥上交通的情况下进行加固施工。

粘帖钢板加固法粘帖钢板加固方法广泛应用于加固工程，与其他几种加固方法相比较，粘钢加固有一些特殊的优点：

（1）基本不增加构件和结构的荷载，不改变原设计的结构体系和受力形式。

（2）胶结剂硬化时间快，施工周期短，基本不影响正常的生产。

（3）胶结剂强度高于混凝土本土强度，可以使加固体与原构件共同工作，受力均匀。

（4）粘帖钢板一方面补充了原构件钢筋的不足，有效提高了原构件的承载力；另一方面还提高大面积的钢板粘帖，有效地保护了原构件的混凝土，限制裂缝的开展，提高了原构件的刚度和抗裂性能。

（5）节约成本，采用此方法比传统加固方法降低造价约10％。

2、碳纤维加固

1.加固原理

碳纤维基本材料是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合材料片材。

将片材用专门配制的环氧树脂粘帖在结构受拉面，树脂固化后与原结构形成新的受力复合体，碳纤维即可与原结构共同受力。

由于碳纤维分担了荷载，就降低了钢筋应力而使结构得到了加固补强。

但是也必须指出，过高的碳纤维材料强度与现行的混凝土强度并不匹配，即碳纤维材料的强度在加固后绰绰有余而不可能得到充分发挥，只有当碳纤维预应力筋束的广泛使用后才能真正地发挥出其材料的高强物性。

碳纤维材料是土木工程出现的一种新材料，在用于桥梁加固过程中其应用机理与我们熟悉的钢筋混凝土结构的工作机理相似。

2.加固特点

（1）几乎不增加结构自重和截面尺寸，由于碳纤维的单位体积质量仅为钢材的1/4左右，且制成布状后其厚度仅为0.111～0.164mm，如制成板状的其厚度也仅为1.4mm左右，因而重力小，厚度薄，基本不增加结构的自重和改变截面的外形。

（2）高强、高效。

碳纤维具有优异的物理力学性能，非常适合于桥梁结构的加固修复。

（3）基本不改变桥下的净空高度。

（4）具有良好的适应性，尤其是布状片材可以适应各种结构的外形进行粘帖和裹缠。

（5）施工便捷。

由于其自重较轻，可操作性强，操作空间要求较宽松，不象粘帖钢板技术那样复杂，故对运营中的桥梁加固修复将会带来较大的社会经济效益。

尤其对于箱梁构造而言，有时可以在箱室内进行操作，即可以节省庞大的支架费用，也具有一定的安全性和隐弊性（若对箱梁表面的裂缝修复仍需支架）。

（6）不需大型机具，无需其他固定设施，因而对原结构不会造成新的损伤。

（7）具有良好的耐久、耐腐蚀性，给养护工作带来方便。

（8）根据受力分析可以进行多层粘帖进行补强，其方向性也可以灵活掌握，给加固修复工作带来方便。

3、其他加固方法

在目前工程界，针对钢筋混凝土结构或者构件，通常采用的加固方法主要还有以下几种，它们可以单独使用，也可以配合使用。

1.增加主钢筋补强加固

当梁内所配置的主要受力钢筋截面不足，无法满足抗弯承载能力的要求，而桥下净空又受到限制不允许过多的增加主梁高度，有时连桥面标高也不允许提高，此时即可采用增加纵向主钢筋的方法进行补强加固，所增加的主钢筋采用焊接工艺与梁内原主钢筋相焊，施工要点有以下几点。

2.增大混凝土截面补强加固

增大混凝土截面主要采用加厚桥面板和增大梁肋混凝土截面两种方式。

（1）加厚桥面板

加厚桥面板进行补强时，先将原有桥面铺装层凿除，在桥面板上浇筑一层新的钢筋混凝土补强层，使其与原梁形成组合断面，用以提高抗弯刚度以达到补强的效果。

为使新老混凝土有良好的结合，桥面板表面应凿毛清洗干净，并且每隔一定间距设置齿形剪力槽或埋设柱状剪力键（钢筋短柱），或用环氧树脂作为新老混凝土的胶结层。

补强层中钢筋网的钢筋直径与问距可根据补强层参与桥面板共同受力来确定。

这种方法仅适用于较小跨径的T梁桥或板梁桥。

为了弥补以上缺陷，有时它也与增焊主筋法配合使用。

（2）增大梁肋混凝土截面

将梁肋下缘加高加宽也是增大混凝土截面的方式之一，通常在加大的下缘混凝土截面中加设主筋。

为避免因起吊T梁进行加固而增加施工难度，梁肋下缘截面扩大部分在靠近支座的梁端部分仍恢复成原截面（即仅在跨中某区段将梁肋下缘截面加大），并在截面扩大部分与保持原截面之间做一斜面过渡。

扩大部分加设的主筋在靠近支座的梁端部分向上弯起呈元宝状并与原结构中的主筋相焊。

3.增加辅助构件

当梁体结构基本完好而其承载能力不能满足要求或者需要提高荷载等级时，可以采取增加辅助构件的方法进行技术改造。

（1）增加主梁

主要有两种方法，一种是当桥梁不需拓宽时，首先将桥面铺装凿除，再将T梁翼缘板和横隔板切断，然后在每对相邻的旧主梁之间增设新主梁（预制安装或吊模浇注），并将新旧主梁的横隔板连接起来（钢筋搭接或预埋钢板焊接），最后重新浇筑桥面铺装；另一种是当桥梁需要拓宽时，首先拆除人行道构件，然后在桥梁两侧增没大刚度边梁，最后再把人行道构件和大边梁上的桥面补上。

这两种方法都是在原有主梁的基础上增设新梁，依靠新旧主梁的共同作用来改善旧主梁的可变作用横向分布，达到提高承载力的目的。

（2）增设横隔梁

主要用于无横隔梁的桥梁，以增加其横向整体性，改善可变作用横向分布。

由于这种方法提高承载力有限，往往与其他加固方法联合应用。

4.变简支梁为连续梁’

此法是将原多跨简支梁端连接起来，使受力体系由原来的简支转换为连续，改善结构的受力状况，以期提高结构的承载能力。

这种方法主要适用于原简支梁跨中截面抗弯承载力明显不足的情况。

但是必须充分考虑到原桥的地基条件，防止由于基础沉降等对新形成的连续体系上部结构产生不利影响。

5.更换主梁法

这种维修加固方法主要针对上部结构破坏严重、安全储备严重不足的Ⅳ类桥梁。

更换主梁的设计计算按新建结构进行。

其具体做法是：

先拆除原有桥面系，对桥梁下部结构进行加固改造，然后更换支座和重新预制的主梁，最后重新浇筑桥面板，铺设新的桥面系。

这种方法好处是可以完全消除安全隐患，而且可以集中预制主梁，同时主梁的质量可以得到保证，施工工序连贯，工期缩短，具有很好的经济价值。

6.梁（板）顶加铺整体钢筋混凝土层

将桥梁原有桥面铺装全部凿除，新铺桥面钢筋混凝土层。

现有桥梁均采用此类加固方法，既可协助解决桥梁的横向刚度问题，增大整体横向刚度，又可提高桥梁结构承受冲击荷载能力，防止雨水渗漏，提高桥梁耐久性。

梁（板）顶加铺整体钢筋混凝土层，厚度不宜超过10cm。

4、裂缝修补

在对裂缝缺陷进行修补之前，须从修补的有效性、施工、安全、经济和美观等方面进行综合研究，然后确定使用适当的修补方法。

常用的裂缝修补方法有灌浆法、表面处理法和填充处理法，以下分别介绍。

1.灌浆法

灌浆法即用机器或人工的方法将修补材料注入混凝土裂缝中，使混凝土保持完整，阻止侵蚀性介质向混凝土内部扩散和渗透。

灌浆法适用于裂缝宽度小于0.3mm，但裂缝深度较大的裂缝，或裂缝宽度小于1.Omm，但大于0.3mm的裂缝。

还应注意，灌浆法修补的裂缝必须是静止的裂缝或能防止进一步扩展的裂缝。

灌浆可分为化学灌浆和水泥灌浆两种。

化学灌浆一般适用于宽度较小（0．05mm～0.5mm）裂缝。

水泥灌浆一般适用于裂缝宽度较大的裂缝。

当结构的裂缝宽度大于lmm或混凝土中有孔洞或蜂窝时，可应用水泥浆灌浆来修补。

也可在水泥浆中掺加水玻璃，制成水泥一水玻璃灌浆料，或用聚合物水泥浆作为灌浆料。

2.表面处理法

对于宽度大于0.2～0.3mm且稳定的裂缝也可直接在混凝土构件表面涂膜以封闭裂缝，提高混凝土构件的耐久性，这种方法称表面处理法。

表面处理法又分为全部涂膜处理和部分涂膜处理。

3.填充处理法

这种处理方法主要用于修补处理较宽的裂缝。

具体做法是：

沿裂缝凿开混凝土，并填充修补材料。

一般开U形槽的方法修补效果较好。

填充材料可选用环氧树脂砂浆、弹性密封材料和聚合物砂浆等。

以上处理方法主要适用于已经稳定的裂缝。

对于活动裂缝，即处于继续开展或不稳定的裂缝，应在分析并控制裂缝开展使其稳定后，方可根据裂缝的宽度、深度等，采取相应的措施进行修补。

如裂缝开展不能控制，则应采取相应的措施，限制结构的变形，裂缝处的表面必须扩宽并用柔性材料进行接缝处理，而且接缝处理不能与槽底粘结。

三基础加固常用方法

1、桥梁基础病害的种类

桥梁基础大致可分为天然地基上的浅基础（明挖扩大基础）和桩基础、沉井基础以及混合基础等深基础。

由于每类基础所处的条件不尽相同，因此，根据基础结构形式及修筑基础地形（包括地基地质等条件）的差异，所产生的缺陷也不完全相同。

但从总的方面来说，有它一定的规律性。

一般桥梁基础结构容易发生的主要缺陷有以下介绍几种。

1.基础的沉降和不均匀沉降

由于地基的压密下沉而引起基础沉降，这对于任何一座桥梁都将是难以避免的，在一定范围内这是正常现象，而超出一定的范围则将对桥梁产生有害的影响。

2.基础的滑移和倾斜

基础受到洪水的冲刷、河床开挖的影响或是由于软土地基的处理不当，都会发生滑移。

严重时还会导致桥梁的破坏。

3.基础结构物的异常应力和开裂

由于受力不均，往往会产生局部异常应力，并导致横向或竖向裂缝。

在特殊外荷载的作用下，还会使基础结构物因出现异常应力而产生局部损坏。

2、扩大基础加固法

桥梁基础扩大底面积的加固，称为扩大基础加固法。

此法适用于基础承载力不足或埋置太浅，而墩台又是砖石或混凝土刚性实体式基础时的情况。

扩大基础底面积应由地基强度验算确定。

当地基强度满足要求而缺陷仅仅表现为不均匀沉降变形过大时，采用扩大基础底面积的加固，主要由地基变形计算来加以选定。

3、增补桩基加固法

在桩式基础的周围补加钻孔桩或打人钢筋混凝土预制桩并扩大原承台，以此提高基础承载力、增加基础稳定性，这种加固法称为增补桩基加固法。

增补桩基法加固墩台基础的优点是不需要抽水筑坝等水下施工作业，且加固效果显著。

其缺点是需搭设打桩架和开凿桥面，对桥头原有架空线路及陆上、水上交通均有一定影响。

4、钢筋混凝土套箍或护套加固法

如桥梁墩台出现贯通裂缝，为防止裂缝的继续发展，使之能正常使用，可用钢筋混凝土围带或钢箍进行加固。

加固时，一般在墩身上、中、下设置；道围带；其间距大致相当于桥墩侧面的宽度。

每个围带的宽度，根据裂缝情况和大小而定，一般为墩台高度的1／10左右，厚度采用10～20cm。

为加强围带与墩台的连接，应存墩身内植入直径φ10～25的钢筋，把围带的钢筋网扣在植入的钢筋上，浇注围带混凝土并填塞裂缝。

5、桥台滑移加固处理

1.支承法加固

对墩台因尺寸不足，难以承受台背土压力而往桥孔方向产生倾斜或滑移的埋置式桥台，可采用修筑撑壁法进行加固。

对于单孔小跨径桥台，为防止桥台滑移，可在两台之间加建水平支承，如整跨浆砌片石撑板，或用钢筋混凝土支承梁进行加固。

2.增建辅助挡土墙加固

对于因桥台台背水平土压力太大而引起的桥台倾斜，应设法减少桥台后壁的土壤压力，可在台背加建一挡土墙，以增强挡土能力。

3.荷载法

筑于软土地基上的桥台，常由于填土较高，而受到较大侧向土压力作用，从而使桥台产生前移，以致发生倾斜。

此时，一般可更换台背填土，减小土压力，即用减轻桥台基础所受荷载的方法进行加固。

四地基加固处理方法

1、砂桩法

当软弱地基层较厚时，可用砂桩法改善地基的承载能力。

加固施工时，将钢管或木桩打人基础周围的软弱土层中，然后将桩拔出，灌入经过干燥的粗砂，进行捣实，做成砂桩，达到提高土的密实度的目的。

在含水饱和的砂土或粘砂土中，由于容易坍孔，灌砂困难，亦可采用砂袋套管法与振冲法加固地基。

2、注浆法

对于桥梁地基承载力不足及台身下沉、开裂等问题，可采用旋喷注浆加固法对这些桥梁基础进行加固处理，提高结构承载能力，改善桥梁使用性能。