市政道路橋梁加固設計方法研究

紀丹琳、任健

（上饒市宏優公路勘察設計院有限公司，江西 上饒334000）

0 引言

作為市政道路的重要組成部分，橋梁在增強道路通行能力方面，具有十分重要的作用與意義，但橋梁結構復雜，受行車與環境等外界因素的影響，難免發生部分結構失效等問題，嚴重時將威脅行車安全，甚至造成倒塌事故。這就需要在實際工作中高度重視橋梁加固工作，一方面要做好橋梁現狀檢測，確定橋梁各結構體系的承載力狀態，進而明確是否需要進行加固，另一方面則要對需要進行加固的部位，根據其實際情況并結合現有條件編制合理可行的加固方案，同時在施工中嚴格執行，這樣才能起到應有的加固效果，延長橋梁結構使用壽命。

1 橋梁加固設計原則

任何建筑的生命周期都是有限的，市政道路橋梁自然也不例外。橋梁從建成到投入使用，如果期間沒有對維修和養護引起足夠的重視，將縮短橋梁自身使用壽命。對橋梁使用壽命有較大影響的因素主要包括下列幾點：一是由于超載等外界原因導致橋面系或主梁等部分產生裂縫或跨中下撓；二是橋梁修建年代久遠，所用混凝土的強度等級較低，鋼筋配置數量不足，缺乏足夠的安全儲備，無法適應不斷提高的交通需要；三是部分主要道路的橋梁結構自身承載力不足等。

如果對存在以上問題的橋梁均進行拆除重建，不僅需要很多資金，而且建設周期很長，對現有道路的正常使用會造成極大影響。有針對性和目的性地實施維修和加固，使橋梁結構承載力與整體通行能力得以恢復，則能起到延長橋梁使用壽命的作用，在滿足交通運輸要求的基礎上，減少投資，發揮理想的綜合效益。

在橋梁加固設計過程中應嚴格遵守以下各項基本原則：

首先，要對亟待加固的橋梁進行技術狀況綜合評定與承載能力鑒定，由此確定完成加固后能否達到安全目標或是否可以正常使用，之后才可以進行加固，具體的加固內容與范圍需要以評定結果與使用要求為依據確定。其次，在橋梁加固過程中，應盡量避免對原結構造成損傷，并盡可能減少拆除或更換，杜絕在加固過程中導致新結構產生損傷或病害問題。最后，對于抗震方面有較高要求的橋梁，還需要在加固設計過程中做好抗震能力驗算。

2 橋梁現狀

該橋梁上部結構為簡支T 梁，已建成20 余年，建成后第10 年，為了增設3.5m 寬人行道，實施過一次專門的加寬設計。該橋梁所在路段為雙車道，為二級公路。為滿足改造要求，需將該橋梁所在道路技術等級從二級提高為一級，車道數量從兩條增加到三條。加寬前橋梁寬度為10m，梁高為0.85m，加寬后橋梁寬度變為13.5m，其中，行車道的寬度為11.0m，兩側護欄與人行道寬度分別為1.0m 和1.5m。橋梁下部結構采用鋼筋混凝土橋臺與柱式墩。橋面鋪裝層結構為瀝青混凝土面板，相鄰兩個橋臺之間設有無縫式伸縮縫。

委托專門的檢測機構對該橋梁實施全面檢測，多處發現裂縫，包括橋面、主梁、蓋梁與墩柱，還有部分支座發生脫空。按照養護規范提出的相關規定，該橋梁綜合評定結果為B 級。在加載工況條件下，所有測點的撓度實測結果都比理論計算值小，校驗系數為0.26～0.91，不同工況條件下跨中截面應變校驗系數實測結果為0.33～0.83，不同工況條件下梁體結構相對殘余應變均比規范要求值小20%，與跨中相距5m位置的截面，其主梁抗彎荷載效應和抗力效應之比達到1.05 以上，即主梁自身抗彎承載能力已經無法達到要求，亟須進行有效的加固處理。

3 橋梁加固設計

3.1 上部結構

根據以上檢測結果，針對以下三種不同的工況對橋梁上部結構實施計算分析：

工況一：原橋梁結構，即5 片主梁，梁高為0.85m；

工況二：保留原T 梁，按原有主梁將橋面系拆除，采用橋面植筋的方法增設混凝土層，使梁高從0.85m變為1.00m，最后將橋面鋪裝層恢復；

工況三：保留原T 梁，按原有主梁將橋面系拆除，然后對梁之間的距離進行適當調整，增設1 片主梁，采用在橋面進行植筋的方法增設混凝土層，使梁高從0.85m 變為1.00m，最后將橋面鋪裝層恢復。

在工況一條件下，中梁和邊梁自身抗彎承載能力都無法適應設計要求，中梁自身抗彎承載力可以達到設計要求的98%，但邊梁自身抗彎承載力只有設計要求的79%；在工況二條件下，中梁自身抗彎承載力可以達到設計要求的112%，滿足設計要求，但邊梁自身抗彎承載力只有設計要求的90%，無法滿足要求。在正常使用極限條件下，中梁產生寬度為0.26mm 的裂縫，超出規范提出的不大于0.2mm 的極限范圍；在工況三條件下，中梁自身抗彎承載力達到設計要求的122%，可以達到要求，但邊梁自身抗彎承載力只有設計要求的99%，無法達到要求，在正常使用極限條件下，中梁產生寬度為0.23mm 的裂縫，超出規范提出的不大于0.2mm 的極限范圍。

以上三種工況都按照保留原T 梁進行考慮，若不改變梁距，將難以滿足承載力要求，若按照規范要求將梁距改成6 片進行加固，則邊梁自身抗彎承載力將無法達到要求，雖然從理論角度講可以通過在底面增加鋼筋來改善結構自身抗彎承載力，但依舊會產生超出標準要求的裂縫。在結構的綜合檢測報告中，無論是根據主梁的實際狀況，還是考慮施工可靠度，或遠期橋梁運營結構耐久性，都不建議利用原有的主梁。該橋梁的加固設計需按照將普通T 梁拆除后，采用新梁的要求實施。

3.2 下部結構

3.2.1 蓋梁

對橋梁下部結構進行建模分析與計算，在正常使用極限條件下，原有蓋梁結構自身抗彎承載力與抗剪承載力都無法達到提級后的要求，若按照提級后的荷載水平進行計算，蓋梁截面將產生寬度為0.23mm 的裂縫，超出規范提出的不大于0.2mm 的極限范圍，無法適應規范要求，需要對蓋梁實施有效的加固設計。蓋梁的加固方法為增大截面法，即在蓋梁的兩側和底面分別增加30cm。通過計算，加固完成后蓋梁結構截面產生的裂縫寬度不超過0.17mm，可滿足相關規范的要求。

3.2.2 墩柱

按照橋梁工程抗震設計相關要求，該橋梁的抗震設防類別屬于B 類，需考慮E1 與E2 兩種地震作用條件下的抗震設計。橋梁結構抗震性能綜合評估需要以地震作用下不同構件自身抗震能力和需求為依據進行，要求抗震能力和地震需求之比不小于1，否則說明橋梁構件自身抗震能力無法達到要求。

對墩柱結構實施抗震驗算，可得出不同方向地震力彎矩結果：墩柱縱向地震力彎矩為392kN·m，橫向地震力彎矩為1070kN·m，截面的承載能力為1400kN·m，滿足要求；樁基縱向地震力彎矩為570kN·m，橫向地震力彎矩為220kN·m，截面的承載能力為850kN·m，滿足要求。根據以上計算結果可以看出，受地震力作用后，結構自身抗震能力和地震需求的比值可達到1 以上，橋梁墩柱結構自身承載能力可以達到設計要求。

裂縫修補需根據其寬度確定適宜的方法，如表面封閉與灌漿法等。 其中，表面封閉適合寬度在0.15mm 以內的裂縫；灌漿法分為自動低壓滲注與壓力灌注兩種，前者適用于數量相對較多，寬度范圍在0.10～0.15mm 內的裂縫，而后者適用于深度相對較大，寬度達到0.15mm 以上的裂縫。經檢查可知該橋梁墩柱上存在環向裂縫，其最大寬度為0.22mm，為徹底封閉裂縫，同時提高墩柱單位截面有效承載力，設計決定采用灌注的方法，灌注材料為環氧樹脂，必要時在墩柱外部增設鋼板，進一步提高墩柱結構承載力。

3.2.3 樁基

樁基承載力計算結果為：單樁承載力容許值為3162kN，采用新建T 梁進行加固時，單樁荷載為2084kN，原有樁基的單樁承載力可以達到加固完成后的荷載要求，所以無須進行加固處理。

通過對各部分進行的計算與分析，對該橋梁的上部結構進行拆除與更換，對下部結構的橋臺、蓋梁與墩柱實施加固處理，加寬部位的上、下結構都采用新建的方式，新、舊橋梁上部結構之間的連接部位采用濕接縫，對橋面系進行整體鋪裝施工。

4 加固設計注意事項

在橋梁加固設計過程中，除了要針對不同結構體系根據其實際狀況確定適宜的加固方案，還要充分考慮以下兩方面注意事項：

一方面，采用增大截面法進行加固時，應注意以下幾個方面要點：增大截面加固法實際上是通過適當增加構件自身截面積或配筋起到提高構件自身強度與剛度，并保證穩定性的作用，從而減少或避免裂縫的產生。該加固方法有很強的適用性，可用于多種類型的橋梁和橋梁上的不同部位。該加固方法具體可分成以下三類：其一，將增加混凝土構件受力面積作為根本目的的加固；其二，將增加受力鋼筋作為根本目的的加固；其三，將增加混凝土構件受力面積和增加受力鋼筋結合到一起有目的地加固。

考慮到混凝土構件有良好的抗壓性能，以上第一類加固需將受壓區作為主要加固部位，第二類加固則需要將受拉和受剪區作為主要加固部位。因既有橋梁的混凝土構件已經完成收縮徐變，所以要對新增加的混凝土可能產生的收縮徐變引起足夠的重視。應對外包材料與加載齡期進行嚴格控制，要求新包材料強度等級不低于原構件。另外，為防止澆筑過程中產生孔洞等質量缺陷和問題，在條件允許的情況下可使用具有自密實特性的混凝土。在外包部分增加受力鋼筋也能起到減小徐變及其影響的作用。

另一方面，在橋梁拓寬過程中，新、舊橋梁之間的拼接主要有下列幾種方法：

第一，上、下部構造都不進行連接，只在新、舊橋梁之間設置工作縫，但橋面系通過連續攤鋪成型。該拼接方式主要存在以下幾個方面缺點：受活載持續作用后新、舊橋主梁產生的撓度變形和后期沉降無法達到一致，可能導致連接處瀝青鋪裝層產生破壞，沿橫橋向產生錯臺，或沿縱向產生裂縫，對橋梁行車舒適性及橋面整體外觀造成不利影響，使后期養護工作量大幅增加。

第二，在新、舊橋梁間采用橫向植筋與濕接縫相結合的方法進行連接。該拼接方法的主要優勢在于能使新、舊橋梁形成一個整體，實現共同受力。但該方式也存在一些缺點，如新橋基礎產生的沉降通常比舊橋略大，舊橋基礎往往承擔很大沿豎向分布的附加作用力，導致蓋梁和橋臺相連的部位容易開裂。另外，橋梁上部結構之間的連接部位也可能產生開裂，對正常使用造成不利影響，而且維修難度較高，整體美觀性較差。該方法主要在箱梁橋與簡支T 梁橋中使用。

第三，將新、舊橋梁的基礎部分分離，對上部結構采用植筋的方法實現剛接或鉸接，然后澆筑濕接縫混凝土，在橋面設置連續分布的加密鋼筋網，濕接縫的混凝土澆筑完成后，即可形成連續分布的橋面。該方法主要優勢為：下部受力不會相互影響，上部結構之間的連接不會對下部結構正常受力造成太大影響。但也存在一些缺陷，如因新、舊橋梁下部結構產生的沉降不均勻，導致上部結構之間的連接構件內應力相對較大，需采取有效措施嚴格控制新橋基礎產生的沉降。對于加寬的部分，可通過適當增加延長或對上部拼接時間予以嚴格控制來減少基礎發生的沉降。對于上部結構之間相連部位的受力，可通過改善這一部位的構造來解決，如適當增加配筋等。

該橋梁主要采用第三種方法，即將新、舊橋梁的基礎部分完全分離，采用濕接縫的方法連接上部結構，并在橋面增設冷軋帶肋鋼筋網，最后整體澆筑形成連續分布的橋面鋪裝層。實踐表明，該方法合理可行，能有效解決新、舊結構之間的連接問題。

5 結語

綜上所述，伴隨城市道路路網不斷完善和技術等級不斷提高，很多道路橋梁都面臨維修和加固的問題。根據該橋梁實際情況，對其加固設計方法進行深入分析，提出橋梁上、下部結構的現狀和加固方法，旨在為實際橋梁加固工程提供技術參考，提高橋梁加固設計技術水平。