1、桥梁的临时加固及永久加固技术综述 李进 （重庆交通大学：土木建筑学院；检测与维护技术一班：09011525）摘要：本文通过对大量文献资料的检索得出了在临时加固及永久加固的基础上的大跨径预应力混凝土的六种加固方法，并对这六种加固从施工工艺，工期以及工程造价的角度分别进行评述。关键词：桥梁加固技术；临时加固；加固原理；关键构造；桥上桥；碳纤维加固技术中图分类号：U445.7 文献标志码: AThe Review of Temporary and Permanent Reinforcement of The Bridge Li Jin (College of civil engineering an
2、d construction of Chongqing Jiaotong university ;The Class one of Detection and maintenance technology :09011525)Abstract:This article through to a large number of documents retrieval in temporary and permanent reinforcement of the bridge is obtained on the basis of six kinds of strengthening method
3、s of long-span prestressed concrete, and the six kinds of reinforcement from construction technology, construction period and project cost angle reviewed respectively. Key Words:the bridge reinforcement technology ;temporary reinforcement ;reinforcement theory ;the key structure ;carbon fiber reinfo
4、rcement technology 一、前言 中国桥梁工程的发展已具有相当规模,公路交通量不断增加,行车密度及车辆载重越来越大,公路桥梁负荷日趋加重。有一部分公路桥梁是中国20世纪80年代以前修建的,因其设计荷载标准偏低,普遍存在承载力不足的问题。而20世纪80年代以后修建的,其中已有不少桥梁暴露出缺陷,更有一些在远没有达到设计寿命时出现耐久性能严重退化的现象,影响其承载能力和使用寿命。特别是，随着我国现代工业的快速发展，工业设备的流通日趋频繁，及时让这些超重设备按时运输到指定地点已成为国家经济建设的当务之急，而运输这些特重型设备的车辆就很可能是超重车辆，从桥梁通过时就会给桥梁造成或大或小的
5、损害。若对现有旧桥、危桥进行加固改造，可以延长桥梁的使用寿命，使桥梁能满足交通量的需求，为国家带来巨大的经济和社会效益。这就对工程技术人员的超重车辆过桥的管理措施，检测方法及桥梁的加固提出了更高的要求。下面着重介绍、综述几种国内外超重车辆通过桥梁的加固方法。二、国内外超重车辆通过桥梁的加固研究现状1、木架支撑加固方法收稿日期：2013-04-15；修订日期：2013-04-16基金项目：桥梁临时加固与永久加固作者简介：李进(1990)，男，重庆潼南人，工程学士，检测与维护技术专业。E-mail：09jiance。联系电话：15215047065 针对木架支撑加固桥梁分为两种情况，无水河床和有水
6、河床。这种方法的关键在于基础的处理,每一排加固支架就等于缩短了桥梁的总跨距,从而增加了桥的荷载能力, 所以每根立柱都应该矗立在坚实的基础上。1.1、无水河床地基的处理 对于无水河床,由于多年河水的冲刷,淤泥的堆积,使河床表面出现松软的沙泥现象,所以在地基的处理上一定要下功夫。首先在每根立柱下面开挖11m的坑,一直开挖到沙砾层河床。即硬底，再用鹅卵石层层夯实垫起，垫起的高度不宜超过河床表面, 然后放上1m长3根道木头,用把钉将道木头固定在一起,通长放上 50.40.4m的底梁，同一根底梁下面一定要找平，找平的方法可用垫鹅卵石的高低来实现，不同根底梁允许有高低误差，这样做出的基础方法简便稳固。如下
7、图1，图2所示： 图1 砂砾层基础 图2 砂砾层基础的处置方案1.2、有水河床地基的处理 如果桥下水流量大，用无水河床的施工办法很难实现，因为水流的冲刷会造成基础底部的松软造成加固不牢固，且洪水季节随降水量的增减，上游水库的排洪,给安全施工带来很大困难。主要的施工方法为：首先将一孔桥四排架的加固分成两部分进行,对洪水进行分流, 在桥的中间铸一个堤坝,使加固侧的水位和流减少,大部分水从不先加固侧流出, 堤坝可用石网堆积也可用草袋盛沙堆积,但一定要牢靠,否则对先加固侧的人和财产构成威胁，是减少水对基础的冲刷和保证加固立柱承受洪水的关键所在，如图3： 图3 单侧加固处理在立柱的后面打上木柱前面放上草
8、袋做一个平坝高度不超过底梁为好。这样洪水经过加固排架整体时是一个平面没有落差自然水的流速和冲力减小,底梁和道木被深深埋入泥沙之中，五根立柱牢固地矗立于水中。将松沙和淤泥挖掉, 一直到沙砾层硬底,用鹅卵石铺上两层,再将4m道木横铺在鹅卵石上,宽度与需加固的宽度一样满铺,同时用把钉把住,做好从泥沙中对道木吊起的吊钩。然后将立柱竖起、木楔打实,这样就在桥梁纵跨中形成了支墩，减少了桥梁的跨中弯矩。 图4 缓水器在水流的正前方还可做一个缓水器,更会大大降低水的冲力,用两根400mm圆木斜撑于T型梁与河床之间,圆木上再钉木板,这样加固排架正前方的水流全部冲在缓冲器上，减小对立柱的冲力。在用同样的方法加固另
9、外一侧。 木架支撑加固方法适用于高度较低，跨径较小的桥梁，施工简便，加固材料来源丰富，造价较低，对工人施工技术要求不高，且由于木支架临时墩的弹性变形和非弹性变形,临时墩不形成刚性支点,不致于引起空心板跨中出现负弯矩。特重车辆通过桥梁时,对桥梁的观测结果表明,桥梁的实测挠度明显小于计算挠度,说明临时墩约束了空心板的下挠,对减小跨中弯矩起到了显著的作用，在80,90年代的大件运输的桥梁加固中得到广泛使用。但由于木头抗压承载能力较低（木材顺纹抗压强度范围为：25.94Mp39.14Mp)及木材加工的整体稳定性的影响，使得这种方法的适用范围较窄，一般荷载超重在100T-200T的中小跨径的桥梁可以使用
10、这种方法。2、体外预应力加固法 体外预应力方法是指对布置于承载结构主体之外的钢束(即体外束)张拉而产生预应力的后张法，以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力，从而达到改善桥梁使用性能并提高承载能力的目的，钢束仅在锚固区域设置在结构本体内的预应力施加方法。通常采用粗钢筋、钢绞线、高强钢丝等材料作为施力工具，具有加固、卸荷、改变结构内力的三重功效。 桥梁结构体外预应力索最简单、最有效的布置形式是双折线形，即在梁中间部分(腹板两侧靠近下翼缘处)、在距梁端一定距离处水平布置，再向上弯起，如图5所示： 图5 结构图 整个体系是一次内超静定结构，在恒载和预应力共同作用下处于平衡，对外为静定结构。对加
11、固后混凝土梁截面应力的验算，需计算体外索在活载作用下的内力增量。活载作用下，斜筋内力斜与水平筋内力之比为，即 式中：力筋与转向块之间的摩擦因数，向外张拉为负，反之为正； 斜筋与水平筋的夹角。 取跨中水平筋(体外索)内力为赘余力,当N=1时，弯矩图(M图)、轴力图(N图)及活载作用下的弯矩图(图)如图所示： 图6 恒载作用下的弯矩图、轴力图，活载作用下的弯矩力学方程为： （1） (2) (3) 体外索的内力增量及应力增量分别为: （4） 使用荷载下体外索的应力应满足: （5） 式中：，预应力筋的有效预应力及弹性模量； ,梁截面的惯性矩及混凝土弹性模量； ,体外预应力筋的面积、换算截面面积； 体外
12、预应力筋的极限强度。 在根据力学方程进行体外索的配筋设计，从而达到加固桥梁，大幅度提高承载能力和抗裂度的要求。此外桥梁的体外预应力加固技术所需设备、人员少，施工周期短，经济效益好。对桥上交通影响小，可不中断交通或短时间限制交通。对桥梁损伤小，可做到不影响桥下净空，不抬高路面标高的技术优势。但是采用的体外预应力索容易受到意外的破坏，不能参与局部裂缝的控制。而且由于转向装置和锚固点受到约束，行车时容易引起体外索的振动，预应力索的自由长度受到限制。从力学特性上来讲，体外预应力索与周围结构主体在同一截面上的变形是不协调的。 因此体外预应力加固技术适合于混凝土强度较高的梁。采用此方法对钢筋砼梁进行加固时
13、特别适合以下几种情况。(1)由于各种病害造成的结构承载力下降。(2)需要提高桥梁的荷载等级。(3)用于控制梁体裂缝及降低钢筋的疲劳应力幅度等。3、“桥上桥”临时加固法在保障超重车辆安全通过现有桥梁所采取的措施中,利用装配式公路钢桥架设桥上桥的方法获得了广泛的应用。这种“桥上桥”临时加固法分为两种方式：跨越减载方式和分载方式 ， 跨越减载方式适用于原桥墩、台和基础的实际承载能力能满足车辆过桥要求，但由于上部结构实际承载能力不足，且不能对桥梁上部结构产生影响时而需加固的桥梁。 采用跨越减载方式时,超重车辆荷载不要求原桥上部结构承受,而是由铺设在原桥上的跨越梁全部承担。对于单跨桥梁可采用全桥跨越方式
14、,对于多跨桥梁需在中间桥墩处设置临时支座。如下图7所示： 图7 支座设置方案 一般来讲,钢结构计算内容包括强度、刚度和稳定性,有的还需验算构件的疲劳强度。在这里,跨越梁作为大件运输过程中的临时加固结构,其结构构件内力按弹性受力阶段确定,竖向挠度容许值能适应超重车辆通行即可, 并可不验算疲劳强度。除跨越梁的设计计算外,还应对墩台及基础进行验算。采用跨越减载方式,从理论上来讲,显然可设计出满足任何超重车辆过桥时所需的分载梁。其优点是技术简单,操作简便。但是,当欲加固桥梁的跨径较大或车辆荷载较大时,势必加大分载梁的断面和重量要求,甚至由于分载梁的运输、架设不便及经济性差等因素, 使得跨越减载方式的使
15、用受到制约；而且在时间紧急或器材有限的情况下,利用现有器材架设的桥上桥可能仍不能达到需要的承载力,这时可考虑利用原桥分载来提高其承载力分载方式。 采用分载就是将车辆荷载合理地分配给原桥上部结构和分载梁, 使分载梁与原桥共同承担车辆荷载。这样做可以发挥原桥承载潜力, 使分载梁的断面和重量大大减少, 便于运输和架设。如下图8所示： 图8 分载支座布置示意图 分载方式的实现是在分载梁与原桥之间合理布置分载支座, 并通过调整分载梁下翼缘与分载支座间的间隙, 使得超重车辆过桥时,达到对原桥上部结构按一定比例进行减载的效果。其减载原理为：当分载梁承受车辆荷载时将产生挠度,随着荷载的增大挠度也相应增大,当挠
16、度达到时,将有一部分荷载通过分载支座传至原桥面, 达到分载梁与原桥共同承担车辆荷载的目的。预留间隙的大小决定了分载梁与原桥间的荷载分配比例。无疑, 能充分利用既有桥梁的承载能力,以最轻便的分载梁达到对原桥减载加固的目的, 满足超重车辆过桥的技术要求,是确定最佳分载方式的原则。 在分载梁与原桥共同承担过桥车辆荷载时,双点分载计算模型如图4所示。当a=0时为单点分载方式;a =L/2 时为跨越方式。 图9 计算模型 在超重车辆过桥荷载作用下, 分载梁与原桥共同承力的挠度曲线示意如图10。 图10 分载梁与原桥共同承载挠度示意图 调整桥上桥下翼缘与分载支座间的间隙时，我们假设一个间隙上限和一个间隙下
17、限。间隙上限是指利用原桥控制桥上桥过大的挠度,要求分载点与桥上桥之间设置的间隙不能超过某一特定值，间隙下限是指原桥所受的力不能超过原桥的容许值,原桥对桥上桥限制的挠度就不能太多,要求分载点与桥上桥之间设置的间隙不能低于某一特定值。以超重车辆荷载P为横轴、预留间隙为纵轴建立直角坐标系。将超出桥上桥承载力的各种吨位的车辆利用原桥可以设置的间隙上下限分别在图上标出来,并连接起来形成两条线。由于原桥的承载力有限,所以对桥上桥提供的反力也有限,即利用原桥所能提高的承载力也有限,则这两条线随着荷载的增加必定会相交,交点所对应的荷载就是利用原桥后能提高到的承载力。这样,利用这个图不但能很直观地看出利用原桥前
18、后桥上桥容许承载力的值、承载力提高的幅度以及可以设置的间隙范围,而且便于进行利用原桥提高承载力的定性分析,本文称这个区域为分载可行区,如图11所示： 图11 分载可行区示意图因此可得出在分载可行去内都可设置，即分载点位处的变形相容协调方程： 原桥在最大安全承载力P 作用下分载点位处的挠度值； 分载梁在分载点位处的最大挠度值。由此可以确定预留间隙的大小，确定支座高度。 “桥上桥”临时加固法，可节省了大量加固时间和费用，施工工艺简单，制作方便，且形式多样，针对各种桥型都有良好的加固效果，适用于多种跨径的桥梁。在设置的分载支座时我们知道，分载点应尽量设置在桥上桥跨中处,这样原桥能分担较多的桥上桥的弯
19、矩;原桥的轴向容许承载力越大,对桥上桥提供的支持就越强,所能提高的承载力也就越大；在桥上桥的弯矩对承载力起控制作用时,才可以利用原桥提高承载力,这时最佳分载点设置方式是单点分载方式。4、碳纤维加固桥梁技术 碳纤维加强塑料(CFRP)是碳纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而制成的,其力学特点是应力应变量完全线弹性,不存在屈服点或塑性区。碳纤维材料具有优异的物理力学性能,尤其是高弹性模量型碳纤维,其抗拉强度比钢材大68倍,弹性模量比钢材大1.82.6倍。在600C高温下其性能保持不变,在-180C低温下仍很柔韧,酸、碱、盐环境下不发生腐蚀。若将碳纤维加工成碳纤维布，则其抗拉强度一般可达
20、到3550MPa,弹性模量MP。 因此我们可以用碳纤维材料的抗拉性能对对混凝土结构构件进行加固，其施工工艺为：施工前的准备工作混凝土表面的处理清洗基面配置底层树脂并涂刷配置找平材料并整平配置浸渍树脂并涂刷粘贴碳纤维布罩面防护处理。在对碳纤维粘贴于混凝土构件的的抗拉使用性能的研究中，考虑二次受力的影响，我们得出初始弯矩作用下碳纤维滞后应变的关系有： 图12 作用下的应力、应变图假定钢筋混凝土梁在碳纤维加固前,混凝土应力-应变关系为线性关系, 不考虑混凝土作用, 由平面假定, 截面应变几何关系有: 屈服弯矩作用下, 碳纤维的应力、应变如图13 图13 作用下应力、应变图假定此时混凝土受压应力-应变
21、关系为非线性关系, 并不考虑混凝土的作用, 按简化计算可得: 碳纤维滞后应变截面高度截面有效高度钢筋屈服时梁的屈服弯矩、受拉钢筋和碳纤维的截面积合压力作用点至受压混凝土边缘的距离碳纤维的名义拉应变 因此得出的碳纤维布的用量为： 提载前后的弯矩增加量 钢筋安全系数 钢筋抗拉设计强度 加固补强所需钢筋面积 截面高度 混凝土受压区高度 从而可计算出所需碳纤维布面积为： 碳纤维布用量(面积) 抵抗不足弯矩所需的钢筋面积 钢筋的抗拉设计强度 碳纤维布抗拉设计强度 在加工的过程中我们需要注意，被加固构件的基面应平整且具有一定强度,一般基面混凝土强度不低于C15；加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭
22、接,特别是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。搭接部位应避开构件应力最大区段,搭接长度不应小于100 mm,且搭接端部应平整无翘曲;多层搭接的各层接口位置不应在同一截面,每层接口位置的净距宜大于200 mm；应注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性。 碳纤维加固技术作为一种新型的加固桥梁的方法，在我过的桥梁加固史上还属于起步阶段，与其他传统的加固方法相比，采用碳纤维布加固法不增加恒载和断面尺寸,不影响结构外观,不减小桥下净空；施工简便,工期短,无需大型设备,不受空间限制,且因碳纤维布的随型性极强的特点,可以适应不同构件的各种形状,成型方便；加固时碳纤维布通过环氧树脂等粘结材料与原
23、有构件有效粘结,不需设置锚栓及凿开混凝土等,不会损伤原构件；在对混凝土结构加固补强过程中可充分利用其高强度、高模量的特点来提高构件的承载力,改善其受力性能,达到高效加固的目的；碳纤维布粘贴在混凝土表面,能有效封闭混凝土表面的裂缝,并能约束混凝土结构裂缝的生成与扩展；碳纤维材料几乎无腐蚀性和磁性,并具有较好的耐热性,且其化学性质稳定,不能与酸、碱、盐等化学物质发生反应,具有良好的耐久性，且能在一个部位重叠粘贴,充分满足构件的补强要求。 因此，碳纤维材料在加固桥梁以及混凝土构件方面具有广泛应用前景，对碳纤维材料也会有更深的认识。据了解，我国现在主要将碳纤维材料运用于裂缝的修补，梁柱的抗弯、抗剪承载
24、能力的提高，以及结构的主要构件的加固补强。预应力碳纤维技术，碳纤维混合料在实际的施工使用中还比较少。在我看来，未来不久，碳纤维材料必将代替传统的主材，使结构逐步走向轻质高强。5、斜拉体系加固方法 斜拉体系加固方法源自于部分斜拉桥体系概念，即将常规的体外预应力加固体系转变为部分斜拉加固体系，将梁桥的体内索转换到体外，增大了体外索的有效偏心距，从而提高了加固的作用效率。采用斜拉体系加固大跨径预应力混凝土连续梁桥、连续刚构桥近年来被证明从理论和实践上是可靠有效的方法。加固如下图所示： 图14 斜拉体系加固方法 新增索塔的位置取决于原桥面宽度、主墩高度及桥面布置等因素。斜拉索两端分别锚固于桥塔及托梁上
25、。由于斜拉体系是属于后加于桥梁的结构，不同于直接成型的斜拉桥体系，一般来说，大部分原桥梁体刚度较大，承担大部分荷载作用，而新增斜拉索相当于作用在主梁上的弹性支承，共同参与受力。因此采用斜拉体系加固计算简单，采用索力优化的基本思想即可计算出全桥的受力状态： 图15 索梁组合结构图 如图15，索梁组成的一次超静定结构，由内力分析可知： 主梁弯矩为： 式中：拉索索力； 主梁上的恒载集度 由变形协调条件可得拉索的索力为： 为简化分析,取 ，则上式则变成 ，大大简化了我们的计算过程，使结构受力更加清楚。由此我们可以看出斜拉体系加固方法作为一种主动控制变形和减小结构内力的方法，能较大幅度地提高结构的承载能
26、力、改善梁体的应力和线形状况，且构造简单、受力明确，施工工艺成熟，加固效率高。而且斜拉体系加固方法能彻底解决大跨径连续梁桥、连续刚构桥梁体开裂、跨中下挠的病害。该方法比传统的加固方法在改变桥梁结构体系以及加固的耐久性，桥梁承载能力提高等级方面都有突破性的优势，改变了传统加固的旧思维。但是，斜拉体系加固过程中，需要在桥跨中修建一个主塔，工程量远远大于了传统加固方式，工期延长，造价较高，可以适用于重车通行量较大，车流量较多的桥梁加固中。6、槽钢八字撑加固方法槽钢八字撑加固技术是指用桥梁的墩台做为支点，设置八字撑，用槽钢支撑主梁截面，达到减小主梁跨径的进而改变原桥结构体系, 减少原桥主梁承受的荷载内力, 从而减少主梁承受的拉应力的目的，即： 。以单跨梁桥为例，如下图16所示： 图1
