现有桥梁抗弯加固技术比较与选择

２００７年２月第２期　城市道桥与防洪　桥梁结构　３５　现有桥梁抗弯加固技术比较与选择　方明准　，李圣慧　（１．苍南县交通局，浙江温州３２５８００；２．上海市政工程设计研究总院，上海市２０００９２）　摘要：该文对现有桥梁抗弯加固技术进行了总结，介绍了加固原理及施工工艺，对各技术的特点与适用范围进行了比　较，同时给出了一些桥梁抗弯加固工程实例。在桥梁加同工程方案选择时，应根据所加固桥梁的结构形式、损伤特点，从适　用性、经济性、可行性，耐久性等各个角度进行比较，做出科学、合理的决策，从而取得最好的社会效益和经济效益。　关键词：桥梁；混凝土；抗弯加固；加固技术　中图分类号：Ｕ４４５．７２文献标识码：Ａ文章编号：１００９—７７１６（２００７）０２—００３５—０４　０前言　随着中国经济的飞速发展，交通运输出现了　工作，并提出了许多切实可行的加固方法，这些方　法包括：加大截面法加固、改变结构体系加固、粘　钢加固、焊接补筋加固、体外预应力加固、纤维增　强复合材料加固等【１］。这些技术有着各自的适用　条件和结构类型，在某些特定条件下，具有一定的　适用优势。本文对这些加固方法的关键技术及优　缺点进行了比较分析，并给出部分加固方法的应　用实例。　重载、高速、大流量现代运输结构的发展趋向，公　路运输在整个运输体系中占有的比重越来越大。　而桥梁是道路的咽喉，现有桥梁（即旧桥）的结构　性能、质量状况具有极其重要的地位，但根据公路　管理部门大量调查结果分析，现有桥梁存在两大　方面的问题：一方面，相当一部分桥梁服务期限已　有２０～３０　ａ，梁体已出现混凝土破损、剥落、钢筋　锈蚀、产生裂缝的现象，桥梁承载能力受到影响；　另一方面，由于现在交通量增多，车辆载重增大，　部分桥梁承载力明显不足，急需采用加固措施提　高其承载力以适应交通需要。全国每年花费在针　对桥梁的换梁、ＦＩ常维修、加固等方面的资金相当　可观，加固旧桥将是桥梁工程界一个非常迫切的　任务。　１　现有桥梁抗弯承载力加固技术　１．１加大截面法　加大截面法加固是在原桥结构基础上再浇筑　一目前，针对现有桥梁抗弯承载能力的不足，我　国桥梁界的广大工程技术人员进行了大量的研究　收稿日期：２００６—１２－０８　作者简介：方明准（１９７１一），男，浙江温州人，工程师，从事桥　梁设计工作。　定厚度（或宽度）的钢筋混凝土，增大受弯构件　的截面高度（或宽度）及钢筋面积，该方法是对钢　筋混凝土桥加固的一种最传统的加固技术。根据　加大截面的位置，可以分为顶部加强和底部加强　两种情况。顶部加强即采用加厚桥面板或加强铺　装层的方法，对混凝土受压区进行补强，增加受压　区混凝土的面积及梁的有效高度，从而达到提高　刚度、承载力的目的。对于Ｉ型或Ｔ型梁桥，可选　用底部加强，即在梁底加大主梁腹板的高度或在　梁侧加大腹板的宽度，并增加纵向受拉钢筋的面　显，在运营阶段安全储备更为充足。　（３）桥梁设计中采用双墩固结合理，支座预偏　心设置大小合适。　稳，桥梁稳定的控制因素为纵向刚度，二阶失稳模　态均为梁体扭转失稳。桥梁采用双墩固结明显增　加了桥梁纵向刚度，提高了桥梁稳定性，增加了安　全储备。　５结论　根据鞍山路ＣＣ３撑桥梁的计算分析结果，可　以得到以下几点结论与建议：　（Ｉ）桥梁在第一施工阶段完成后具有足够的　稳定特征值，桥梁分为两个阶段施工是安全可行　的，分段长度合理。　’　（２）相比单墩固结，桥梁采用双墩固结优势明　（４）墩梁连接方式对曲线桥梁的稳定性影响　很大，曲线桥半径、支座偏心值、宽跨比、墩柱刚度　等对曲线桥的稳定性影响，需要进一步研究分析。　参考文献：　【１】姚玲森．曲线梁【Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９８９．　【２】邵容光，夏淦．混凝土弯梁桥【Ｍ】．北京：人民交通出版社，　１９９６．　【３】李国豪．桥梁结构稳定与振动【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，　】９９２．　维普资讯 http://www.cqvip.com

３６　桥梁结构　城市道桥与防洪　２００７年２月第２期　改变结构体系加固一般对结构体系有着重大　　合，应将混凝土结合面凿毛洗净，或埋设钢筋剪力　’的改变，其具有以下特点及适用条件：积。此方法关键是必须保证新旧混凝土良好的结　键，该方法工艺成熟，对截面刚度提高非常有效，　承载力提高也较明显，并且计算简单，可参照普通　混凝土构件。　作为最为传统的加固技术，其具有以下特点　及适用条件：　（１）工艺简单，适用面广、计算方法成熟。　（２）刚度、承载力提高效果显著。　（３）自重增加、降低桥下空间、施工周期长、　施工空间大、湿作业时间长、影响交通。　（４）由于加厚部分使桥梁自重和恒载增加较　多，因此只适用于较小跨径并对空间要求不高的　板梁桥、Ｔ形梁桥的加固。　１．２改变结构体系　改变结构体系加固是在原桥结构增设附加构　件或者进行技术改造，改变原桥梁的受力体系或　传力途径，使得结构受力变得更加合理，达到加固　的目的。　常用的措施有以下几种：　（１）连续加固法：简支体系改变为连续体系，　将多跨简支梁在支座连接处连接成整体，减小荷　载作用下跨中弯距和挠度，提高原桥的承载能力。　（２）减小跨径法：在桥梁跨径范围内增设支架　或桥墩，减小跨径，使简支梁变为组合结构或连续　梁。　（３）结构变换法：将原梁式结构通过构件的增　设，转变为拱式结构或斜拉结构，例如文献【２】报　道了一座梁式桥改建成斜拉桥的成功案例见（见　图１），原桥为主跨１３８　ｒｎ的预应力混凝土悬臂箱　梁桥，随时间的变化，存在箱梁剪切裂缝及跨中悬　臂严重下挠问题，通过在该桥主跨原支点处安装　桥塔，从桥塔至主跨跨中锚固斜拉索，成功对该桥　进行了体系转换加固，减小了原结构的挠度、提高　了承载能力，加固后桥类似于部分斜拉桥结构。，　（ａ）加固前　３×１８　０００　——＿１———＋——　（ｂ）加固后　图１　加固前、后的体系转换（单位：ｍｍ）　（１）承载力提高大、结构内力通常有着根本性　的变化。　（２）施工复杂，工程量较大，只有在较复杂的　情况下，才可考虑结构体系转换。　（３）适用于超重车辆通行情况的临时加固以　及承载力提高较大的情况。　’　１．３粘钢加固　粘贴钢板法就是采用环氧树脂或建筑结构　胶，将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或　薄弱部位，与既有结构形成整体，以提高和增强原　刚度、裂缝的进一步扩展，从而达到提高桥梁　承载力的目的。粘钢加固中的粘结钢板，与原钢筋　一起承担外荷载的作用，在加固设计时，粘结钢板　可以换算为钢筋面积，用以承受新增荷载的作用，　计算比较简单。粘钢加固的关键是保证粘结钢板　与原桥梁受弯构件的整体性，确保在构件极限承　载力以前不会发生粘结钢板与混凝土胶结面之间　的粘结破环或锚固长度不足的粘结破坏。　粘钢加固新技术与传统的加固技术相比，具　有以下优缺点及适用条件：　（１）施工简便、周期短、不改变截面尺寸、不增　加重量。　粘钢加固施工工艺简单，施工所需的场地，空　间较小，不需要大型施工器具，施工速度快，对桥　面交通影响较小，加固钢板所占空间小，基本不改　变截面外形尺寸及原有净空，对结构的美观影响　较小，加固后原结构的截面和重量增加甚微，也不　需要对建筑物的基础及其它部位进行连锁加固或　补强。　（２）加固效果显著、工艺成熟、经济合理。　具有良好的强度、刚度，加固梁具有良好的延　性，结构承载力提高较大，加固效果显著，粘钢加　固已经经历了一定的发展阶段，工艺较为成熟，耗　用材料较少，是一种经济合理的抗弯加固方法。　（３）较差的抗腐蚀性能、抗疲劳性能、易发生　粘结破坏。　粘钢加固由于外帖材料为钢材，其耐潮湿及　耐化学腐蚀性较差。在车辆反复荷载的作用下，胶　结材料的的抗疲劳性能较差，在桥梁加固中，必须　严格控制胶结材料的施工工艺，同时，需要依赖锚　固措施方可保证粘贴牢固，除考虑足够的锚固长　度外，为避免钢板在自由端脱胶拉开或混凝土保　护层撕裂，端部可用夹紧螺栓固定或设置ｕ形箍　板等，并在粘结钢板上按一定的间距用螺栓固定，　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年２月第２期　城市道桥与防洪　桥梁结构　３７　确保钢板与混凝土之间的共同工作。　（４）适用范围及条件。　粘钢加固的优缺点决定了其适用范围及条　件。粘钢加固常适用于因桥梁设计疏忽、施工不当　或钢筋腐蚀等引起的受力钢筋面积不足，结构达　不到设计承载能力；荷载等级提高引起桥梁承载　力需要提高；桥梁承载力降低或变形过大、裂缝宽　度超过允许值等。由于钢材及胶结材料的特性，一　般要求环境温度不超过６０ｃｃ，相对湿度小于　７０％，对于环境比较恶劣的桥梁工程，一般需要采　取防腐蚀等保护措施。为保证粘结的可靠性，要求　混凝土强度不低于Ｃｌ５。粘钢加固的施工受结构　形状的影响较大，有的情况施工难度很大，甚至无　法施工。　１．４纤维复合材料加固　纤维增强复合材料（ＦＲＰ，Ｆｉｂｒｅ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌｙｍｅｒ）加固是２０世纪８０年代以来美、日等发达　国家研发并应用在土木工程中的新型加固补强技　术，已在桥梁结构中得到广泛应用。我国自２０世　纪９０年代引入该项加固技术，进行了大量的试验　研究，同时，其加固效果得到了桥梁加固工程实践　的验证。目前，开发应用的ＦＲＰ主要有碳纤维　（ＣＦＲＰ）、玻璃纤维（ＧＦＲＰ）、芳纶纤维（ＡＦＲＰ）以　及复合纤维（如ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ复合）。ＣＦＲＰ材料的　弹性模量高但延性差、造价高；ＧＦＲＰ弹性模量低　但延性好、造价低；复合纤维可以做到取长补短，　发挥不同纤维的长处，已经得到初步的试验研究。　目前，桥梁抗弯加固中主要采用的是ＣＦＲＰ，但　ＣＦＲＰ的价格了其应用推广。ＦＲＰ在抗弯加固　中可以应用的材料形式有布材、板材及筋材等，其　中以布材应用最为广泛。　ＦＲＰ加固对提高受弯构件的抗弯能力特别有　效【２】，已有的试验研究表明，ＦＲＰ加固对既有梁极　限抗弯承载力的提高可达６０％左右。在梁体底部　或受拉部位，通过环氧树脂胶结材料粘贴纤维布　（板）或嵌入纤维筋，可以与原结构内的钢筋共同　承受拉力，充分利用纤维的高强度，能有效地提高　粱体截面受拉部位的抗拉能力、增大受压区高度，　从而提高桥梁的抗弯承载力。通过合理的设计，在　基本上不改变梁体的截面尺寸和重量情况下，能　提高原梁体承载力。但是，ＦＲＰ加固存在多种脆性　粘结破坏模式，如混凝土一胶界面破坏、胶　一ＣＦＲＰ界面破坏等，此类破坏模式影响ＦＲＰ材料　发挥系数、制约其在抗弯加固中的推广应用。实际　工程中，通过保证一定的构造措施来避免此类破　坏模式的发生。　和传统的加固技术相比，ＦＲＰ加固技术具有　明显综合优势及特点：　（１）轻质、高强、施工便捷、不受构件形状限　制、不改变截面尺寸。　ＦＲＰ具有高强度、高弹模、质量轻等特点，不　增加荷载，无需大型施工机械，施工空间要求小、　速度快，不影响交通，能适应各种结构外形的抗弯　加固而不改变构件外形尺寸。　．　（２）ＦＲＰ加固对原结构不产生损伤。　ＦＲＰ加固是通过粘结材料将ＦＲＰ粘贴在混　凝土表面，不会对既有结构产生新的破坏。　（３）优异的耐久性能。　ＦＲＰ及其粘结材料可以抵抗各种外部酸、碱、　盐介质的腐蚀，特别在受弯构件底部存在裂缝的　情况下，可以阻止水的进入，保护钢筋不锈蚀、抑　制混凝土的碳化，提高既有结构的耐久性　（４）裂缝修复、刚度提高效果不明显、防火性　能差。　ＦＲＰ加固由于其加固材料截面较小的抗弯惯　性矩，其对旧桥既有裂缝无闭合效果，对挠度减　小、裂缝开展没有显著作用。　图２为某梁跨中抗弯承载力ＣＦＲＰ加固，其　加固工艺简单、施工速度快。ＦＲＰ自应用于桥梁加　固以来，作为一种新的加固方法，由于ＦＲＰ材料　的优异物理、力学和化学性能，且其价格也逐渐降　低，在桥梁加固实践中，必将得到进一步的应用发　展　图２　ＣＦＲＰ对某旧桥梁底抗弯加固施工　１．５体外预应力加固　体外预应力是相对体内预应力而言的［４】，体　外预应力加固是将预应力束布置在主体结构之外　对结构构件或整体进行加固的方法，其实质是采　用内力调整原理，通过预应力束作为后张施力工　具，在梁体外施加预应力以卸除梁体及其桥面铺　装的恒载所产生的内力，并起到闭合裂缝、减小挠　度的有益效果，从而改善既有结构的正常使用性　维普资讯 http://www.cqvip.com

３８　桥梁结构　城市道桥与防洪　２００７年２月第２期　能，同时，极大地提高其极限承载能力。　体外预应力加固体系一般由体外预应力束、　锚固体系和转向块等部件组成【５】，预应力束的几　何形式有直线型、折线形以及曲线型等，跨中部分　布置于梁的下缘，满足正截面抗弯强度要求，锚固　位置根据实际加固桥梁的工程条件确定，可以锚　固于梁端、腹板或梁顶，预应力束可采用螺纹钢　筋、钢绞线、高强钢丝以及高强纤维复合材料，由　于钢绞线等防腐措施的改进、锚喷混凝土的应用　及复合材料筋材锚具的成功开发，体外预应力加　固技术得到了更加广泛的应用，在桥梁加固改造　方面，作为一种主动的结构加固技术，其裂缝闭合　及位移反拱的效果是其它任意一种加固方法所不　具备的，并能有效消除其他加固方法中所特有的　应力滞后现象，其独特的优势产生特定的适用环　境，受到广大加固技术人员的青睐。　体外预应力加固体系的本质特点是预应力筋　与梁体混凝土之间没有粘结，预应力筋与结构混　凝土在同一截面处的变形并不协调。体外预应力　加固中，所施加体外预应力的大小决定旧桥裂缝　闭合的效果，亦决定桥梁在荷载作用下的刚度改　善情况，即可以根据裂缝的闭合需求、跨中挠度反　拱的需求来确定所施加的预应力度。体外预应力　加固的关键在于预应力束两端的成功张拉及锚　固，张拉的操作空间、锚具反力的可靠传递是这一　方法最重要的两点适用条件。研究表明，体外预应　力加固，对旧桥抗弯极限承载力可提高３０％　～４０％，不计反拱效果，挠度可减小４０％。　该方法具有以下特点及适用范围、条件：　（１）效果好、提高抗裂度、修正桥梁线型、调　整原构件的受力状况。　体外预应力加固提高旧桥承载能力幅度较　大，提高抗裂度，可使梁体裂缝减小甚至闭合，其　独特的反拱作用可用于修正桥梁线型。因此，对于　裂缝开展较大或梁体部分下挠过大引起桥梁设计　线型变化的旧桥加固，体外预应力方法具有无法　比拟的优势。　（２）交通影响小、附加重量小、对原结构损伤　／Ｊ、、影响／Ｊ、。　在加固过程中，可以实现不中断交通或短时　交通，基本不增加原有桥梁自重，对原桥结构　损伤较小，可以做到不影响桥下净空，且不增加路　面标高。　（３）布置灵活、主动性强。　预应力筋的布置可以加固桥梁的工程条件，　布置线型，可与外弯矩图形相似，预应力度的选择　可以灵活适应加固的需要。　（４）科技含量高、技术要求高。　体外预应力加固需要有效的锚固措施，需要　专业的队伍施工。　（５）施工复杂、需要可靠的锚固条件。　体外预应力加固在张拉及锚固方面稍显复　杂，且必须具有可靠的预应力传递路径，了该　加固方法的使用。　２桥梁抗弯承载力加固方法的选用原则　（１）交通影响小。　桥梁加固的一个明显特征是既有旧桥位于交　通运输线之上，加固施工不能中断路面交通或尽　量减小对交通的影响，这是桥梁加固技术需致力　追求的目标，也是方法选择应该考虑的一个重要　方面。评价一个方案的经济性，不能仅看加固工程　的直接费用，还必须考虑其对交通、社会的间接影　响。　（２）针对性。　选择桥梁加固方式时，必须考虑旧桥现状、承　载能力减弱的程度以及日后交通量，每一实际的　桥梁加固设计都有其独特的工程特性，各种加固　方法具有各自的优势及适用条件，方案的设计必　须针对所加固桥梁对象来进行，对某一桥梁的最　优加固方案不一定是另一座桥梁的最优方案。　（３）经济性、可行性、耐久性。　加固方案应考虑施工快、耗费少、工艺简单、　技术上可行、有较好耐久性等方面的要求。方案的　经济性比较需要从材料、机械、人工、后期维护及　对间接费用等多方面进行考虑；每一加固方案的　可行程度必须结合现场的施工条件来评价；耐久　性需要考虑车行荷载的疲劳特性、桥梁所处的环　境腐蚀情况。在所有符合条件的方案中应力求简　单，不易采用过于复杂的加固形式。　（４）灵活性。　如果采用加固补强的方式并不是经济简单的　方式，不排除桥梁的部分或全部重建，不局限于加　固措施。　３结论　我国桥梁在不同的时期按不同的技术标准修　建，随着桥梁服务期的延长，车辆的超载、钢筋的　腐蚀等多种原因致使现有桥梁出现了不同程度的　损坏，公路管理部门应根据桥梁结构的损坏程度，　采用合理的加固技术。本文所述加固技术已经在　许多桥梁结构加固工程实践中得到了成功应用，　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年２月第２期　城市道桥与防洪　桥梁结构　３９　斜交空心板梁桥裂缝检测与分析　王剑，王修勇　（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭４ｌ１２０１）　摘要：裂纹、裂缝是混凝土结构常见的缺陷之一。引起混凝土开裂的原因很复杂，实际上每一条的裂缝的产生均由几种　因素组合作用而成。该文根据某市内斜交桥的特点，从荷载、收缩、温度、构造等方面对该桥的空心板梁处裂缝产生的原因　进行了简单分析。　关键词：空心板梁；裂缝分析；斜交桥　中图分类号：Ｕ４４６．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—７７１６（２００７）０２—００３９—０４　０　引言　耐久性，问题严重的还会给工程质量造成隐患，因　此，裂缝问题不容忽视【２】。　随着交通运输事业的发展，尤其是近年来高　为了进一步加深对斜交桥混凝土空心板裂缝　速公路、城市立交和高架道路的Ｅｔ益增多，斜交桥　的认识，尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本　得到了越来越广泛的应用。由于桥位处的地形限　文以某市斜交桥的裂缝检测为例，对斜交桥的受　制，或者由于高级公路对线形的要求而将桥梁做　力特点和空心板梁出现裂缝的原因进行了分析，　成斜交。斜交桥的设计计算比直线正交桥复杂，在　为今后裂缝分析和防治提供参考。　受力特性方面与正交桥有着很大的区别，因此，斜　交桥的开裂原因分析经常困扰工程技术人员。　１　工程概况　同时，在混凝土工程结构或构件中，裂缝是工　某市高架桥位于市内的咽喉地段，是一座跨　程中一个带有普遍性的问题。混凝土在各种外部　铁路斜交桥。该桥采用等截面预制混凝土空心板　荷载和变形作用下会产生裂缝，当混凝土裂缝的　梁，总体布置为１６　ｍ＋１６　ｍ＋１６　ｍ，全长４８　ｍ。设　宽度超过规范规定的限值时，将会影响构件和建　计荷载为汽一２０、挂一１００，人群荷载３．５　ｋＮ／ｍ　，设　筑物的适用性和耐久性，不仅有损外观、降低建筑　计时速６０　ｋｍ／ｈ。全桥分为两跨，单跨由１１块空心　结构的整体性和刚度，而且减小了抵抗荷载作用　板梁组成，桥面宽度２２．６８４　ｍ，其中单侧人行道宽　的能力，同时造成钢筋外露、腐蚀，影响持久强度　度为２．７５ｍ。上部构造采用空心板斜腹式梁，无横　和耐火性。严重时将影响到结构的承载能力和稳　隔板，与铁路线斜交，平均梁高０．８　ｍ，板梁采用　定，造成构件断裂，建筑物倒塌等重大事故…。　Ｃ３０混凝土。箱梁采用现场预制方法施工，为一简　混凝土空心板是桥梁上部的一种常用的结构　支梁体系。　形式，由于其采用空心截面，减少了混凝土用量和　随着国内经济的发展，坐落在某市咽喉地段　自重，加之结构性能好、施工方便等诸多有利因素　的高架桥的运能也有很大提高。最近，在对该桥进　而被高速公路、城市立交广泛使用。但混凝土空心　行检测工作中发现，桥面出现了很大纵向裂缝，裂　板裂缝却经常困扰着工程技术人员，不管什么样　缝沿着空心板缘纵向贯通整片梁；部分空心板梁　的桥，其梁板都有不同程度的裂缝，降低了工程的　的底板上出现裂缝，裂缝多出现在靠近桥梁跨中　收稿日期：２００６－－１１－０２　部位，多呈竖直状，个别桥梁裂缝长度较大。该桥　作者简介：王剑（１９７９一），男，湖南常德人，研究生，从事大跨度　于１９９４年建成，至今，大桥已使用１２年，空心板　桥梁结构静动力分析与设计理论研究工作。　梁的截面形状见图１。为了控制裂缝的发展，减轻　但也不乏失败的例子，不同加固技术具有相应的　２ＣＩ【）５．　适用范围及条件，在实际工程实践中，应根据所加　【２】龚志刚编译．采用斜拉索体系加固普特桑德预应力混凝土悬　固桥梁的结构形式、损伤特点，从适用性、经济　臂梁桥【Ｊ】．世界桥梁，２００３．　性、可行性、耐久性等角度进行比较，做出科学、　【３】匡志平，王皓波，赵强．碳纤维加固桥梁结构技术的应用…．　同济大学学报，２００１．　合理地选择，应破除一种加固方法作为万能方法　【４】胡志坚，郭友，谭金华．体外预应力混凝土结构研究现状与展　普遍应用的现象。　望【Ｊ】．公路交通科技，２００６．　【５】艾军，史丽远．公路梁桥体外预应力加固设计与施工方法研　参考文献　究…．东南大学学报，２００２．　【ｌ】张开鹏，蒋玉龙，曾雪芳．桥梁加固的发展与展望【Ｊ】．公路，