旧桥加固改造的典型工程实例
随着经济的不断发展、技术的不断进步，新设备、新工艺的不断涌现，港口装配机械及其配套的公路运输系统的大型化和专业化，极大地促进了我国港口码头、公路、桥梁的设计和施工技术及设备的发展。但随着设备的大型化，很多早期设计的工程因当时的设计标准较低，加上年久失修，在超载运行下破损严重，个别甚至危及过往车辆的安全，必须及时进行加固维修，以保证工程的正常使用。近几年类似工程的修补方案多种多样。本文通过广州新沙港铁路跨线立交桥的维修过程，对桥梁的检测、设计复核、加固方案设计及维修施工进行了全面的介绍。
新沙陆域工程的铁路跨线桥，全桥总长427 m，其中主跨采用15 X 20mT梁，基础为西55 cm的预应力混凝土管桩，下部为承台，双柱式帽梁，上部为预制安装20 m钢筋混凝土T梁；无人行道部分每跨由9片粱组成，人行道部分每跨由11片梁组成。桥面宽14 m，按四车道设计，设计荷载等级为“汽车一20级”、“挂一100级”，人群荷载3．5 kN／m2。在6～10号墩间的桥面向两侧纵向坡度为3．5％ ，其他跨桥面的纵向坡度为4％新沙立交桥建成后，随着时间的延续及新沙港的发展，通行于新沙立交桥上的车辆轴重已经远远大于原桥梁设计荷载并有进一步增大趋势。为确保桥梁的安全使用及港口的运输，该桥管理单位委托检测单位对大桥进行了检测与计算研究，以便采取相应的措施。
1、病害检测及承载力计算
1．1 外观检测
桥面的主要破损出现在伸缩缝附近及桥面纵向各片T梁连接处，横纵向裂缝交叉，加剧裂缝发展。尤其桥面的纵向裂缝使得桥面破损更为严重，以至影响桥梁整体正常使用性能。特别典型的破损是1号墩和2号墩之间的桥面有一片宽约0．7 m，长约16 m的破裂区，钢筋外露，影响桥面行车舒适和桥梁的安全。伸缩缝破坏严重，主要为开裂、坑槽，橡胶板断裂、缺失等。车辆经过对接缝有较大冲击作用，端部出现破损，同时接缝两侧出现混凝土脱落钢筋裸露的现象，少部分桥面混凝土削蚀，钢筋外露。
连接T梁的横隔板存在大量裂缝，不少下缘混凝土脱落，焊接钢板外露锈蚀，降低了桥梁的横向刚度。桥梁侧向由于保护层薄、钢筋外露锈蚀、外层混凝土膨胀脱落，进而加剧了外露钢筋的锈蚀。梁底存在较多的横向和竖向裂缝。支座处出现了相当数量的斜裂缝，横向和斜向裂缝都有继续延伸的趋势；支座附近斜裂缝导致梁体的抗剪能力差，T梁湿接缝不密实，透水严重。支座与梁底混凝土间因无钢筋混凝土垫块或厚钢板连结，长期变形过大、应力集中，支座横向出现错位，影响其正常使用。大部分支座附近淤积堆积物，环境潮湿，严重影响支座的使用寿命。
1．2 静载试验结果
对7～8号跨的20inT梁采用加载方式测定其挠度和应力，加载分对称加载和不对称加载二种。对称加载时，检测结果满足设计及规范要求；不对称加载时，新沙公司侧的挠度值较油脂厂侧挠度要小很多，说明梁体各T梁之间横向联系不强。在卸载30 min后的各控制截面最大残余变形基本很小，部分超出规范10％的允许范围。实测各测点的最大应变值为2．3 X 10 ，最大应力值为7．7 MPa，混凝土已开裂，因各T梁横向联系薄弱，导致汽车轮位所在T梁基本承担了试验所施加的大部分荷载，与设计严重不符。
卸载30 min后测得，结构残余应力基本为0，个别出现变异现象，有较大的残余应力，表明结构大部分处于弹性工作状态，局部损伤较严重的部分混凝土可能进入塑性区域。在距离桥面以下1 in左右，应力急剧增大，在正常使用荷载下，部分T梁1 in以下混凝土可能进入塑性变形阶段。
1．3 动载试验结果
动载试验测得20 in T梁一阶横向震动频率为0．293 Hz，较理论计算值4．822 Hz小，说明T梁实际横向刚度较弱。
1．4 极限承载能力分析
理论计算采用空间梁有限元法对全桥进行分析，将全桥梁体划分为若干单元，建立有限元计算模型进行恒载、活载影响线加载。简支T梁考虑荷载横向分配系数影响，选取荷载横向分配系数最大的主梁，对试验梁范围内控制截面进行极限承载能力计算。
经计算可知：在原设计活载（汽车-20及挂车-100）作用下，主梁的荷载效应小于构件的承载能力，尚有一定的安全储备。当把活载等级提高至公路I级日时，主梁控制截面荷载效应已非常接近梁截面的抗弯极限弯矩。由于桥上近年来车流量增加，而且多是超重车，对大桥产生较大损伤，影响全桥使用寿命。
2、病害原因分析
通过对该桥外观检查、静动载试验及计算研究，对发生桥面铺装破坏和梁体开裂的现象分析如下：
（1）桥面板较薄，湿接缝尺寸小，构造薄弱，施工时接缝混凝土浇筑质量不易达到设计要求，造成梁与梁间的荷载横向传递差，使接缝开裂，单梁受力增大。
（2）混凝土铺装层太薄，浇筑前桥石板无凿毛、清除浮浆，并冲洗干净，致使浇筑后二者结合差，常发生分层现象，再加上T梁预制安装不准确，相邻梁翼缘高低不平，铺装层混凝土厚度达不到设计要求，常被压碎，不能与桥面板整体化作用，引起桥面破坏。
（3）在桥面伸缩缝处，当伸缩缝质量和安装精度不够时，超重超载车频繁冲击，造成桥面振动过大或桥面伸缩缝处强烈震动，导致此处混凝土开裂，伸缩缝破坏。
（4）不少横隔板焊接钢板外露锈蚀，各横隔梁联系薄弱，荷载集中承受在个别T梁上，严重降低了桥梁整体横向刚度，引起裂缝快速扩展。
（5）梁体端部腹板偏薄，抗剪能力差，致使支座处出现了较多斜裂缝和竖向裂缝，且有继续延伸的趋势。众多斜裂缝和竖向裂缝使结构抗剪强度已低于原设计承载力要求。
（6）T梁中横隔板存在大量裂缝，不少下缘混凝土脱落严重，产生原因与桥面较宽，轮载过重和偏载明显（入港和出港车辆轴重差距很大）有关。
（7）车辆超载严重。超载有以下几种情形：①整车质量超过设计车辆重量；②单轴重量超过设计车辆单轴重量；⑧车辆超速，使其冲击系数超过规范值。频繁的超载车辆使结构处于高应力幅工作状态，降低了桥梁结构的安全系数和使用耐久性，直接导致结构破坏、跨塌，造成严重后果。
3、加固方案设计
结构维修方案从加强结构受力面积和增大结构的抗裂能力二方面考虑，不同部位的加强方案如下：
3．1 桥面铺装层
桥面进行补强设计，拆除旧桥面铺装层，清理凿毛后在T梁腹板顶部表面，顺桥向间距30 cm植12钢筋；新桥面铺装采用6 cm厚沥青混凝土+13．25 cm（8～18．5 cm）钢筋混凝土，钢筋混凝土中布置1层12@15 cm X 15 cm钢筋网。在沥青混凝土与整体化现浇层间设防水层。
3．2 桥面连续
在施工桥面整体化层前，用聚苯乙烯泡沫板塞严连续缝，在桥面连续缝处纵向整平30 cm宽，喷刷2遍热沥青，然后铺一层塑料薄膜，密贴板端；配置纵向短钢筋，加强桥面连续，加强钢筋部分长度做失效处理。桥面连续与桥面整体化层混凝土一同浇筑，待混凝土强度达到80％以上后，锯缝填塞沥青马蹄脂，最后整体铺设沥青混凝土。
3．3 伸缩缝
改造时，拆除旧伸缩缝，采用3跨一联，全桥共5联，只设6道浅埋式横向50型伸缩缝。
3．4 T 粱
T梁腹板在支座附近出现了较多的斜裂缝和竖向裂缝，腹板底部出现较多横向裂缝，故对T梁采取以下加固措施：
（1）T梁腹板底部贴两层碳纤维布以提高抗弯承载力。
（2）靠近腹板端部3．4 m范围内，腹板进行单侧加厚，加厚混凝土厚度为5 em，加厚部分与原梁体通过植筋连接成整体，内置1层虫10@10 cmX 10 em的钢筋网。
（3）在加厚段贴碳纤维布，布条宽12 cm，间距20 em。为了提高碳纤维的使用年限和承载能力，采用U形碳纤维锚固箍。
（4）原设计横隔板采用钢板焊接，钢板锈蚀，联系较弱，为增强梁体间连接，现将横隔板凿除50 em X 80 em的矩形块，侧面植筋后，内置钢筋网，下面两排钢筋与原有的隔板中空22预留钢筋焊接，浇筑混凝土，加强T梁之间连接。
3．5 支座
考虑到结构的使用性和耐久性，改造时将旧支座拆除，用新的板式橡胶支座更换，将支座承载能力提高一级。
4、主要加固施工工艺
4．1 钻孔植筋
植筋施工方法
（1）钻孔：孔深与锚筋埋设深度相同，孔径比锚筋直径大2—4 mm，孔位应避让构造钢筋，孔道应顺直。
（2）清理钻孔：孔道先用硬鬃毛刷清理，再以高压干燥空气吹去孔底灰尘、碎片和水分，孔内应保持干燥。
（3）灌胶：将植筋胶由孔底灌注至孔深2／3处，待插入锚筋后，胶即充满整个孔洞。
（4）插入锚筋：锚筋插入前应先以钢刷清除插入部分的表面污物，再用丙酮擦净、拭干钢筋。须插到孔底，孔口多余的胶应清除。
（5）在胶液干固之前，避免扰动锚固钢筋，孔位附近不应有明水。
（6）植筋钻完孔后，应立即清理干净，并予以植埋，避免成片植筋孔长时间空待。
4．2 粘贴碳纤维布H
粘贴碳纤维布工艺流程如下：
打磨、清理梁体表面一粘贴表面找平一涂刷第一层粘贴（底层）胶一涂刷第二层粘贴胶一粘贴碳纤维布（第一层）一涂刷第三层粘贴胶一粘贴碳纤维布（第二层）一涂刷第四层粘贴胶一养护一检验粘贴质量。
粘贴碳纤维布施工工艺
（1）首先将需要粘贴碳纤维布部位用砂轮打磨平整，清除表面腐蚀、剥落的混凝土和灰尘，使粘贴面露出骨料，表面有油污的应用脱脂棉纱蘸丙酮或二甲苯溶液等清洗，然后用高压水枪清洗梁体粘贴面的粉尘。按设计要求对梁体裂缝进行灌缝或封缝处理，混凝土的凹陷部位用环氧砂浆修补找平。
（2）找平材料表面干燥后，把刷涂料用的滚子蘸以事先配好的碳纤维粘结胶，在梁体粘贴面上来回滚动，涂抹一层底胶。粘结胶由环氧类主料和固化剂2种材料配制而成，两者的推荐重量比为3：1。也可以根据实际情况调节固化剂的用量来加快或延缓胶体的固化时间。
按以上的比例配制的粘结胶固化时间为20—40 min固化时间也会受到温度影响，温度较高时固化较快。推荐的施工温度为20℃ ，施工温度低于5℃或雨天应停止施工。粘结胶不能与水相溶，因此必须保持粘贴面的干燥。底胶须涂抹均匀，使梁体表面充分浸透，但也不宜过多，以不形成聚集的小液滴为好，防止底胶固化后形成小疙瘩，影响碳纤维布的粘贴质量。
（3）底胶固化4 h以后，方可涂抹第二层胶及粘贴碳纤维布 轱一层）。碳纤维布纤维条的方向应与加固部位受拉力的方向一致。粘贴时，要一次粘贴平整，用滚子顺着纤维走向来回滚动，防止形成褶皱、损伤纤维条或多次扰动碳纤维横向的编制线，以免碳纤维条松散或改变碳纤维条的受力方向。碳纤维布确实需要搭接时，接头处至少要搭接10 cm以上，搭接部位应避开构件应力最大区段，且搭接端应平整无翘曲。多层搭接的各层接151位置应不在同一截面上，每层接口位置的净距离应大于20 cm。
（4）粘贴强度形成期间f_一般为3 d）不得有加载、振动等干扰，必要时应保持成形所需要的压力。在固化4 h后，涂抹第三层胶及粘贴碳纤维布（第二层），在固化4 h后，再涂抹第四层胶，以保护碳纤维布不受外界环境条件影响。涂抹要均匀，防止漏抹。
5、结语
新沙立交桥在加固改造完成之后，经半年多的试通车营运，该桥使用状况良好，说明加固设计的方案是成功的。
采用该方案的优点主要有以下几个方面：
（1）通过对桥面进行补强，增大了结构的受力面积，增加了结构的刚度，使结构的受力合理。
（2）采用植筋以及粘贴碳纤维布等加固方法 ，加固技术成熟。
（3）该施工方案简单易行，操作方便，无需大型设备。该桥的成功加固维修，也为今后类似桥梁的加固积累了一些经验：
（1）结构设计必须有一定的安全储备，要考虑多种不利因素，要考虑使用过程中的各种条件变化。
（2）结构物的超载使用对结构的影响较大，极大地缩短了结构的使用寿命，而且安全隐患较多，必须及时进行加固，以保证安全使用。
（3）结构物一旦受力超过极限，将会极大地影响周围结构的受力，出现连锁反应，使原有结构与设计条件发生较大变化，从而危及结构物的安全使用。
（4）加固设计方案要有主次，在满足受力条件的前提下，还要对结构在构造方面进行加强。
（5）修补方案要考虑现场的实际操作条件，在保证受力的条件下尽量降低操作难度，以达到保证施工质量的目的。
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