橋梁是確保公路暢通的咽喉，而其承載能力和通行能力，更是溝通全線的關(guān)鍵。歷史上，從1879年的蘇格蘭“泰依大橋” 事故到1994年的韓國“圣水大橋” 事件，直到1999年的中國綦江“虹橋事件”，沉痛的教訓(xùn)告誡人們，車輛的安全行駛必須以橋梁足夠的承載力作為保障。
當(dāng)今世界范圍內(nèi)，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，均有較大一部分橋梁因結(jié)構(gòu)損傷。材料老化等原因而發(fā)生承載力不足問題，有待加固增強(qiáng)。美國自1978年至1981年共用4年時(shí)間對全國公路橋作了調(diào)查，迄至1981年的統(tǒng)計(jì)，美國全國公路橋約566,000座。調(diào)查報(bào)告中敘述了514,000座橋的現(xiàn)狀，這些橋梁中有40%以上(超過20,000座)都有不同程度的損壞；98,000座橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，應(yīng)停止或只能限載通行；102,000座橋梁車行遭太窄，橋下凈空不夠或承載力不足。在日本，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車日益大型化、重型化，交通量逐年增加，給現(xiàn)有公路橋梁造成了越來越大的壓力，按舊有標(biāo)準(zhǔn)修建的橋梁，其承載力深感不足。聯(lián)邦德國的公路橋梁調(diào)查表明，橋齡在30-50年的橋梁，有13%的橋梁上部構(gòu)造至少有一處中等損傷，在我國現(xiàn)有橋梁中，除按1972年交通部頒布的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》和1982年以來按部頒《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JIJ1—81)設(shè)計(jì)建造的橋梁，尚能基本滿足近期交通量外，在此之前，特別是50年代后期及60年代修建的一些橋梁大多發(fā)生荷載噸位不足，甚至干線公路橋梁重車無法通過的情況時(shí)有發(fā)生。在重慶市，據(jù)2000年的不完全統(tǒng)計(jì)，縣遭以上干線目前已有100多座橋梁承載力不足。但是，廢除這些舊橋重建新橋不但需耗巨資，而且需花時(shí)間，中斷交通。因此，各國都視舊橋?yàn)閷氋F財(cái)富，力圖通過修復(fù)加固，予以充分利用相應(yīng)，自70、80年代以來，舊橋加固技術(shù)在世界范圍內(nèi)已成為橋梁建設(shè)中的一項(xiàng)重要研究課題。
然而實(shí)踐中，橋梁加固往往走入二大誤區(qū)：
一是判別不了舊橋和危橋的界限，認(rèn)為任何舊橋都可進(jìn)行加固處理，結(jié)果加固工作進(jìn)行過程中加劇了橋梁病害的發(fā)展，最終造成“財(cái)去橋垮”事故；
二是將舊橋加固模糊于新橋設(shè)計(jì)，單純采用極限狀態(tài)理論，認(rèn)為截面尺寸越大越安全，結(jié)果是加固效果適得其反。因此，剖析橋梁加固機(jī)理，遵循橋梁加固準(zhǔn)則，把握橋梁加固程序具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。
1.橋梁加固機(jī)理
1.1 加固機(jī)理及負(fù)面效應(yīng)
由于橋型的多樣性，橋梁病害的復(fù)雜性，決定了舊橋加固具有多樣、靈活，富于實(shí)踐的特點(diǎn)，以拱橋加固為例，實(shí)踐中常用增大主拱圈截面(包括錨噴技術(shù)、主拱圈拱背現(xiàn)澆加固技術(shù)及套箍封閉技術(shù))、鋼板箍加固、增設(shè)新主拱圈、碳纖維加固等技術(shù)。然而，眾多技術(shù)中，集技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益于一體的為增大主拱圈截面技術(shù)，其在實(shí)踐中也最廣為采用?，F(xiàn)以增大主拱圈截面技術(shù)為例，探討橋梁加固機(jī)理。
主拱圈為拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)，也是橋梁的主要加固對象。通過錨噴、現(xiàn)澆或封閉技術(shù)增大橋粱主拱圈截面，形成新老復(fù)合主拱圈，即可達(dá)到加固橋梁的目的。其加固機(jī)理在于：新老復(fù)合主拱圈有效形成整體，協(xié)調(diào)變形。新增主拱圈層替原主拱圈層分擔(dān)了部分活載，從而減小了原主拱圈在活載作用下的邊緣應(yīng)力；同時(shí)。隨著主拱圈截面的增大，提高了橋梁的極限承載力。上述為增大主拱圈截面加固拱橋的正面效應(yīng)．然而。其同時(shí)也存在反面效應(yīng)：主拱圈加固層恒載只能由原主拱圈承擔(dān)，僅在恒載作用下，原主拱圈邊緣應(yīng)力增大，不利于橋梁受力?，F(xiàn)課題組于2000年11月加固成功的重慶渝北統(tǒng)景轄區(qū)御臨河大橋予以說明。
1.2 實(shí)例
御臨河大橋系一座15m(石板拱)+38m(石肋拱)+38m(石肋拱)+15m(石板拱)的石拱橋，于1979年建成通車。由于1989年的特大洪水和地震作用，該橋加固前存在拱軸線變形、砂漿脫落、主拱圈開裂等多處病害，經(jīng)課題組充分研究，采用鋼筋砼套箍封閉主拱圈技術(shù)予以加固。該橋在恒載及恒載+活載作用下原主拱圈在加固前后的邊緣應(yīng)力。見表1和表2所示：
從表1可看出，御臨河大橋經(jīng)加固整治后，由于加固后的鋼筋砼套箍加強(qiáng)了拱肋剛度，分擔(dān)了活載和人群荷載，從而使原拱肋受力更趨合理均勻化，減小了控制截面特別是拱腳截面的邊緣應(yīng)力，改善了該橋的受力性態(tài)。
然而，從表2結(jié)果可看出，由于新增鋼筋砼套箍層重量，增加了原主拱圈承擔(dān)的荷載，使得橋梁僅在恒載作用下，原主拱圈邊緣應(yīng)力增大。
因此，橋梁加固不同于新橋設(shè)計(jì)，認(rèn)為加固截面尺寸越大越安全、越保守的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤、片面的，設(shè)計(jì)中應(yīng)把握好加固準(zhǔn)則。
2.加固準(zhǔn)則
2.1 “恒載應(yīng)力” 準(zhǔn)則
即橋梁在加固前或擬定截面加固后在恒載作用下其主拱圈應(yīng)力必須控制在限值范圍內(nèi)。
橋梁在營運(yùn)過程中，隨著材料的老化、風(fēng)化，承載結(jié)構(gòu)裂縫的開展，截面尺寸的破損 及永久性變形的增大，往往橋梁本身在恒載作用下其承載力不能滿足要求。此時(shí)橋梁管理部門應(yīng)當(dāng)機(jī)立斷，判定橋梁為“危橋”，作重建處理。否則，將出現(xiàn)加固后橋梁病害加重直到垮塌的“財(cái)去橋垮”事故，或原橋加固費(fèi)用巨大、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不合理的不利情況。如某地區(qū)一橋梁營運(yùn)多年后因恒載應(yīng)力不能滿足強(qiáng)度要求，橋梁管理部門強(qiáng)行加固。結(jié)果造成橋梁變形加劇，迫使炸橋重建。
另外，橋梁加固后，由于加固層增加了原主拱圈的負(fù)擔(dān)，造成原主拱圈邊緣應(yīng)力增大。因此，還因驗(yàn)算橋梁在本身恒載與加固層恒載作用下原主拱圈應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度要求。
綜上，橋梁加固應(yīng)滿足下列準(zhǔn)則：
α
恒＜α
L （1）
式中， α
恒-- 橋梁在加固前或在擬定截面尺寸下加固后在恒載作用下主拱圈邊緣應(yīng)力；α
L-- 原主拱圈邊緣應(yīng)力限值。
“恒載應(yīng)力”準(zhǔn)則是橋梁加固的首要基本準(zhǔn)則，只有在滿足該準(zhǔn)則前提下，方可進(jìn)行后續(xù)加固工作。
2.2 “組合應(yīng)力” 準(zhǔn)則
在各種最不利荷載組合作用下原主拱圈邊緣應(yīng)力必須滿足強(qiáng)度要求，橋梁加固的精髓在于新、老主拱圈能夠協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)活載作用。一般而言，新增加的主拱圈層往往采用強(qiáng)度和彈性模量均較高的材料，而老主拱圈層由于已營運(yùn)多年，出現(xiàn)材料強(qiáng)度削減，整體受力性差的情況。因此，橋梁加固中控制應(yīng)力的是新、老復(fù)合主拱圈中的老主拱圈。具體地說，橋梁加固后，在最不利荷載組合作用下。新、老復(fù)合主拱圈中的老主拱圈邊緣應(yīng)力必須滿足強(qiáng)度要求，即：
α
組＜α
L （2）
α
組--組合荷載作用下原主拱圈邊緣應(yīng)力值；
α
L--原主拱圈應(yīng)力限值。
“組合應(yīng)力” 準(zhǔn)則是橋梁加固中尺寸擬定的控制準(zhǔn)則，只有在滿足該準(zhǔn)則前提下方可進(jìn)行后續(xù)加固工作。
2.3 極限承裁力準(zhǔn)則
在最不利荷載組合作用下，橋梁加固后其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均要滿足要求，即：
式中，A—新老主拱圈組合截面的換算面積，其按極限強(qiáng)度進(jìn)行換算；N
j—計(jì)算縱向力；α—縱向力偏心影響系數(shù)。按下式計(jì)算：
e
o——縱向力偏心距；y ——組合截面重心至偏心方向截面邊緣的距離； r
w—— 組合截面的回轉(zhuǎn)半徑；m——截面形狀系數(shù)； r
m——材料安全系數(shù)；ψ——縱向彎曲系數(shù)。
極限承載力準(zhǔn)則是橋梁加固滿足前兩準(zhǔn)則前提下，體現(xiàn)提高橋梁承載力幅度的準(zhǔn)則，橋梁加固效果是否顯著，以該準(zhǔn)則為依據(jù)。
3.橋梁加固準(zhǔn)則的執(zhí)行
橋梁加固是一項(xiàng)嚴(yán)密的系統(tǒng)工程，其包括兩大塊內(nèi)容：
1.原始基本數(shù)據(jù)的收集
包括原橋的構(gòu)造尺寸、材料的實(shí)際強(qiáng)度、承重結(jié)構(gòu)破損率及實(shí)際斷面尺寸等一系列參數(shù)，原橋基本數(shù)據(jù)的收集正確與否直接影響整項(xiàng)加固工程。
2.加固三準(zhǔn)則的嚴(yán)格執(zhí)行
整個(gè)橋梁加固準(zhǔn)則執(zhí)行程序如圖1所示，
4.結(jié)話
當(dāng)今世界，眾多橋梁急待加固，橋梁加固理論也正向系統(tǒng)化、理論化發(fā)展。筆者在結(jié)合多項(xiàng)橋梁加固課題研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，探討了橋梁加固的三個(gè)準(zhǔn)則和執(zhí)行程序，旨在剖析橋梁加固機(jī)理。排除橋梁加固的種種誤區(qū)，可望在實(shí)踐中起到一定的借鑒作用。
