鐵路橋梁加固（一）
2015-04-20
第一章 緒論
第一節(jié) 國內外橋梁現狀及加固改造的迫切性
隨著國民經濟的發(fā)展，交通運輸量大幅度增長，行車密度及車輛載重越來越大，尤其是推行拖掛運輸和集裝箱運輸后，重型車輛日益增多，現有相當一部分公路橋梁已滿足不了使用要求，這是世界各國所面臨的嚴峻問題。例如：據美國1981年統(tǒng)計共有公路橋梁566000座，曾調查了514000座，其中98000座橋必須關閉交通，或降低使用標準或立即整修，約占總數的20％；102000座橋老化，橋面太窄或承載能力偏低，約占總數的20％。其他國家均面臨同樣的問題。橋梁的陳舊、老化、強度降低，這是一個全球性的問題，引起了世界各國的極大關注，并提到了刻不容緩的議事日程上。目前，在世界范圍內，橋梁維修、養(yǎng)護、加固的技術已成為交通研究領域中的重要課題。由西方24個發(fā)達國家參加的聯合國“經濟合作與發(fā)展組織(OECD)”，于1981年召開“關于道路橋梁維修管理國際會議”；1982年召開的“國際橋梁與結構會議”，1983年召開“第十七屆國際道路會議”，很多國家對現有橋梁的安全性評價、檢查及維修加固等方面，提出了眾多篇有價值的論文。該“組織”還組織有關國家進一步開展這方面的研究工作。1980年在巴黎和布魯塞爾，1982年在華盛頓，都曾召開關于舊橋問題的國際專題討論會。
隨著世界上許多發(fā)達國家公路網絡的日趨完善，新建公路、橋梁逐漸減少，已建公路、橋梁的維修、養(yǎng)護、加固、改造已成為公路交通部門的工作重心。
在我國，建國以來隨著交通運輸事業(yè)的發(fā)展，特別是近20年來，我國公路建設事業(yè)蓬勃發(fā)展，不僅車輛數量急劇增加，而且車輛重量越來越大。盡管我國公路的通行能力和服務水平已經得到了很大的改善和提高，尤其是“九五”期間，國家進一步加大了基礎設施建設投資，公路面貌日新月異，每年新建的高速公路由幾十公里上升到一千公里以上，到2000年底，全國高速公路總里程已達到16285公里(未計人臺*防屏蔽*灣省)，全國公路里程達到167．98萬公里，公路密度達到17．5公里／百平方公里，為1978年的1．86倍。二級以上公路占全國公路總里程的比重由1979年的1．3％提高到2000年的13．1％，主要城市之間的公路交通條件顯著改善，公路交通緊張狀況初步緩解。同時，縣鄉(xiāng)公路里程快速增長，質量也有很大提高，有的省份已實現全部縣道鋪筑瀝青路面，乃至達到二級技術標準，全國實現了100％的縣、98％的鄉(xiāng)和89％的行政村通公路。但是我國幅員遼闊，就整個公路網絡而言，在國民經濟總體中，公路交通設施的“瓶頸”制約因素，尚未得到根本的緩解。在現有公路上，數以萬計的舊橋，特別是上個世紀80年代以前修建的橋梁，由于設計荷載標準低，承載能力不足，寬度不夠，加之年久失修、維修養(yǎng)護不夠，相當多的橋梁發(fā)生不同程度的破損，正逐步成為危橋，成了不斷提升技術等級的公路上卡脖子路段。根據1982年不完全統(tǒng)計，我國在20世紀80年代以前修建的公路橋梁有136，000座，大部分是按1972年以前部頒標準建造的，其中危橋4，823座，共12，788延米，單是大、中橋，汽一10級以下標準的就占8．6％，近11．7萬延米。以當時四川省為例，全省公路里程為95592公里，公路橋梁共14，573座，共416，011延米，其中大、中橋梁2，873座，229，311．9延米。而汽一20、掛一100荷載等級以上的橋梁只有230座，35，060．5延米，僅占全省大、中橋梁總數的8％。全國其他省、市、自治區(qū)的情況也大致如此。邊遠省份的狀況更嚴重一些，例如，新疆除1978年以后按汽一20、掛一100荷載標準設計修建的8座橋梁外，其余91．7％的橋梁均是按汽一15以下荷載標準設計修建的，而汽一13、拖一60以下標準占了59．89％，遠遠跟不上交通發(fā)展的需要。盡管改革開放以來，我國的交通建設取得了長足發(fā)展，截至1998年底，全國已共有公路橋梁210，822座。但由于我們國家是個發(fā)展中國家，雖然建設橋梁時，充分考慮了當時、當地遠景經濟發(fā)展和社會諸多方面的技術需求，采用了當時先進的技術和材料，但仍在很大程度上難以擺脫歷史的局限性，并受到當時經濟狀況的制約。
隨著我國經濟建設的高速發(fā)展，社會工業(yè)化水平提高，不僅車輛數量急劇增加，車輛重量增大，而且車速也相繼提高，人們對道路的服務水平也提出了新的要求。近20年來，盡管我國開始了對舊橋加固改造技術的研究，在“六五”、“七五”計劃期間，各地交通部門對大批舊危橋進行了加固改造，但由于舊危橋數量龐大，加上20世紀80年代以后修建的橋梁隨著運營年限的增加，也逐步進人了維修養(yǎng)護期，缺陷和病害開始顯現和發(fā)展，特別是大型、重型車輛與日俱增，超限、超載車輛越來越多，對橋梁的損傷和破壞日趨嚴重，大批橋梁又加入了維修、養(yǎng)護、加固改造的行列，從而使橋梁建設可持續(xù)發(fā)展問題日顯重要和突出。以重慶市舊危橋加固改造計劃為例，截止2003年底，重慶市共有橋梁1800余座，國、省道上尚存四類危橋143座，承載力不足，亟待提高荷載等級的舊危橋601座，占現有橋梁總數的40％以上；據四川省2001年普查資料，全省共有橋梁17，521座，雖經多年加固改造，目前仍存在病危橋945座，占橋梁總數的5．4％，并有相當比例的橋梁承載力偏低，不能滿足交通發(fā)展的需要，有待于加固提高荷載等級。特別值得一提的是，即使20世紀90年代以后修建的鋼架拱橋、懸索橋、肋拱橋、斜拉橋等由于車輛超載現象嚴重、超負荷運行及設計不合理、養(yǎng)護未跟上等諸多原因，也相繼出現病害。重慶長江二橋(李家沱長江大橋)為主跨440m的混凝土斜拉橋，通車不到十年，就出現大量病害，投入了上千萬元的加固補強費用。全國各省市的情況基本相似，必須引起我們的高度重視。交通部《公路科學養(yǎng)護與規(guī)范化管理綱要》(1991-2000年)中提出“到本世紀末，基本上消除國、省干線公路上的危橋，并初步達到通行國際標準集裝箱車輛的標準”。歷史已進入21世紀，目前來看，要達到綱要上制定的目標，還有相當的差距，任重而道遠。
對于上述不能適應現代交通運輸的橋梁，如果全部拆除重建，不僅資金耗費巨大，而且在時間上也不允許。即使經濟最發(fā)達的美國，若將40％的橋梁推倒重建，大約需要3000-5000{乙美元，也是不現實的。因此，世界各國不論是發(fā)達國家或是發(fā)展中國家，無一不把已建橋梁視為國家的寶貴財富，競相投人大量的人力、物力，不斷加強現有橋梁的維修、養(yǎng)護、加固與改造，使其恢復設計承載能力或提高荷載標準，把延長橋梁的使用年限，保障公路建設的可持續(xù)發(fā)展作為一項基本國策。在公路建設中，我國交通部也要求各級交通主管部門要積極貫徹“建養(yǎng)并重”方針，切實糾正“養(yǎng)路不養(yǎng)橋”的傾向，將橋梁的檢查、維修、加固與改造工作列入議事日程，及時發(fā)現橋梁發(fā)生的病害和出現的缺陷，并及時維修、加固補強，防患于未然，加快舊危橋整治、加固的步伐，確保交通暢通和發(fā)展。因此，加固舊危橋，恢復和提高它們的承載能力，使其繼續(xù)為現代交通運輸服務，可以給國家?guī)砭薮蟮纳鐣б婧徒洕б?。據國外資料介紹，舊橋的加固改造費用僅為新建橋梁的10％-20％左右，國內已有經驗表明，一般情況下拱式橋梁的加固費用約為重建新橋的20％—30％，梁橋的加固費用約高于拱橋，通常為30％—40％，較重建新橋可以為國家節(jié)省大量的資金，社會、經濟效益十分顯著。
20世紀80年代以來，我國在舊橋加固改造技術的研究和試驗方面進行了大量的工作。交通部在“六五”、“七五”計劃期間下達了一系列有關舊橋檢測、承載力評定及加固技術的科研課題，舉辦了多次橋梁維修、養(yǎng)護、加固、改造技術的學術會議。各省、市、自治區(qū)交通部門都在橋梁維修、養(yǎng)護、加固、改造的實踐中取得了不少成功的經驗，并在實踐中獲得了顯著的社會、經濟效益，推動了交通事業(yè)的發(fā)展。隨著交通運輸的發(fā)展需要，舊橋的維修、養(yǎng)護、加固與改造必將成為橋梁工程中的一門新興學科，這是毫無疑義的。西方一些發(fā)達國家已先后把公路、橋梁的維修、養(yǎng)護、加固與改造納入大專院校土木工程學科的重點課題，培養(yǎng)了一大批維修，養(yǎng)護和加固改造的專門技術人才。隨著社會的進步和發(fā)展，在我國也只是時間早晚的問題。
第二節(jié) 橋梁加固改造的技術途徑、設計原則及基本要求
一、舊橋加固與技術改造中的幾個問題
1. 舊橋
舊橋凡是需要進行維修、檢測、加固及技術改造的橋梁，都可認為是“舊橋”。在一般情況下，舊橋不外乎要解決三大問題：維修、整治、加固和技術改造。
?。?）維修
舊橋正常維護和修繕工作內容：常規(guī)的排、堵、防水設施維修，橋面伸縮縫中的異物清理、破損圍欄的修復，支座的防護等。
（2）整治
對橋梁(不影響橋梁受力的構件部位)常見的缺損和缺陷進行整治和處理，如：橋面鋪裝層、伸縮縫裝置、防水設施、輕微的結構破碎等的常規(guī)維護和修復工作。
?。?）橋梁加固與技術改造
對橋梁構件補強、改善結構性能，提高橋梁的承載能力和通行能力，延長橋梁的使用壽命，適應現代交通運輸的要求。橋梁維修加固和改造一般分為：永久性加固和臨時性加固；前者加固的結構需要長期的保留在橋梁的結構之中；后者是為了通行超重車而采用的臨時性加固措施。
2．舊橋加固與技術改造的主要工作內容
(1)加固與技術改造
①橋梁上部構件加固；
②橋梁下部構件加固；
?、蹣蛄夯A處理；
?、芡貙挊蛄旱男熊嚨?、人行道；
?、萏嵘龢蛄荷喜拷Y構；
?、薷鼡Q橋梁結構；
?、邩蛄阂赖穆肪€線性改造。
?。?）橋梁維護、整治
?、贅蛄航Y構小修和小養(yǎng)
橋面的整治；排水系統(tǒng)處理；裂縫、剝落、缺角、鋼筋外露處理(在不影響橋梁承載力情況下)；支座維護處理；防銹、防腐處理。
②橋梁的定期檢查。
③橋梁的超重車控制。
④橋梁的技術資料的管理和保存。
二、目前橋梁加固改造的技術途徑
橋梁加固一般是指：通過對構件的補強和結構的性能改善，以恢復或提高現有橋梁的承載能力，延長使用壽命，適應現代交通運輸的要求。目前，國內外對橋梁進行加固改造的技術途徑主要有以下五種：
1.加強薄弱構件
在橋梁上，對于有嚴重缺陷的部位，或者因要通行重型車輛而不能滿足承載要求的部位，如：梁橋的跨中部位、支座部位、承受負彎矩的部位；拱橋的拱頂、拱腳、1／4拱跨部位；以及其他變截面處等，采取加強措施，進行補強。在橋梁結構中，特別要注意的是：橋梁的薄弱處一般在受拉區(qū)范圍內，受壓區(qū)的情況則比較少。所以，對于薄弱處補強方法，往往采用噴射混凝土、粘貼鋼板，增大主梁或主拱圈截面的方法，增加其強度，以及采用高等強度混凝土或環(huán)氧混凝土砂漿封填裂縫，增設預應力鋼筋或粘貼附加構件對缺陷進行處理。
2．增加輔助構件
在橋梁承載力不足或因為某種原因致使橋梁遭受破損時，可以在原有的結構上增加新的受力構件，如：梁橋中增設主梁、橫隔梁；簡支梁之間加設輔助構件，使其成為連續(xù)梁的工作狀態(tài)；梁下部采用八字支撐方式，增加跨孔改變受力狀態(tài)；拱橋中采用梁式結構替代回填料等。特別注意的是：在更換原有結構上的有嚴重缺陷、又不能修復的構件時，必須設置足夠的臨時支撐，或采取可靠的措施，以保證整個結構在施工中的安全。
3．改變結構體系
根據橋梁的實際狀況，采用梁式結構改為拱式結構；拱式結構改為梁式結構；簡支梁改為連續(xù)梁；單跨結構改為多跨結構；增加支點；鉸接支撐改為剛性連接等，通過這些手段達到改善結構薄弱處的受力狀態(tài)，提高整體橋梁的承載能力。
4．減輕恒載
減輕橋梁上部結構的恒載，改善原橋梁的受力狀態(tài)，提高橋梁的承載能力，特別是在橋梁基礎承載力受到限制，不能滿足加固上部結構和提高活載承載力時，通過減輕橋梁恒載的辦法來提高承受活載的能力，是一種經濟有效的措施，如：將實腹式拱橋改建為空腹式拱橋，或更換拱上填料的辦法，對提高拱橋承載力，具有十分顯著效果。
5．加固橋墩、臺及基礎
在橋梁結構中，有相當的一些缺陷是由橋梁墩、臺和基礎的病害引起的，因此，需要從其著手進行加固處理。通常采用的辦法是：用鋼筋混凝土套箍并施加外部預應力加固墩身。對于基礎加固措施，常采用加樁法和擴大基礎法進行處理。
三、加固橋梁設計的原則
進行舊橋加固和技術改造前，需要進行詳細設計。對于關鍵技術措施，應先進行室內試驗，掌握技術要求和檢測方法，才可能完成和完善施工圖的設計。舊橋加固設計仍然以現行的橋梁理論為基礎，采用橋梁《規(guī)范》為標準進行設計。舊橋加固改造方案的確定，首先要根據橋梁的現有技術狀況、存在的病害、車輛通行的需要、以及將來交通發(fā)展的趨勢，對加固改造的必要性和可能性作出分析判斷。然后對各種加固改造方法的技術經濟效益進行比較，選擇合理的加固方案。設計時特別要注意以下幾點：
(1)加固后的橋梁，在使用荷載作用下，原有的結構和新增加的結構各部分的強度、剛度和裂縫，均應符合現行設計規(guī)范的要求。
(2)當僅要求提高活載能力時，加固改造工作可以在原結構保持恒載應力狀態(tài)下進行。此時，原有結構的全部恒載和加固改造后所增加的恒載，均由原結構承擔，活載由原結構和新增加的構件或加大后的截面共同承擔。
(3)如果通過檢測和計算，原結構的工作應力已接近或已超過允許值，需要減小原橋的恒載應力，應采取一定的卸載措施，如：減少拱上填料；用輕質材料更換原橋面鋪裝層；用外加預應力使橋梁產生附加上拱度，或者在橋梁的跨中部位適當的頂起，使橋梁在卸去部分恒載的情況下進行加固，此時新構件(截面)除與原結構共同承擔活載外，還承擔原有結構的一部分恒載，新舊結構按整體受力計算。
(4)采用增大截面法進行舊橋加固改造時，由于新舊結構的材料性質或混凝土之間收縮率的不同，引起結構內力的重分布，在新舊材料或新舊結合面處將出現較大的拉應力，極易出現裂縫而影響結構的整體性。因此，必要時應該進行收縮應力的計算；在新舊材料或者新舊結構之間的結合面處采用增加纖維和采用性能相近的材料進行補強。
四、橋梁加固的基本要求
1.需要進行加固的橋梁
橋梁加固和技術改造所涉及到的因素很多，通常需要加固的橋梁都是：
(1)處于交通要道，車輛通行密度大，通行的車輛荷載高。
(2)橋梁的建造年代久遠、有不同程度的缺陷和病害。
當前，有個別部門往往對病態(tài)的橋梁認識不足，認為橋梁還能行車就可以維持等，橋梁的加固和技術改造工作不易取得輝煌的業(yè)績，因而沒有擺到重要議程。
從某種意義來講，舊橋加固和技術改造的難度甚至超過了新建造一座橋，因此，對現有的橋梁加固改造需要提出以下基本要求。
2．舊橋加固改造的基本要求
(1)加固改造技術可靠，耐久性滿足使用要求。
(2)加固費用省，經濟效益高(與新建造一座橋梁相比)。
(3)設備簡單，施工方便。
(4)盡量不中斷交通或少斷交通。
(5)加固改造的材料性能好，養(yǎng)護工作量少。
(6)盡量減少對原橋梁結構的損傷。
3. 橋梁加固改造應注意的問題
進行舊橋加固改造工作前，需要先進行詳細的設計工作。對關鍵的技術措施，應先進行室內試驗，掌握其技術要求和檢驗方法。加固設計時應注意以下幾點：
(1)加固后的橋梁，在使用荷載作用下，原有結構和新增加的結構各部分的強度、剛度和裂縫，均應符合現行設計規(guī)范的要求。
(2)當僅要求提高活載能力時，加固改造工作可以在原結構保持恒載應力狀態(tài)下進行。此時，原有結構的全部恒載和加固改造后所增加的恒載，均由原結構承擔，活載由原結構和新增加的構件或加大后的截面共同承擔。
(3)如果通過檢測和計算，原結構的工作應力已接近或已超過允許限值，需要減小原橋的恒載應力，應采取一定的卸載措施，如：減少拱上填料；用輕質材料更換原橋面鋪裝層；用外加預應力使橋梁產生附加上拱度，或者在橋梁的跨中部位適當的頂起，使橋梁在卸去部分恒載的情況下進行加固，此時新構件(截面)處與原結構共同承擔活載外，還承擔原有結構的一部分恒載，新舊結構按整體受力計算。
(4)采用增大截面法進行舊橋加固改造時，由于新舊結構的材料性質或混凝土之間收縮率的不同，引起結構內力的重分布，在新舊材料或新舊混凝土的結合面上將出現較大的拉應力，容易出現裂縫而影響到結構的整體性。因此，必要時應該進行收縮應力的計算；在新舊材料或者新舊結構之間的結合面處，采用增加纖維和采用性能相近的材料進行補強。為減小混凝土收縮的不利影響，新澆混凝土不宜采用過高等級的水泥和較大的水灰比，并在新澆混凝土中設置鋼絲網或者盡可能采用性能相近的材料進行加固補強。
