關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)損害和加固方法分析
2015-07-29
一．引言
我國(guó)通俗的道路施工中，只是將混凝土巖石或者瀝青鋪設(shè)于道路上，這樣的工程沒有考慮到路面的承重、路面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，并且沒有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和原理，使得路面工程在短的時(shí)間內(nèi)瓦解，給政府乃至國(guó)家造成經(jīng)濟(jì)損失。橋梁的結(jié)構(gòu)是承受負(fù)荷重力的主要載體，同時(shí)也是確保橋梁安全的重要支柱。隨著使用時(shí)間的增加，在橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了一些損害，導(dǎo)致橋面結(jié)構(gòu)發(fā)生功能缺陷，威脅橋梁安全。
二.橋梁結(jié)構(gòu)受到損害的原因隨著時(shí)間的推移,橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)受到不同程度的損害,造成這些損壞的原因主要有:建筑材料性能降低、橋梁結(jié)構(gòu)負(fù)荷重力過大、環(huán)境影響、自然災(zāi)害、人為事故損害、設(shè)計(jì)不合理、施工過程中的不利因素影響等。建筑材料性能降低。橋梁結(jié)構(gòu)使用時(shí)間越長(zhǎng),建設(shè)這些橋梁結(jié)構(gòu)所使用的建筑材料就會(huì)受到越多的磨損,其性能就會(huì)降低,從而使得橋梁結(jié)構(gòu)受到不同程度的損害,影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用。橋梁結(jié)構(gòu)負(fù)荷重力過大。我國(guó)目前的橋梁結(jié)構(gòu)很多是按照80年代左右的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造的,那時(shí)公路運(yùn)輸量較低,所以橋梁結(jié)構(gòu)的負(fù)荷能力較低,近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)量急劇增加,公路運(yùn)輸量的不斷增大,尤其是工程用重型運(yùn)輸車的頻頻出現(xiàn),使得橋梁結(jié)構(gòu)負(fù)荷重力也不斷增大,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于超載狀態(tài),從而使得沿線道路以及橋梁結(jié)構(gòu)受到不等同程度的損害。環(huán)境影響。環(huán)境影響主要是指溫度和濕度的影響。溫度和濕度的變化會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)帶來不同程度的損害。自然災(zāi)害。自然災(zāi)害主要是指風(fēng)、雨、洪水的侵蝕,雷電的襲擊,地震、滑坡等。自然災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受損變形。人為損害。人為損害主要是指車輛、船舶等的碰撞等。人為事故會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)帶來直接性的損害。設(shè)計(jì)不合理。設(shè)計(jì)不合理主要包括橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、設(shè)計(jì)假定不盡、設(shè)計(jì)論證過程中缺乏合理的監(jiān)測(cè)等。這些設(shè)計(jì)的不合理都可能成為橋梁結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷。施工過程中的不利因素影響。施工過程中的不利因素影響主要包括施工過程中難以控制的不利因素以及施工不合理產(chǎn)生的不利因素。這些不利因素,都會(huì)對(duì)橋梁造成損害,前者難以控制,但后者卻是可以避免的。
三.橋梁結(jié)構(gòu)加固原則
1. 總體效應(yīng)原則。在結(jié)構(gòu)加固中，應(yīng)當(dāng)考慮到加固之后整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生何等轉(zhuǎn)變。在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)加固案例時(shí)，應(yīng)對(duì)橋梁的總體進(jìn)行綜合淺析，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能不被破壞。
2. 設(shè)計(jì)案例的優(yōu)化原則。在確定加固案例之前，要通過優(yōu)化原則來加以斷定。這其中應(yīng)該盡量滿足工程的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，考慮加固施工的特點(diǎn)和加固技術(shù)的水平，在加固案例的設(shè)計(jì)和施工組織上采取恰當(dāng)?shù)氖侄危瑴p少對(duì)外界環(huán)境和局部構(gòu)件的影響，盡可能地縮短工期。在確定橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)案例之前，應(yīng)該對(duì)已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查和可靠性淺析，在掌握已有結(jié)構(gòu)的性能、構(gòu)造以及缺陷等資料的同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力情況與持力水平進(jìn)行淺析，為之后確定加固設(shè)計(jì)案例奠定基礎(chǔ)。
3. 最大化利用的原則。在路橋梁結(jié)構(gòu)加固時(shí)，應(yīng)盡可能地降低對(duì)原橋梁結(jié)構(gòu)的損壞，以保證原有結(jié)構(gòu)的利用性能不被破壞；對(duì)于那些已有的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，在經(jīng)過結(jié)構(gòu)檢測(cè)與可靠性鑒定的淺析之后，對(duì)其結(jié)構(gòu)構(gòu)造與承載性能有了全面了解的基礎(chǔ)之上，應(yīng)該盡量地保留并利用[1]。
四.橋梁加固方法
1.面鋪裝加固法。橋面鋪裝加固法主要包括局部修復(fù)鑿補(bǔ)法、重新澆筑混凝土面板加固法和橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法。局部修復(fù)鑿補(bǔ)法是對(duì)鋪裝層出現(xiàn)的碎裂、脫落、洞穴等進(jìn)行局部修復(fù)的方法，這里要注意的是：修復(fù)前要先進(jìn)行鑿毛，而且鑿毛要使骨料露出，然后再用水泥混凝土修補(bǔ)經(jīng)潤(rùn)濕的孔，涂刷上粘結(jié)材料以加強(qiáng)新舊混凝土間的粘結(jié)性；重新澆筑混凝土面板加固法適合無法修補(bǔ)的橋面板，其方法是將原有的行車道鋪裝全部拆除，采取重新澆筑混凝土面板進(jìn)行加固；橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法不但能達(dá)到修補(bǔ)的效果，還能增強(qiáng)梁板的抗彎能力，提升其承載力，其具體方法是在舊有橋面上重新加鋪一層混凝土或鋼筋混凝土補(bǔ)強(qiáng)層。
2. 加大截面法。加大截面加固法又稱外包混凝土加固法，它是在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受壓區(qū)加混凝土現(xiàn)澆層，增大原混凝土構(gòu)件截面面積，以而提升構(gòu)件正截面抗彎，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的，我們可以通過加厚橋面板或者加大主梁梁肋的高度和寬度來實(shí)現(xiàn)。其施工工藝比較簡(jiǎn)單，適應(yīng)性比較強(qiáng)，施工手法成熟，能顯著提升橋梁剛度，能取得比較好的加固效果，能廣泛對(duì)一般建筑的梁、板、柱、墻等混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。但是這種方法也有著一些缺點(diǎn)，如施工的濕作業(yè)時(shí)間比較長(zhǎng)，加固之后的建筑物凈空有一定減少，且嵌入的鋼筋銹蝕和混凝土劣化的危險(xiǎn)性很大。
3. 碳纖維加固法。碳纖維加固法，全稱為粘貼纖維增強(qiáng)塑料加固法，它是通過采取專門的樹脂將碳纖維粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)受拉表面，碳纖維與原結(jié)構(gòu)形成新的受力整體，使它和被加固截面一同抗拉，以而使結(jié)構(gòu)達(dá)到了加固和補(bǔ)強(qiáng)效果。碳纖維片材技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)滿足要求。
這種方法幾乎不會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重與截面尺寸，也不會(huì)轉(zhuǎn)變凈空高度，施工比較方便，對(duì)原始的道路橋梁結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)造成新的損傷，具有良好的耐腐蝕性、耐久性和抗疲勞性能，根據(jù)受力淺析可以進(jìn)行多層粘貼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，其方向性也可以靈活掌握，比如說高強(qiáng)高效，可以大幅度地提升混凝土結(jié)構(gòu)的延性與承載性能，由此適用范圍非常之廣[2]。
4. 粘鋼加固法。所謂的粘鋼加固方法，就是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足的區(qū)段表面粘貼一定數(shù)目的鋼板。這種方法適用于各種大、中、小型的橋梁加固，能夠很好地保護(hù)原混凝土構(gòu)件，而且在案例設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算方面都非常之簡(jiǎn)單。但實(shí)施歷程中，由于鋼板重量過大，操作上比較復(fù)雜，而且固化劑在結(jié)硬以后脆性較強(qiáng)，難以保證其粘結(jié)的耐久性，此外，鋼板和膠體界面還有著一些潛在的銹蝕。
5. 錨噴技術(shù)。隨著施噴機(jī)具的進(jìn)展和速凝劑的利用，現(xiàn)代技術(shù)獎(jiǎng)噴射鹼與鋼筋網(wǎng)、錨桿配合利用，逐漸改善錨噴技術(shù)的。它可以盡量不利用側(cè)向模板，而且其運(yùn)輸、澆注、搗固合并為一道工序、占地面積小且設(shè)備簡(jiǎn)單、施工機(jī)械化程度高、效率高、節(jié)省勞動(dòng)力，在實(shí)施歷程中可以不中斷交通。
6. 外部預(yù)應(yīng)力加固法。這種方法也叫反彎矩法，主要是借助于“預(yù)應(yīng)力”作用完成的一種加固方式。通過在構(gòu)件外對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉，不但能夠增加主筋，提升構(gòu)件的截面強(qiáng)度，還能減少橋墩底部沉降的幅度，可以說是一種十分積極的加固手段，對(duì)受拉區(qū)施加預(yù)加壓力，可以抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載、防止裂縫的作用，延長(zhǎng)了橋結(jié)構(gòu)的利用壽命。
五．案例分析
某橋梁下部結(jié)構(gòu)擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)維修加固措施3]。
1.工程概述。
該橋梁總長(zhǎng)583m，上部結(jié)構(gòu)采用30m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力T梁和16m鋼筋混凝土空心板。上部結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)。0號(hào)-7號(hào)墩臺(tái)范圍橋梁為主橋，跨越主河道， 跨徑組成為（330+430）m 的T梁組成，其余跨均為16m鋼筋混凝土空心板引橋。0號(hào)主橋臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)肋板式橋臺(tái)，1號(hào)-2號(hào)橋墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)雙柱墩，其余主橋墩采用雙柱式墩柱嵌巖樁，主橋墩柱直徑均為1.5m，引橋橋臺(tái)采用三柱式樁柱橋臺(tái)，引橋橋墩均采用雙柱式樁柱橋墩，引橋墩柱直徑均為1.2m。
2. 0號(hào)-6號(hào)墩臺(tái)基礎(chǔ)病害。
該橋于1997年建成通車，由于河道大量采砂，河床下降嚴(yán)重，0號(hào)-6號(hào)墩臺(tái)范圍為跨越主河床跨，目前橋位處河床地面相比橋梁竣工時(shí)高程平均下降3m左右，最深處達(dá)4m。其中尤以1號(hào)墩、2號(hào)墩的擴(kuò)大基礎(chǔ)病害嚴(yán)重。下面逐一敘述分析0號(hào)-6號(hào)墩臺(tái)基礎(chǔ)病害。
?。?）0號(hào)橋臺(tái)基礎(chǔ)病害。0號(hào)臺(tái)為肋板式橋臺(tái)，檢查發(fā)現(xiàn)橋臺(tái)已無護(hù)坡防護(hù)橋臺(tái)，橋臺(tái)覆土被大量沖刷，擴(kuò)大基礎(chǔ)外露，基礎(chǔ)局部脫空，地層巖基面基本裸露。分析護(hù)坡破壞原因有二點(diǎn)：一是多年洪水沖刷護(hù)坡?lián)p毀所致；二是橋臺(tái)處公路排水溝排出雨水常年沖刷橋墩臺(tái)護(hù)坡，導(dǎo)致傾斜巖基外露。護(hù)坡?lián)p壞降低了橋臺(tái)穩(wěn)定性，加快基礎(chǔ)底部巖基穩(wěn)定性和強(qiáng)度。
?。?）1號(hào)-2號(hào)橋墩基礎(chǔ)病害。1號(hào)-2號(hào)墩下部結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大基礎(chǔ)雙柱式橋墩，檢查發(fā)現(xiàn)柱側(cè)存在施工時(shí)留下的沉井未拆除，沉井底部比擴(kuò)基底部高程稍高。1號(hào)橋墩擴(kuò)大基礎(chǔ)底部有懸空現(xiàn)象，底部持力層呈倒梯形。1號(hào)墩靠近岸側(cè)基礎(chǔ)下部落在基巖上，靠近河心側(cè)基礎(chǔ)下部沒有完全落在基巖上，基礎(chǔ)下部局部為砂土。2號(hào)橋墩基礎(chǔ)處于河水中，但水上河心側(cè)沉井出現(xiàn)明顯的傾斜，該處側(cè)墻混凝土出現(xiàn)較寬開裂現(xiàn)象。目前1號(hào)墩和2號(hào)墩立柱還未出現(xiàn)明顯傾斜現(xiàn)象。
基礎(chǔ)沖刷原因：一是河道采砂嚴(yán)重，導(dǎo)致河床沖刷下降所致；另一原因?yàn)楣放潘疁狭魉苯記_擊1號(hào)墩柱基礎(chǔ)附近土層，導(dǎo)致1號(hào)墩基礎(chǔ)底部沖刷尤為嚴(yán)重。
擴(kuò)大基礎(chǔ)底部呈倒梯形原因：施工期間沉井下沉?xí)r岸側(cè)先接觸基巖，而另一側(cè)沉井基巖線較深，此時(shí)沉井改側(cè)未達(dá)到基巖，僅在砂土層，而沉井岸側(cè)受巖基阻礙已不能下沉，于是施工單位便在沉井中澆筑擴(kuò)大基礎(chǔ)，造成部分基礎(chǔ)沒有落在基巖上，由于擴(kuò)大基礎(chǔ)上部尺寸比下部尺寸大，基礎(chǔ)下部土體被沖刷掏空后，基礎(chǔ)底部就呈現(xiàn)場(chǎng)看到的倒梯形形狀。
沉井出現(xiàn)傾斜開裂可能原因：在洪水沖刷下，河床不斷降低，造成沉井下部支承土體被掏空，造成沉井側(cè)翻，不均勻沉降受力，局部出現(xiàn)開裂，并不斷傾斜。
從沉井傾斜、基礎(chǔ)脫空、地質(zhì)鉆探結(jié)果分析，擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井底部未完全接觸傾斜基巖面。土層沖刷后，造成沉井傾斜，擴(kuò)基懸空，造成擴(kuò)大基礎(chǔ)有效傳力面積減少，穩(wěn)定性降低。
?。?）3號(hào)-6號(hào)橋墩基礎(chǔ)病害。3號(hào)-6號(hào)墩為樁柱式橋墩，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)3號(hào)-6號(hào)墩基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重。該處地面沖刷平均深度達(dá)4m。原設(shè)計(jì)樁基嵌巖2m，經(jīng)計(jì)算樁基各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)安全系數(shù)較小，特別是樁側(cè)土壓應(yīng)力已超標(biāo)。
3. 實(shí)施維修加固方法
根據(jù)0號(hào)-6號(hào)墩結(jié)構(gòu)、病害以及鉆探資料，結(jié)合專家組意見，對(duì)各墩臺(tái)進(jìn)行不同方法的維修加固處理。對(duì)0號(hào)臺(tái)基礎(chǔ)主要進(jìn)行矩形擋土墻防護(hù)，并設(shè)置排水溝引流。對(duì)1號(hào)-2號(hào)墩基礎(chǔ)主要進(jìn)行封閉方體箱形嵌巖護(hù)墻防護(hù)，對(duì)墻內(nèi)土體進(jìn)行壓漿，為減小施工對(duì)基礎(chǔ)擾動(dòng)，保留原沉井，對(duì)2#墩傾斜沉井基礎(chǔ)以上部分進(jìn)行切除。對(duì)3號(hào)-6號(hào)墩樁基礎(chǔ)采取兩種方法：一是利用橢圓形封閉箱形嵌巖護(hù)墻防護(hù)樁基免于沖刷，二是新增加承臺(tái)和鉆孔樁基分擔(dān)原有基礎(chǔ)荷載。
?。?）.0號(hào)橋臺(tái)基礎(chǔ)維修加固措施。0號(hào)臺(tái)主要采取護(hù)坡防護(hù)，為排水溝預(yù)留空間兼造價(jià)考慮，在外露橋臺(tái)基礎(chǔ)水平距離外緣1.5m處做C30混凝土擋土墻，擋土墻截面為矩形（主要考慮基巖面不平，矩形狀易于施工），平面繞橋臺(tái)成矩形進(jìn)行布置，護(hù)坡基礎(chǔ)嵌巖深度不小于2m。后在擋土墻上做混凝土護(hù)坡，坡度為1:1。同時(shí)對(duì)公路排水溝進(jìn)行整治，防止流水侵蝕護(hù)坡，在護(hù)坡邊做排水溝。
（2）. 1號(hào)-2號(hào)橋墩基礎(chǔ)加固措施。1號(hào)墩—2號(hào)墩主要采取防護(hù)兼加固方法，利用新嵌入基巖護(hù)墻對(duì)擴(kuò)大基礎(chǔ)進(jìn)行防護(hù)。步驟是：簽于擴(kuò)基底部已出現(xiàn)脫空，施工前首先采用采用片石混凝土壓實(shí)基礎(chǔ)脫空部分，用鋼板樁圍堰對(duì)擴(kuò)大基礎(chǔ)進(jìn)行施工期間臨時(shí)支護(hù)。然后對(duì)基礎(chǔ)與板樁圍堰所圍砂土進(jìn)行雙液壓漿，灌實(shí)基礎(chǔ)下緣土體。做好基礎(chǔ)施工期間支護(hù)后，在護(hù)墻外側(cè)區(qū)域做護(hù)墻施工砂袋圍堰，護(hù)墻基巖面清理好后指定位置采用12.7cm地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔基巖2m，嵌入鋼管混凝土灌注樁，同時(shí)保證護(hù)墻根部嵌巖0.2m，立模綁扎護(hù)墻鋼筋、澆筑混凝土后，澆注混凝土，使護(hù)墻與鋼管混凝土樁成為整體?；靥罨A(chǔ)周圍覆土后完成擴(kuò)大基礎(chǔ)維修處理。
（3）. 3號(hào)-6號(hào)橋墩基礎(chǔ)加固措施。原橋樁基設(shè)計(jì)嵌巖深度2m，基礎(chǔ)承載能力滿足規(guī)范。但由于沖刷較為嚴(yán)重，安全系數(shù)較低。為保證橋梁持續(xù)正常使用對(duì)樁基進(jìn)行維修加固處理，加固措施有兩條：
a. 利用新增樁基進(jìn)行加固。沿3號(hào)-6號(hào)墩系梁上緣位置向下增設(shè)2.4m高承臺(tái)，新增承臺(tái)與樁基、系梁接觸面植筋。為增加立柱向承臺(tái)傳遞荷載途徑，在承臺(tái)上緣沿原柱周新增1.5m高圓柱，在界面處植筋。由于新增高樁承臺(tái)對(duì)河道泄洪能力影響較大，因此承臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)盡量小型化、線條平順化。承臺(tái)下新設(shè)計(jì)四根樁基支撐承臺(tái)，新增設(shè)樁基嵌巖4m，樁徑1.2m。新增樁基以及與原有樁基中距不小于樁徑2倍。
該方法可以較大程度提高下部基礎(chǔ)承載能力，但需要對(duì)原有樁柱進(jìn)行較多量的植筋，對(duì)原結(jié)構(gòu)有一定損傷，造價(jià)較高，樁基施工需要操作空間較大，施工不方便。
b. 新增護(hù)墻防沖刷。由于樁基承載能力有一定安全度，可在樁四周直接做施工用砂袋圍堰，在指定位置采用12.7cm地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔入基巖2m，嵌入鋼管混凝土樁，同時(shí)保證護(hù)墻根部嵌巖0.2m，立模綁扎混凝土護(hù)墻鋼筋、澆筑混凝土，使護(hù)墻與鋼管混凝土樁成為整體。在護(hù)墻內(nèi)外回填覆土后完成樁基礎(chǔ)防護(hù)處理。
該方法可以永久防護(hù)樁基免于沖刷，并較少對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷和擾動(dòng)，但對(duì)基礎(chǔ)承載能力增加有限。施工中3號(hào)-6號(hào)橋墩基礎(chǔ)維修最后采取第二種維修加固方法。
六．結(jié)束語
橋梁結(jié)構(gòu)損害是多種因素共同作用的結(jié)果，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，要根據(jù)損害特點(diǎn)、構(gòu)成原因及損害的程度，選擇合適的加固方法，確保橋梁安全。
