公路桥梁加固及修复技术研究

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　　摘 要：公路桥梁工程在交通工程中占据重要地位。但是，从公路桥梁的设计、施工到使用运营的整个过程中，受多种因素的影响，公路桥梁会产生许多结构性或非结构性的损坏，这些损坏可能导致公路桥梁无法继续使用，因此，防止缺陷扩大、对公路桥梁进行修复加固，以满足其继续使用的承载力及刚度要求显得尤其重要。基于此，本文首先分析公路桥梁的常见病害及受损原因，然后探讨公路桥梁的修复技术和加固技术。
　　关键词：公路桥梁;修复技术;加固技术
　　Abstract： Highway and bridge engineering occupies an important position in traffic engineering. However， in the whole process of design， construction and operation of highway bridges， affected by many factors， highway bridges will produce many structural or non-structural damages， which may lead to the failure of highway bridges to continue to use. Therefore， it is particularly important to prevent the expansion of defects， repair and reinforcement of highway bridges to meet the requirements of the carrying capacity and stiffness for their continued use. Based on this， this paper first analysed the common diseases and damages of highway bridges， and then discussed the repair and reinforcement technology of highway bridges.
　　Keywords： highway bridge;repair technology;reinforcement technology
　　1 公路桥梁的常见病害及受损原因
　　按受损部位不同，可将公路桥梁常见受损分为两大类：桥面受损和上部结构受损。公路桥梁损伤会在路桥的不同部位造成不同的病害，主要病害有裂缝、碳化、剥蚀、损害或缺损、沉降等。桥面受损主要包括公路桥梁桥面铺装破损、栏杆和防撞护栏损伤及伸缩缝处锚固混凝土破损。第一，桥面铺装层受损主要来源于设计和施工。设计阶段除考虑对铺装下部结构的承载力计算外，还需考虑负弯矩对铺装产生拉应力的影响，否则铺装极可能在拉应力下产生裂缝导致破坏。此外，在施工阶段，要严格控制上部结构的高度，使其与设计值的差距在允许范围内，否则会因厚度影响铺装的刚度和承载力。第二，栏杆及防撞护栏损伤一般发生在使用阶段，主要包括由于大型车辆对防护栏冲击造成的撞击损坏或产品过大变形，由于雨水侵蚀导致的钢筋锈蚀和外部构件腐蚀，水分进入混凝土内部导致钢筋锈胀产生的裂缝等。第三，伸缩缝的混凝土由于直接承受车轮反复冲击，或未达到设计强度，或与背墙混凝土结合不好，或背墙混凝土质量差等原因，造成伸缩缝部位混凝土破损。
　　2 公路桥梁的一般修复技术
　　2.1 表层缺陷的修复
　　混凝土公路桥梁表层缺陷的修复技术可分为混凝土修复、水泥砂浆修复、混凝土黏结剂修复、环氧树脂、混凝土表面防腐涂装、钢筋锈蚀修复、裂缝修复。
　　混凝土修复可通过直接浇筑、喷射、压浆等方式对公路桥梁表面较大范围的破损进行修复。需要注意的是，在修复前，要对混凝土表面进行处理，主要对混凝土表面的蜂窝、空洞进行处理、凿毛，对生锈的钢筋进行除锈。
　　水泥砂浆修复主要通过人工涂抹、喷浆等方式对混凝土表面较小范围的破损进行修复。修复的水泥砂浆可以是普通水泥砂浆或专用修补材料。
　　混凝土黏结剂修复技术可分为表面涂抹修复和浇筑修复。前者主要适用于表面小面积范围的修复，如风化、浅层剥落等;后者主要对深入构件内部的缺陷进行修复。
　　利用环氧树脂主要是进行防腐修复。因为环氧树脂具有较好的抗渗性和抗腐蚀性，且能与混凝土黏结良好，是一种很好的修复材料。但这种修复技术所需成本高，工艺要求严格，不常使用[1]。
　　2.2 钢筋锈蚀的修复
　　混凝土内钢筋锈蚀会导致混凝土和钢筋脱开，甚至会引起混凝土开裂剥落，降低构件的耐久性。因此，需要对钢筋锈蚀部位进行修复，主要步骤为：剥离已损坏的表层混凝土、除锈、涂刷阻锈剂和黏结剂、喷涂或浇筑混凝土，并且需要对新浇筑的混凝土进行表面处理。
　　2.3 裂缝修复
　　公路桥梁产生的裂缝可以分为结构性裂缝和非结构性裂缝，这里主要探讨非结构性裂缝的修复方法。非结构性裂缝短期内不会影响公路桥梁的承载能力，但随着裂缝不断发展，可能会对公路桥梁的强度和耐久性造成影响，因此需要对非结构性裂缝进行修复处理。
　　公路桥梁非结构性裂缝的修复方法主要分为表面封闭修复法、表面粘贴修复法、压力灌浆修复法三类。
　　其中，表面封闭修复的常用方法有填缝法、抹灰法、喷浆法、凿槽嵌补法、加箍封闭法。填缝法：将水泥砂浆填补于清理干净后的缝隙中，常用于轻微裂缝的简单修理;抹灰法：在裂缝部位的砌块或混凝土表面涂抹水泥浆修复;喷浆法：在裂缝部位结构層上喷射密实高强的水泥砂浆;凿槽嵌补法：在裂缝处凿一条深槽，并在槽内嵌补黏结材料;加箍封闭法：在钢筋混凝土梁的主应力裂缝处，垂直裂缝方向加箍封闭裂缝。 　　表面粘贴修复法可分为粘贴玻璃布法、粘贴钢板法。粘贴玻璃布法：对于细小的裂缝，可以粘贴两层玻璃布进行修复，修复前需要对混凝土表面进行处理，并涂刷环氧基液;粘贴钢板法：先在需要粘贴钢板的混凝土表面涂刷环氧基液黏结剂，再将钢板固定并养护一定时间，最后对钢板表面进行防腐处理。
　　压力灌浆修复法依据灌入浆材不同分为水泥灌浆修复法、化学灌浆修复法两种。原理是通过施加一定的压力，将浆液灌入结构内部裂缝中，达到封闭裂缝的目的。
　　水泥灌浆法的灌浆材料有水泥砂浆、水泥黏土、石灰、石灰水泥、石灰黏土。其具体施工流程为：确定裂缝的数量、范围、钻孔位置;确定浆液数量;按设计的位置钻孔;孔径合格后清孔;最后通过孔眼将浆液灌入。
　　化学灌浆法的灌浆材料有环氧樹脂类浆液、水玻璃类浆液、丙烯酸酯类浆液、聚氨酯类浆液等。其施工流程为：检查裂缝情况，做好灌浆材料配料、埋嘴、灌浆注射等工作;确定钻孔位置;孔深、孔径合格后清孔;埋嘴;嵌缝或堵漏处理;埋嘴一天后，通过进行压水或压气试验检查裂缝封闭和孔眼畅通情况;灌浆;拆除灌浆嘴，并用环氧胶泥抹平并一层环氧树脂水泥浆。
　　3 公路桥梁常用的加固技术
　　公路桥梁加固方法和技术繁多，总体可以分为两大类，包括五种方法。第一类为被动加固法，包括增大截面加固法、粘贴钢板加固法和粘贴纤维复合材料加固法三种方法;第二类为主动加固法，包括体外预应力加固法和改变结构体系加固法。
　　3.1 被动加固法
　　3.1.1 增大截面加固法。原理：通过植筋等方法增大构件截面和配筋。分类：根据不同的加固目的和要求，可分为以增大混凝土截面为主的加固以及加配钢筋为主的加固。
　　以增大截面为主的加固即为增大受压区构件截面加固法，需要将原有桥面铺装全部凿除，然后在原有桥面系上浇筑混凝土补强层。但由于增大了桥面高度，会使公路桥梁自重增大，从而导致恒载弯矩增加较多。因此，该法适用于原桥上部结构构件承载力不足、截面面积过小，而墩台及基础较好、承载力较大及梁体净空受限的情况。
　　以加配钢筋为主的加固又称增大受拉区梁截面法。主要通过将T型梁、工字梁的下翼缘受拉区加宽加高，箱梁腹板和底板加厚等扩大梁的受拉面积，同时，在新增断面中增设普通钢筋或者预应力钢筋。适用于梁内的主要受力钢筋截面面积不足，无法满足抗弯承载力的要求，而桥下净空又受到限制、不允许过多地增加主梁高度的情况。
　　增大截面加固法的优点是施工简单、受力性能明确、加固后主梁的承载能力、刚度、稳定性明显提高，效果明显、加固费用低。但增大截面加固技术作业工作量大、养护周期长、占用空间较多、还需适当中断交通;若增大梁底尺寸，会使公路桥梁净空有所减少。因此，这种方法适用于原桥钢筋和截面尺寸偏小，下部构件承载力较好的公路桥梁。
　　3.1.2 粘贴钢板加固法。原理：采用环氧树脂系列黏结剂，将钢板直接粘贴在被加固的钢筋混凝土结构物的受拉区或抗剪薄弱部位，保证混凝土与钢板作为一个新的整体共同受力。
　　加固流程为：钢板条制作→混凝土面和钢板面处理→加压固定及卸载系统准备→胶黏剂配制→涂抹和粘贴→检验→维护。
　　3.1.3 粘贴纤维复合材料加固法。原理：通过在梁体底面或箱梁内壁粘贴纤维布，使其与公路桥梁结构布置钢筋共同承受拉力，提高公路桥梁承载能力。
　　粘贴纤维复合材料加固法中所使用的复合纤维片是一种新型建材，其具有轻质高强、耐腐蚀、抗拉强度高的优点。用于混凝土梁、板桥的加固时，提高抗弯承载能力;也可用于加固钢筋混凝土受压柱，以提高其承载力、延性、耐久性等。
　　这种方法的优点：施工工艺简便，成型方便，能适应不同构件形状，不影响结构的外观;采用的材料自重轻，因此，并不增加恒载及断面尺寸，不会对原结构产生新的损伤;该法常使用的碳纤维布（片）具有优良的耐化学腐蚀性，可以提高混凝土的抗腐蚀和碳化的能力。但是，这种加固技术受分阶段受力的影响，后加补强材料的高抗拉性能很难发挥作用，而且复合材料的造价较高，易造成得不偿失的后果。
　　3.2 主动加固法
　　3.2.1 体外预应力加固法。原理：运用预应力原理，通过在原有构件截面外增设预应力束，施加一定初始应力，预应力束通过与结构主体截面相连接的锚固与转向实体来传递预应力，从而构成预应力加固体系。
　　体外预应力加固主要分为两种体系：一是黏结体外预应力体系;二是无黏结体外预应力体系。黏结体外预应力体系的方法是将钢绞线穿入孔道管内，进行钢绞线的张拉，钢绞线张拉完成后，再将孔道内灌入水泥浆。无黏结体外预应力体系是将单根无黏结筋平行穿入孔道内，在张拉无黏结筋之前，先完成灌浆工艺，由水泥浆体将单根无黏结筋定位，然后进行无黏结筋的张拉。
　　体外预应力的优点：可以抵消部分自重应力，以达到卸载作用，从而较大幅度地提高梁的承载能力，增强公路桥梁耐久性;能有效控制结构的裂缝和挠度，使裂缝全部或部分闭合，大幅度减少挠度;所需设备简单，人力投入少，施工工期短，不影响桥下净空;在施工过程中，可以不中断交通或短时间限制交通;加固后自重增加小，对墩台及基础受力影响不大，加固费用低，经济效益明显;能够控制和调整校核体外预应力的应力，便于更换体外预应力钢筋且体外预应力变化幅度小，无疲劳问题，但其缺点也很明显。由于体外束与混凝土仅在锚固区与转向块处相连接，容易发生振动，因此，必须增加定位装置，对体外束自由长度加以限制，且体外束容易受到环境的侵蚀及火灾的影响;转向块应力集中，受力复杂，很容易出现大量裂缝，而且结构特别笨重。经体外预应力加固后，结构很可能处于超筋状态，因此，在极限状态下，可能因延性不足而没有预警;体外力筋的实际偏心较小，极限状态下的抗弯能力小于其体内有黏结力筋。
　　3.2.2 改变结构体系加固。原理：改变原公路桥梁结构受力体系，用以调整结构上内力的分布，提高公路桥梁结构整体承载能力。通过对原桥梁情况进行分析，对结构进行承载力验算，选取合适的加固方法，例如：将简支梁改为连续梁，以改变其内力分布。 　　4 公路桥梁加固设计新工法
　　传统的加固和修复方法都比较单一，优点和缺点都很明显，对于大型结构的多发病害，可以采用多种方法有机结合的方式，做到取长补短，以满足公路桥梁使用要求和承载力要求，同时又不降低其某方面的性能。
　　4.1 后增钢桁架体外预应力加固技术
　　后增鋼桁架体外预应力主要通过设置钢桁架和体外预应力筋两种方式结合来提高旧桥的承载力。这种加固方式不但可以改善公路桥梁的受力，而且能避免因为重新加固而使公路桥梁遭受新的损坏。该方法通过设置体外预应力筋减小外荷载和公路桥梁自重产生的正弯矩，抑制裂缝的发展;设置钢桁架作为横隔梁，可以增强公路桥梁间的整体性，提高主梁之间的共同工作性能。
　　其中，体外预应力可对需要加固或提高承载力的公路桥梁，在其梁底或两侧设置预应力钢筋或钢丝束。采用这种加固方式无需凿除原有的混凝土保护层，可降低由于加固而对公路桥梁造成的损伤。需要注意的是，在穿布体外预应力钢束前需要对原底板钢筋位置进行测定，防止盲目施工导致费孔。预应力束的张拉可按照《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）的相关要求执行，最后需要进行封锚和防腐处理，并设置钢束减震装置。
　　利用体外预应力加固公路桥梁可以大幅度提高旧桥的承载力，对旧桥的损伤减小，不增加公路桥梁高度，且在加固过程中可以不影响正常使用，经济效益较高[2]。
　　4.2 新增横隔板加固
　　横隔板加固主要针对公路桥梁横向联系较弱的情况，可以通过增设横隔板或钢横系梁等方式加固公路桥梁承重结构。其主要流程是：测定原钢筋位置、放样、下料、安装、防腐处理。测定原钢筋位置是为了避开主要受力钢筋，下料时也可以进行防腐和孔内处理。
　　通过增设横隔板的方式能够加强主梁之间的联系，对承受偏载和提高抗扭刚度的作用明显。但是，为保证其面内外的稳定性，还需要配置一定的受力钢筋。
　　5 结语
　　任何一座公路桥梁在使用过程中，都或多或少地存在一定程度的缺陷，而造成公路桥梁缺陷的成因有很多种。若不对缺陷加以处理，缺陷将越来越严重，最终危及公路桥梁安全。在对公路桥梁缺陷进行处理时，必须深入分析造成公路公路桥梁缺陷的具体原因，然后采取科学合理的技术手段对桥梁缺陷进行修复。此外，还要在设计、施工阶段预防缺陷的发生，认真做好建设阶段各个过程的质量控制。
　　参考文献：
　　[1]岳强.公路桥梁缺陷成因及加固修复技术研究[J].科技与企业，2013（14）：192.
　　[2]李晓波.公路桥梁缺陷成因及加固修复技术[J].科技传播，2014（4）：164，163.
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