公路旧桥的加固与管理

　　摘要：随着我国社会经济和交通运输事业的快速发展，过去年代修建于各地城镇和各级公路上的桥梁，负担着十分沉重的交通荷载及繁重的交通量。由于历史的种种原因，如建桥当时的资金紧缺，设计荷载及泄洪标准偏低，技术力量的缺乏，设计、施工管理的粗放，设计、施工技术水平较低和设备、手段、材料的落后，以致在设计上或多或少存在考虑不周的缺点，施工也留下大小不同的缺陷。根据近年对超限运输桥梁及大中型桥梁的加固实践，下面介绍公路旧桥各组成部分的加固方法，并对桥梁的管理提出建议。
　　关键词：旧桥 加固
　　管理前言：随着我国社会经济和交通运输事业的快速发展，过去年代修建于各地城镇和各级公路上的桥梁，负担着十分沉重的交通荷载及繁重的交通量。当时社会发展较缓，缺乏前瞻和预见，桥梁投入运营使用之后，运营管理的长期滞后，管养制度建设和队伍建设长期被忽视，管养费用被挤占、挪用，运营车辆长期普遍超载和严重超载未得遏制，桥梁的技术状态未得到及时、细致的观测掌握。在寒冬酷暑、暴雨烈日、洪水冲刷、车船撞击的多年影响下，使得为数众多的农用、公路及城市桥梁，发生了各种大大小小的病害，如桥面破损、栏杆断裂、伸缩缝损坏、桥头跳车、梁板或拱体裂缝、砼剥落、钢筋钢索锈蚀、钢结构裂纹锈烂、墩台断裂位移、挡墙倾斜错位、锥坡下挫坍塌、墩台基底冲空、桥头路基冲塌、河床护底冲翻以及河道被冲刷严重变迁而危及桥头路基等，已经破坏了桥梁的正常良好状态。这种不良状态，除将大大缩短桥梁的使用寿命之外，有的已经威胁着过往人车的安全而成为危桥，成了政府、管理部门和人民群众关注、耽心的大事。
　　这些桥梁具有荷载等级低、使用年限长的特点。从技术资料分析，大多数桥梁是三不知：1不知基底地质；2不知基础深度；3不知隐蔽部分的尺寸。从桥梁技术状况分析，由于河床屡遭洪水冲刷，河床底部加深，桥梁墩台基础外露、冲空，产生不均匀沉降，导致桥台、拱圈产生附加应力而出现开裂，有的甚至出现开合现象；有的桥梁由于桥台较高，受行车及台后土压力的作用，桥台出现开裂、凸肚等病害；桥面混凝土铺装层由于使用时间长加之重车作用，导致开裂、剥落等病害。按桥梁技术状况来评定大多属三类桥梁。
　　随着国民经济的发展和重点工程的建设，目前公路桥梁所承受的负荷有3个特点：1交通量不断增大；2重型车辆增加及超载现象严重；3超限运输的出现和增加。按现在桥梁和运输状况，桥梁的承载能力和通过的车辆荷载是公路与运输的矛盾之一。
　　旧桥加固，提高旧桥的承载能力，确保交通运输的安全是目前和今后面临的任务。自1989年以来，我单位多次完成超限运输旧桥加固及大中型危桥的维修加固监理工作，在公路旧桥加固和管理方面取得一些经验，本文按桥梁的组成部分介绍桥梁的加固方法。
　　1、旧桥上部结构加固技术
　　1.1、桥面补强层加固法
　　在梁顶上加铺一层钢筋混凝土层，一般先凿除旧桥面，使其与原有主梁形成整体，达到增大主梁有效高度、改善桥梁荷载横向分布能力，从而达到提高桥梁的承载能力的目的。
　　1.2、增大截面和配筋加固法当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时，通常采用增大构件截面、增大配筋、提高配筋率的加固方法，这种方法是在梁底面或侧面加大尺寸、增配主筋、提高梁的有效高度和抗弯强度，从而提高桥梁的承载力。该法广泛应用于桥梁及拱桥及拱桥拱肋的加固。
　　1.3、锚喷砼加固法借助高速喷射机械，将新砼混合料连续的喷射到已锚固好钢筋网的受喷面上，凝结硬化面形成钢筋混凝土，从而增大桥梁的受力断面和补强钢筋，加强结构的整体性，使其能承受更大的外荷载作用。
　　1.4、粘贴钢板加固法当交通量增加，主梁出现承载力不足或出现严重腐蚀的情况时，梁板桥的主梁会出现严重的横向裂缝。采用粘结剂及锚栓，将钢板粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位，使其与结构形成整体，以钢板代替增设的补强钢筋，达到提高梁的承载力的目的。这种加固方法的特点是：
　　1.4.1、需要破坏被加固的原结构尺寸；
　　1.4.2、工工艺简单，施工质量较容易控制；
　　1.4.3、施工工期短。
　　1.5、增设纵梁加固法在墩台地基安全性能好，并具有足够承载力的情况下，可采用增设承载力高和刚度大的新纵梁，新梁与旧梁相连接，共同受力。由于荷载在新增主梁后的桥梁结构中重新分布，使原有梁中所受荷载得以减少，由此使加固后的桥梁承载力和刚度得到提高。当增设的纵梁位于主梁的一侧或者两侧时，则兼有加宽作用。
　　为保证新旧砼能够共同作用，必须注意做好新旧梁之间的横向连接。
　　1.6、拱圈增设套拱加固法在原主拱圈腹面下增设一层新拱圈，即紧贴原拱圈底面上，浇注或锚喷混凝土新拱圈，外形上就像是在原拱圈下套做了一个新拱圈。
　　2、旧桥下部结构加固技术
　　2.1、扩大基础加固法
　　此法适用于基础承载力不足或埋深太浅，而墩台又是砖石或砼刚性实体式基础时的情况。扩大基础底面积应由地基强度验算确定。
　　2.2、增补桩基加固法当桥梁墩台基底下有软卧层时，墩台发生沉陷；对此采用增补桩基加固法是一种常用而且有效的方法。这种方法是：在桩式基础的周围补加钻孔桩等，以此提高基础的承载力，增强基础的稳定性。
　　2.3、钢筋砼套箍或护套加固法当桥梁墩台由于基础埋深不够，或因施工质量控制不严等原因，导致墩台开裂时，有时会出现贯通裂缝，可采用钢筋砼围带或钢箍进行加固。
　　2.4、桥台新建辅助挡土墙加固法由于桥台台背水平土压力过大，引起桥台倾斜，应在台背之后加建一挡墙，以抵御过大的土压力。
　　2.5、墩台拓宽加固法利用旧桥基础，靠墩台盖梁挑出悬臂加宽部分，以便安装的上部结构。此种情况为只加宽墩台上部的盖梁、墩台身和基础则不需予以加固。
　　3、旧桥加固的常用方法
　　3.1、塞缝灌浆是一种综合普用的方法。
　　塞缝灌浆是把按一定比例配制的水泥（砂）浆、环氧树脂（砂）浆，通过喷浆机按一定压力灌入结构物缝隙内，起到填塞裂缝、避免钢筋锈蚀并提高结构整体强度的作用。裂缝在桥梁病害中较为普遍，产生裂缝的原因很多，也很复杂。结构物一旦出现裂缝，其受力截面发生应力重分布，也就意味着受力有效截面变小，结构应力增大，承载能力降低。塞缝灌浆是用胶结材料把结构的裂缝填满，使力的作用、传递尽可能恢复到原来状态。塞缝灌浆一般用于处理桥梁上、下部结构裂缝，灌浆分为水泥浆、水泥砂浆、环氧树脂浆、环氧树脂砂浆等，具体采用哪一种，应视实际情况而定。通常水泥（砂）浆用于石砌墩、台和拱圈裂缝，由裂缝的大小来决定灌浆中是否掺砂，采用水泥（砂）浆造价低、效果好。环氧树脂浆一般用于钢筋混凝土结构物，因为钢筋混凝土构件产生的裂缝较小，易灌满，粘结性好；环氧树脂砂浆多用于桥面裂缝。塞缝灌浆的通常做法是：先用1∶1水泥砂浆勾缝，勾缝时须预留直径约6～8mm的灌浆孔，孔距视裂缝宽度而定，缝宽处孔距为0.6～1.0m，缝小处孔距为0.4～0.6m.待勾缝砂浆达到一定强度后即可灌浆。钢筋混凝土梁的裂缝较小，用环氧树脂勾缝，凡大于0.2mm的裂缝都要留孔灌浆，孔距一般为0.25～0.30m，灌浆方法与灌水泥浆大致相同。在公路旧桥加固中，塞缝灌浆是综合处治的方法之一，用得比较普遍，通过试载及使用观察，效果较好。
　　3.2、上部结构加固上部结构加固改建在调查研究旧桥的基础上，经过技术、经济比较，采用充分利用原桥进行拼宽，利用桥台将拱式结构改为板式结构的加固方法，使其满足超限运输要求。
　　3.2.1、拼宽原桥对验算不能满足超限运输要求的旧桥，经技术经济比较后，按实际通过的超限运输荷载设计拼宽桥梁，以确保超限运输安全。
　　如三那线K186+325处的龙亩沟桥为一孔石拱桥。右边部分于1940年修建，净跨9.2m，宽6.4m；左边部分于1966年拼宽修建，净跨8.0m，宽2.5m.经验算左边部分能够满足超重车通行，加固方案为在左边紧靠1966年修建的石拱桥拼宽3.4m，使其共同受力，供超限车辆通过。设计应考虑与原桥协调，则拼宽部分的桥台高度、跨径、矢跨比等均与1966年拼宽的石拱桥相同，荷载按超重车考虑。
　　3.2.2、利用原桥台改拱式结构为板式结构对于小跨径石拱桥，由于拱圈厚度不能满足超限运输要求或因地基较差发生不均匀沉降，致使拱圈开裂，降低承载能力，可采用此办法。
　　如三那线K206+398处瓦窑桥，为一孔5m，矢跨比为1/4的石拱桥，拱圈厚0.4m，拱上填土高度为0.2m，由于基础发生不均匀沉降，致使拱顶关门石下落1cm，两端头子石开裂。在确定加固方案时，考虑到拱上填土较薄，不能满足拱上加板的要求，因此采取拆除桥面铺装、石拱圈，并将原桥台起拱线以上部分的填土、侧墙拆除，然后加高桥台至设计标高，按超限荷载设计钢筋混凝土预制板的加固方法。如果拱上填土高度能满足加钢筋混凝土板的要求，可不拆除石拱圈，钢筋混凝土预制板的板底距拱顶的净距要求不小于5cm.我们采用此方法加固了14道石拱涵。
　　采用以上两种方法加固的桥涵，通过试载及重车通行，经观察加固效果较好。
　　3.3、旧桥下部结构加固桥台特别是高度较大的桥台，受行车荷载和土压力作用，常见病害有桥台开裂、凸肚，翼墙外崩、开裂、错位等。对于跨径较小，水流不大的石拱桥，我们采用在桥跨内加钢筋混凝土框架进行加固。由于桥台太高，且位于长距离的高路堤纵坡上（桥面纵坡达5.5%），在行车和土压力的共同作用下，使两岸桥台和靠那发岸拱脚开裂。
　　3.3.1、采用钢筋混凝土框架加固桥台。
　　设计的基本假设：鉴于尚在维持正常的交通运输的桥，台背填土破坏棱体引起的主动土压力由原桥台承担，框架结构仅承受在破坏棱体范围内布置超重车所引起的主动土压力。在后来的应用中，取消了钢筋混凝土立柱，仅在桥台上凿出牛腿的位置，将横系梁、支撑梁、牛腿一起现浇成平面支撑框架，这不仅减少了工作量，而且施工方便。采用这种方法加固的桥涵，经多次实地观察，使用效果良好。
　　3.3.2、基础加固桥梁基础特别是天然地基上的浅基础。
　　由于埋置深度较浅，易受河水冲刷而淘空。受河水改道冲刷桥梁引道，导致桥台基础冲空，引道被毁。桥梁地基局部软弱，致使桥台发生不均匀沉降，引起桥台开裂等。针对以上病害，我们采取对河床用浆砌片石进行铺砌，上游河床设置丁坝，打木桩扩大桥台基础等方法进行加固。
　　3.3.2.1、防治桥台基础冲刷对于跨径较小的桥梁，由于河水改道，洪水直接冲刷桥台基础，导致基础冲空甚至掉脚，可采取在桥跨范围内满铺15号片石混凝土的方法进行加固，铺砌厚度为30cm，铺砌两端设置截水墙，截水墙的深度为1m，宽度为0.6m.对于桥梁上游河床变迁、水流改道，洪水直接冲刷桥台基础和桥台引道，导致桥台基础冲空、引道被毁的桥梁，采取在桥梁上游适当位置设置丁坝等调治构造物，将河水导入主河道。
　　3.3.2.2、扩大基础加固法：采用扩大基础进行加固，具体做法：位于三那线K153十790处的栏板桥为一孔5m石拱桥，建于1940年，桥宽6.0m，1978年用钢筋混凝土梁板在左、右两侧各拼宽3.0m，拼宽的3.0m中，一半作为行车道，另一半作为人行道。该桥三岔口岸左半部分桥台开裂，裂缝为上宽下窄，经分析此病害系地基软弱所至，经调查，此处原是深水塘，为减小基底应力，采用扩大基础进行加固，具体做法：（1）挖除桥台前的淤泥，深度与原基础高度相同；（2）在基底打入4m长的木桩，木桩按梅花型布置；（3）在木桩顶铺垫25cm厚的碎石；（4）浇筑20号混凝土基础，新旧基础间采用锚固钢筋联系，使其共同受力。
　　3.3.2.2.1、挖除桥台前的淤泥，深度与原基础高度相同；
　　3.3.2.2.2、在基底打入4m长的木桩，木桩按梅花型布置；
　　3.3.2.2.3、在木桩顶铺垫25cm厚的碎石；
　　3.3.2.2.4、浇筑20号混凝土基础，新旧基础间采用锚固钢筋联系，使其共同受力。
　　3.4、桥面铺装层的加固桥面铺装层开裂或剥离等病害， 纵观有限元计算结果分析可知，在铺装层结构厚度一定的情况下，铺装层的模量比对铺装层的受力状态影响很大。
　　3.4.1、重视桥面铺装上层的设计和选材。
　　如果沿用传统的路用沥青混凝土的材料设计方法，铺装上层总是处于不利的受力状态，承受着较大的反复拉应力，往往在桥面板的加劲部件（直腹板、横隔板）的顶部产生开裂，导致铺装上层出现早期破坏，这也与实际桥面铺装层的损坏情况基本吻合，重视桥面铺装上层的设计和选材使其具有良好的变形能力以抵抗疲劳开裂，对预防铺装层的早期损坏具有重要的意义。所以，对于桥面铺装体系来说，需要采用性能更加优良的复合改性沥青，根据铺装上、下层的不同功能和受力状态研究选择合理的沥青混合料组成，并进一步解决铺装层与桥面板的粘结稳定性等问题。
　　3.4.2、材料、结构和施工这三个要素中，材料是最为活跃的因素。
　　因为决定沥青混合料力学性能的原材料以及混合料的组成结构具有很大的选择性，铺装层的模量比取决于材料的组成设计。因此，在满足铺装层路用性能的前提下，为了达到减小铺装层的拉应力和剪切应力的目的，要充分发挥材料组成设计的作用，设计出能适应桥面铺装层受力特性和防水要求的嵌挤密实型沥青混合料。研究表明，在混凝土桥的铺装中使用增强纤维沥青混凝土具有较好的效果且经济，能增强铺装层沥青混凝土的柔韧性，改善铺装层的受力状态，防止桥面铺装层出现开裂、脱落等现象，最终提高桥面铺装层的使用品质和延长其使用寿命。当然，也出现了诸多改性沥青、SMA、环氧沥青混凝土、沥青玛蹄脂混合料、浇注式沥青混凝土等桥面铺装新材料和新技礼它们都具有较好的性能，但需增加设备，增加了一定的施工难度，造价比较高，一时还难以大面积惟广。若条件具备，经过经济、技术论证也可以使用于混凝土桥面铺装上。
　　3.4.3、桥面铺装层的加固施工（沥青或水泥砼）
　　首先，清除或刨洗桥梁旧铺装层。在清除过程中注意处理的、厚度等。在使用机械清除时，尤其注意不得损坏旧桥的预制梁板、伸缩缝等构造。
　　其次，认真清洗旧桥面。对已经刨洗完毕的旧桥铺装层及时外运，用人工清扫废旧料，用高压水冲洗梁板顶面，使之清洁并干燥。
　　再次，重铺新桥面：
　　水泥混凝土桥面铺装在浇筑混凝土的强度达到设计等级后，才可开放交通，其车辆荷载不得大于设计荷载。如果经监理工程师同意采用快硬水泥混凝土铺装，开放交通的时间需根据试验确定。
　　沥青混凝土桥面铺装应待摊铺的混合料完全自然冷却，其表面温度低于50℃后，方可开放交通。需要提早开放交通时，可洒水冷却降温。
　　伸缩装置安装完毕，预留槽浇筑的混凝土强度达到设计强度后，方可开放。
　　4、公路旧桥的管理
　　4.1、加强公路旧桥的管理。
　　加强公路旧桥的管理并进行维修和加固，使其处于正常的工作状态，充分发挥旧桥的作用，是公路管理部门的一项主要任务。对于旧桥的超限运输管理工作具有工期短、要求高、工程量较小、前期工作量大等特点，公路超限运输一般是为国家或省的重点建设工程服务，我们的初步经验是：
　　4.1.1、对于经常过大件的路段，应对改路段上的大小桥梁进行重点检查和管理，收集原始档案材料，掌握其动态，针对其技术和承受能力编制相应的加固处理方案，需要报批的及时按程序报批；
　　4.1.2、在施工中针对其技术严格按照业主已批准的加固方案进行施工，注意抓重点、制约工程；
　　4.1.3、重视加固工程的原始资料的收集和整理工作，为今后的加固工程积累经验；
　　4.1.4、充分调动基层单位的积极性，正确处理责、权、利的关系。
　　公路旧桥的维修加固同样属于桥梁工程，不能重建轻养，旧桥的加固比新建还难，因为旧桥的维修加固，没有现成的规范，更没有可供使用的标准图，桥梁的病害又错综复杂，病害原因难以确定。因此，应充分重视公路旧桥的管理工作，加大资金投入，使其保持良好的工作状态，确保公路运输的安全。
　　4.2、旧桥加固的建议目前制约旧桥加固工作的主要因素是资金问题，在养路资金紧缺的情况下，投入到旧桥加固上的资金更加有限，现在的作法是省公路局将大中型桥梁作为计划单列，而从我单位的实际情况看，小桥的数量约占桥梁总数的90%，且小桥的病害也比较严重，对小桥的维修、加固需要投入大量的资金，为此建议采用以下办法逐步解决。
　　4.2.1、省公路局应加大对大中型桥梁加固资金的投入，并将属于危桥的小桥纳入这个范围，集中资金重点解决危桥的加固；
　　4.2.2、对于桥梁的小修保养，应纳入公路小修保养议标中，特别是实行养路工程费制后，可将各段管养的桥梁编入小修保养工程量清单内，对站（所）不能承担的项目，可安排段工程队施工，总段加强检查和考核。
　　结束语：几十年来，几代土木工程专家学人，在铁路、城建、公路系统从事着桥梁、水文、建筑和其它土木工程的养护维修、科研、试验、检定、大修加固、施工、设计以及建设管理工作，已积累了丰富的实践经验。希望桥梁工程的同行们，对为数众多的病桥、危桥有所分析和研究，并实施加固设计和施工，对辛勤为人们工作的桥梁，如医生之对于各种病人，实行“救死扶伤”，让中国传统文化中的有德之物——桥梁，健康地继续为人们工作和造福。
　　参考文献
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　　[2]湛润水，等编著。公路旧桥加固技术与实例［M］。
　　[3]王灿，等。双曲拱桥病害原因分析及处理对策的研究［J］。公路
　　[4]《桥梁工程》教材
　　[5]《基础工程》教材