桥梁工程设计之混凝土桥梁上部结构加固设计及案例

上部结构加固方法一、增大截面法当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不能满足时，通常采用增大截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。这种方法是增大梁底面或侧面的尺寸，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能力。该方法广泛用于梁桥及拱桥拱肋。主要有以下几种加固方式：（1）加厚桥面板加固法。即将原有桥面铺张拆除，在原桥面上浇筑钢筋混凝土补强层，以提高桥梁结构的抗弯刚度和承载力。

上部结构加固方法

一、增大截面法

当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不能满足时，通常采用增大截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。这种方法是增大梁底面或侧面的尺寸，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能力。该方法广泛用于梁桥及拱桥拱肋。主要有以下几种加固方式：

（1）加厚桥面板加固法。即将原有桥面铺张拆除，在原桥面上浇筑钢筋混凝土补强层，以提高桥梁结构的抗弯刚度和承载力。

（2）增焊主筋加固法。当梁的主筋应力超过容许范围，而又受到桥下净空限制时，可采用只增焊主筋的方法进行加固。

（3）增加梁腋法。即将梁的下翼缘加宽加高，扩大梁的断面，在新增加断面中增设主筋（如图所示）

增大截面加固法的优缺点

优点：

可以在桥下施工，简单易行，有较明显的效果。

缺点：

A、使混凝土的截面增大，结构自重增加较多；

B、现场湿工作量大，养护时间较长，抗腐蚀性差；

C、占用桥下净空大，不适用于要满足桥下有足够净空通航要求的桥；

D、在混凝土施工时，影响交通。

加固实例－番禺蕉门大桥

工程概况：

广州市番禺区蕉门大桥位于省道S257线上，为10跨16m简支T梁桥，钻孔灌注桩基础，轻型桥台。检测单位的检测报告表明，蕉门大桥主梁裂缝多且宽，需进行加固处理；6#立柱横向裂缝，需加固处理；墩台身、盖梁砼破损、网裂严重，需进行加固处理；桥面铺装、伸缩缝破损，泄水孔堵塞等应处理。

根据以上报告结论及现场勘察情况对蕉门大桥T梁、桥墩立柱采用增大截面法进行加固。加固设计简图如下：

加固设计结构分析：

加固设计结构计算分析中采用的是广州市政设计院的BRCAD5.1，通过对结构加固前后进行建模计算分析（计算模型见下图）。分析结论如下表，从表中可以看出加固前原设计满足抗弯抗剪要求，增大截面加固后，抗弯抗剪能力大大提高，挠度也大大减少，增加了安全储备。

二、体外预应力加固技术

1、加固机理

体外预应力加固法是通过梁体外布设钢拉杆或撑杆，并与被加固的梁体锚固联结，然后施加预应力，强迫后加的拉杆或撑杆受力，从而改变原结构的内力分布，并降低原结构应力水平，式结构总承载力显著提高，且可减少结构的变形、裂缝的宽度。此方法简单示意图如下：

2、技术特点及适用范围

体外预应力加固法的特点就是通过对预应力索、拉杆施加预应力，改变原结构内力分布并降低原结构的应力水平，使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除，因此，后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总体承载能力可显著提高。预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，适用于采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力状态下的大跨度桥梁加固。

3、体外预应力筋的构造

体外预应力加固法构造设计的关键是拉杆（力筋）的锚固及与构件的连接，其设计准则是锚固承载力必须大于拉杆本身的承载力。从构造形式上看，主要由以下几部分组成。

1、水平力筋（如图2-1所示）

水平力筋多由钢筋、高强螺纹粗钢筋、钢丝束或钢绞线组成。其作用是在梁底部位施加纵向预应力。从而对梁体产生反向弯矩，以抵消部分自重及活载产生的正弯矩，从而提高承载力。

2、斜筋（如图2-1所示）

斜筋亦称斜拉杆，多由高强粗钢筋或槽钢做成。其作用是为梁端附近提供负弯矩和负剪力，从而提高梁的承载力。

3、上锚固点

（1）梁顶锚固（如图2-2所示）

（2）腹板锚固（如图2-3所示）

4、滑块（板）（如图2-4所示）

5、U形承托（如图2-5所示）

6、水平筋固定座（如图2-6所示)

4、体外预应力加固法的优缺点

优点：

A、作为一种主动的加固方法效果明显，能大幅度改善原结构的受力状况；

B、自重增加很小，对墩台基础影响小；

C、对桥梁运营影响小，可在不限制交通条件下施工；

D、对桥梁损伤小,可做到不影响桥下净空不抬高路面标高；

E、可做为重车通行的临时加固手段，又可以作为提高桥梁荷载等级的永久措施。

缺点：

A、造价较高；

B、对设备、施工技术要求高；

C、由于转向装置和锚固点受到约束,行车时容易引起体外索的振动,预应力索的自由长度受到限制；

D、体外索防护耐久、防腐性能差，容易受到意外的破坏;

E、从力学特性上来讲体外预应力索与周围结构主体在同一截面上的变形是不协调的。

加固实例3－博罗石洲大桥

工程概况：

博罗石洲大桥位于惠州市博罗县园洲镇境内，是博罗进入东莞市石排镇的一座桥梁，该桥全长598.42m，跨径组合为和25m预应力砼T梁，下部结构为灌注桩基础。园洲岸为U形桥台，石排岸为双柱式桥台。该桥设计荷载为汽车-20级，挂车-100，于1991年7月26日交工验收后正式开放通车。

该桥经广东省公路工程质量监测站检测发现：该桥的主桥T构施工缝的开裂、漏水、渗白浆的现象较严重，其中牛腿第一节最严重。腹板多处出现斜裂缝，个别裂缝≥0.3mm，故建议对T构进行加固处理。

根据检测单位报告结论及现场勘察情况，采用体外预应力法加固T构箱梁；新增预应力拉杆法加固牛腿；增大截面法加固主墩以及其他方法对石洲大桥主桥部分进行加固。加固设计简图如下：

主桥加固总体示意图

主桥箱梁体外预应力加固示意图

牛腿及腹板竖向预应力加固示意图

三、粘贴钢板加固技术

1、加固机理

粘帖钢板加固法一般采用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，达到改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂逢、缺陷的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载能力的目的。

2、技术优点

具有良好的强度、刚度，结构承载力提高较大，耐疲劳效果好；为弹性材料，具有良好的延性，不会发生结构脆性破坏；对于规则构件，施工较为简便，仅增加少部分结构恒载及断面尺寸；能有效封闭混凝土裂缝及缺陷；对结构的美观影响较小。

3、技术缺点

耐潮湿及耐化学腐蚀性较差；因自重较大，粘贴时工艺较复杂，需要依赖锚固措施方可保证粘贴牢固。

4、适用范围

对于受弯构件，适用于受拉区、受压区及抗剪要求的加固；对于受压构件，适用于环向、侧向加固。

5、材料与构造要求

（1）加固所用的粘结剂必须是粘结强度高、耐久性好、具有一定弹性；

（2）加固使用的钢板，一般以3号钢或16锰钢为宜。钢板、连接螺栓及焊接的强度设计值应按现行《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定采用；

（3）粘钢加固结合面的粘结强度，除粘结剂本身强度应确保外，主要取决与被加固构件混凝土强度。因此，粘结加固基层混凝土强度等级不应低于C15；

（4）对于受压区粘钢加固，当采用梁侧粘帖时，钢板宽度不宜大于梁高的1/3；

（5）粘帖钢板在加固点外的锚固长度，除满足计算外，尚应保证一定的构造要求:对于受拉区，不得小于200t（t为钢板厚度），亦不得小于600mm；对于受压区，不得小于160t，亦不得小于480mm；同时，锚固区尚宜增设U型箍板或螺旋等附加锚固措施；

（6）为防止钢板锈蚀，延缓粘结剂的老化，钢板表面应作密封防水防腐处理。

加固实例－鱼窝头跨线桥

工程概况：

鱼窝头跨线桥位于广州市番禺区X303线南沙大道市桥通往南沙的一座跨线桥，该桥上部结构为连续箱梁，全长425.6m，桥跨组合为：25×17m。支座类型为橡胶支座（板式、盆式），下部结构为单柱式墩，钻孔灌注桩基础。设计荷载为汽－超20级、挂－120。

相关检测单位报告表明：该桥箱梁腹板、底板的裂缝较多，应尽快封闭、加固。根据报告结论及现场勘察情况对鱼窝头跨线桥箱梁及桥墩进行加固，对局部进行维修。】

加固设计主要包括以下三方面：

1、鱼窝头桥箱梁采用粘贴钢板法加固。

2、鱼窝头桥桥墩采用新增横梁法加固。

3、其它破损、裂缝采用相应的维修措施处理。

加固设计示意图如下：

连续箱梁粘贴钢板加固图

粘贴钢板加固大样图

四、粘贴碳纤维片材加固法

1、加固机理

碳纤维布加固修复技术是二十世纪八十年代开始在国际上出现的一种混凝土外部补强新技术。1981年瑞典人Meier首先采用粘贴碳纤维片材加固Ebach桥梁。这项技术在我国起步较晚，1997年开始理论研究，1998年有碳纤维加固实例。在这短短几年的时间里该项技术迅速发展，得到了较深入的研究。它是通过粘结剂使碳纤维这种质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度较高的材料与被加固部位共同受力，从而达到提高桥梁的承载力和限制裂缝宽度的目的。

2、碳纤维复合材料

碳纤维片材具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优异的物理力学性能，且施工简单便捷是旧桥加固补强的理想材料。

3、粘结材料

外贴碳纤维加固技术的成功应用主要依赖于粘结剂的性能。碳纤维布的配套树脂主要有底层树脂、找平材料、浸渍树脂三种。底层树脂的作用是通过渗透入混凝土来强化混凝土表面，提高混凝土表面的粘结性能；找平材料的作用是修补混凝土的缺陷部位以提高混凝土与碳纤维的粘结质量；浸渍树脂的作用是充分浸润碳纤维布，保证各碳纤维丝共同受力，同时保证碳纤维布与混凝土之间的共同工作。

4、碳纤维加固技术特点

(1)与其它加固方法相比，采用碳纤维布加固法不增加恒载和断面尺寸，不影响结构外观，不减小桥下净空。

(2)该法施工简便，工期短，无需大型设备，不受空间限制，且因碳纤维布的随型性极强的特点，可以适应不同构件的各种形状，成型方便。

(3)加固时碳纤维布通过环氧树脂等粘结材料与原有构件有效粘结，不需设置锚栓及凿开混凝土等，不会损伤原构件。

(4)由于碳纤维材料优异的物理力学性能，在对混凝土结构加固补强过程中可充分利用其高强度、高模量的特点来提高构件的承载力，改善其受力性能，达到高效加固的目的。

(5)碳纤维布粘贴在混凝土表面，能有效封闭混凝土表面的裂缝，并能约束混凝土结构裂缝的生成与扩展。

(6)碳纤维材料几乎无腐蚀性和磁性，并具有较好的耐热性，且其化学性质稳定，不能与酸、碱、盐等化学物质发生反应，具有良好的耐久。

(7)碳纤维布能在一个部位重叠粘贴，充分满足构件的补强要求。

5、碳纤维加固施工工艺

在碳纤维加固施工过程中，要注意下列几个方面：

(1) 被加固构件的基面应平整且具有一定强度，一般基面混凝土强度不低于C15。

(2)加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，特别是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于100 mm，且搭接端部应平整无翘曲；多层搭接的各层接口位置不应在同一截面，每层接口位置的净距宜大于200 mm。

(3)应注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性。

(4)粘贴施工应在气温高于5℃ 且为晴天时进行。

(5)施工人员应注意保护，施工现场应做好防火等安全措施。

加固实例－冼庄互通立交加固

工程概况：

冼庄互通立交主要包括主线跨线桥、匝道跨线桥和1～7#通道桥等桥梁。其中，主线跨线桥为上、下行两座分离式桥梁，上部结构采用简支预应力空心板，桥跨组合为6×21米+3×27米+21米，全长207米。下部结构采用独柱墩和钻孔灌注桩基础。每座桥面净宽11.75米，总宽26.20米。加固后荷载为汽车—超20级、挂车—120。

主要病害：

由于空心板梁简支，而人行道挑板连续浇筑，所以墩顶位置的人行道挑板底面有开裂现象。匝道跨线桥的结构比主线跨线桥复杂，在0#台处箱梁端部的横梁发现有开裂现象。

加固措施：

对裂缝进行灌浆处理，对4#墩立柱顶箱梁底板裂缝进行粘贴碳纤维布封闭处理（加固设计简图见下页）