高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)探討

高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)探討

      摘 要: 結(jié)合高速公路養(yǎng)護(hù)管理實(shí)踐,通過(guò)理論研究和漢荊高速公路橋梁改造加固施工,從橋梁的檢查、評(píng)價(jià)及養(yǎng)護(hù)等技術(shù)環(huán)節(jié)作了詳細(xì)的研究,并將其應(yīng)用于橋梁改造加固的工程實(shí)際中,獲得了較好的應(yīng)用效果,希望該技術(shù)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作中能推廣應(yīng)用。
      1 橋梁結(jié)構(gòu)衰減趨勢(shì)
      橋梁結(jié)構(gòu)同任何建筑結(jié)構(gòu)一樣,都有一定的設(shè)計(jì)使用壽命,符合自然衰減的規(guī)律。認(rèn)識(shí)和掌握這一自然規(guī)律對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)有著重要意義。橋梁結(jié)構(gòu)承受各種自然環(huán)境因素的影響,如混凝土碳化、鋼筋銹 蝕、預(yù)應(yīng)力損失、墩臺(tái)沖刷,以及承受各種非自然因素的人為破壞,如意外損傷,車(chē)輛超載等,使橋梁結(jié)構(gòu)性能衰減呈不可逆性。橋梁一旦建成通車(chē),其結(jié) 構(gòu)性能會(huì)隨時(shí)間而不斷衰減,若不加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),定期檢測(cè),適時(shí)采取措施加固維修、提載升級(jí),則其結(jié)構(gòu)性能衰減趨勢(shì)將更甚。圖1反映了橋梁結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的衰減趨勢(shì)。

                 圖1 橋梁結(jié)構(gòu)性能衰減趨勢(shì)圖 

      2 橋梁檢查
      2.1 橋梁養(yǎng)護(hù)的一般程序
      我國(guó)橋梁養(yǎng)護(hù)工作的一般程序如圖2所示。養(yǎng)護(hù)工作的主要內(nèi)容除了一般性維護(hù)、清掃外,最重要的工作就是橋況養(yǎng)護(hù)檢評(píng),根據(jù)橋況檢評(píng)情況確定一般性養(yǎng)護(hù)內(nèi)容。小修保養(yǎng)納入一般性養(yǎng)護(hù)工作,全年養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)定額包干。橋梁大中修工程必須提交橋況檢評(píng)報(bào)告,編制養(yǎng)護(hù)預(yù)算,納入年度公路橋梁大中修計(jì)劃。橋梁重大加固和提載升級(jí)工程,則必須經(jīng)荷載試驗(yàn),專(zhuān)題研究,編制工程預(yù)算,施工招標(biāo)投標(biāo)實(shí)施。

                         圖2 橋梁養(yǎng)護(hù)一般程序圖

      2.2 橋況檢查分類(lèi)
      我國(guó)公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范規(guī)定橋況檢查一般分為月檢、季檢、年檢和專(zhuān)門(mén)檢查,現(xiàn)分述如下:(1)月檢是由養(yǎng)護(hù)工區(qū)技術(shù)工人,按照公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范規(guī)定的內(nèi)容,對(duì)公路路況和橋況進(jìn)行的經(jīng)常性檢查。檢查以月檢為主。(2)季檢是由養(yǎng)護(hù)工區(qū)的技術(shù)人員,配備簡(jiǎn)易的儀器對(duì)橋況進(jìn)行的一般性檢查。(3)年檢是由公路經(jīng)營(yíng)管理單位工程部組織,配備專(zhuān)門(mén)的儀器設(shè)備,對(duì)橋況進(jìn)行的基本檢查,此項(xiàng)工作甚至每半年進(jìn)行一次。(4)專(zhuān)門(mén)檢查是由邀請(qǐng)公路橋梁專(zhuān)家和專(zhuān)業(yè)橋梁檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的檢查,一般是根據(jù)公路養(yǎng)護(hù)部門(mén)上報(bào)的橋況檢評(píng)報(bào)告或大中修或升級(jí)改造加固維修計(jì)劃后進(jìn)行的一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)檢查,或是在地震、洪水、超載、撞擊或重大災(zāi)害之后進(jìn)行的檢查。

     2.3 橋況檢查內(nèi)容
      (1)資料收集 在進(jìn)行橋況檢查前,檢測(cè)工程師和技術(shù)人員必須盡可能收集,該橋的設(shè)計(jì)文件、施工 文件、竣工文件和養(yǎng)護(hù)檔案,盡可能多的了解該橋的現(xiàn)狀。當(dāng)缺乏資料時(shí),應(yīng)向設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、養(yǎng)護(hù)當(dāng)事人了解有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)資料(包括車(chē)輛通行資料)。
      (2)結(jié)構(gòu)尺寸檢測(cè) 采用測(cè)定儀器和鋼尺等對(duì)橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸如斷面尺寸、跨徑、標(biāo)高、軸線(xiàn)等進(jìn)行直接測(cè)量和丈量,對(duì)此設(shè)計(jì)資料,確定符合程度。
      (3)結(jié)構(gòu)性能檢測(cè) 結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)主要是對(duì)混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度等性能的檢測(cè),該橋測(cè)一般在專(zhuān)門(mén)檢查中實(shí)施,可采用回彈儀、超聲波脈沖法,甚至鉆芯取樣檢測(cè)混凝土強(qiáng)度。對(duì)鋼筋強(qiáng)度的檢測(cè)可采用保護(hù)層測(cè)定儀,甚至鑿開(kāi)保護(hù)層進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)。
      (4)結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè) 結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)包括:①混凝土外觀質(zhì)量檢查,如空洞、蜂窩度面、層理、剝落、變酥、隆起、露筋、銹蝕等;②結(jié)構(gòu)裂縫情況及發(fā)展;③結(jié)構(gòu)變形情況,如沉降、沖刷、軸線(xiàn)變位等,以及其他結(jié)構(gòu)缺陷。
      將以上橋梁資料的收集與橋況的檢查資料建立數(shù)據(jù)庫(kù)文件,形成橋梁健康檔案。
      3 橋況評(píng)價(jià)
      3.1 檢查分析評(píng)價(jià)
      用檢查和分析計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)定,這是我國(guó)目前對(duì)橋況評(píng)價(jià)采用的主要方法。檢查分析評(píng)價(jià)主要包括:(1)用實(shí)際截面尺寸計(jì)算截面的承載力;(2)從截面承載力中扣除恒載內(nèi)力;(3)計(jì)算活載內(nèi)力;(4)以第(2)項(xiàng)差值除以第(3)項(xiàng)即得鑒 定系數(shù)。
      橋梁結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算結(jié)果以鑒定系數(shù)K表示:

式中,Rd(fcd?fsd?s)為按橋梁實(shí)際截面尺寸及配筋 和實(shí)測(cè)材料強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗力;SdG(rq?G)為按橋梁實(shí)際截面尺寸計(jì)算的恒載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值;SdG(rq?G)為按擬提高荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的活載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值。
      3.2 荷載試驗(yàn)評(píng)價(jià)
      這是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。根據(jù)荷載作用的性質(zhì),可分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的目的荷載試驗(yàn)可分為結(jié)構(gòu)行為試驗(yàn)、應(yīng)力歷程試驗(yàn)、診斷試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)。與橋梁養(yǎng)護(hù)相關(guān)的主要是后幾種荷載試驗(yàn)。如果按荷載等級(jí)劃分可分為標(biāo)準(zhǔn)荷載試驗(yàn)(達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的動(dòng)力系數(shù)或荷載增大系數(shù))、重荷載試驗(yàn)(最大荷 載大于標(biāo)準(zhǔn)荷載)和輕荷載試驗(yàn)(最大荷載小于標(biāo)準(zhǔn)荷載但不小于0.5倍標(biāo)準(zhǔn)荷載)?，F(xiàn)根據(jù)荷載作用性質(zhì)分述如下:
      (1)靜載試驗(yàn) 靜載試驗(yàn)檢測(cè)的主要內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn):①結(jié)構(gòu)控制截面最大應(yīng)力應(yīng)變;②結(jié)構(gòu)的撓度和扭轉(zhuǎn)角度;③支座和結(jié)構(gòu)連接部位的變位;④沉降和墩臺(tái)位移、轉(zhuǎn)角;⑤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;⑥裂縫觀測(cè)等。
      靜載試驗(yàn)效率
                     ηq=Sst/[s?(1+h)]        (2)
式中,Sst為試驗(yàn)荷載作用下被檢測(cè)部位內(nèi)力或變形計(jì)算值;S為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載作用下,被檢測(cè)部位的內(nèi) 力或變形的計(jì)算值;h為荷載沖擊系數(shù)。 
      當(dāng)0.8≥ηq>0.5時(shí)為輕荷載試驗(yàn)。
      當(dāng)1≥ηq>0.8時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)荷載試驗(yàn)。
      當(dāng)ηq>1.0時(shí)為重荷載試驗(yàn)。
      (2)動(dòng)載試驗(yàn) 動(dòng)載試驗(yàn)主要用于檢測(cè)橋梁荷 載動(dòng)力特性、測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和阻尼特性、測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),包括動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變和動(dòng)力系數(shù),以及構(gòu)件的疲勞性能等。
      動(dòng)荷載試驗(yàn)效率    ηd=Sd/S        (3)
式中,Sd為動(dòng)荷載作用下控制截面最大計(jì)算內(nèi)力 值;當(dāng)動(dòng)荷載試驗(yàn)頻率ηd接近1時(shí),不同車(chē)速下實(shí)測(cè)值可用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算。
      3.3 橋梁缺陷評(píng)價(jià)
      橋梁缺陷評(píng)價(jià)主要是通過(guò)裂縫評(píng)價(jià),裂縫是橋梁的通病,我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)裂縫限值作了明確規(guī)定,如表1所示。

式中,C1為與鋼筋類(lèi)型有關(guān)的系數(shù);光面鋼筋C1=1.4,螺紋鋼筋C1=1.0。C2為與荷載類(lèi)型有關(guān)的系數(shù),短期靜荷載C2=1.0,長(zhǎng)期荷載C2=1+0.5(No/N),No為長(zhǎng)期荷載內(nèi)力,N為全部荷載內(nèi)力;C3為與構(gòu)件形成有關(guān)的系數(shù);板C3=1.15,有腹板的受彎構(gòu)件C3=1.0;d為鋼筋直徑(mm),當(dāng)設(shè)有不同直徑的鋼筋時(shí)d=4Ag/S,Ag為鋼筋面積,S為鋼筋總周長(zhǎng)。H為含筋率,H>0.02時(shí)取0.02,H<0.006時(shí)取0.006;δg為鋼筋應(yīng)力(MPa);Eg為鋼筋彈性模量(MPa)。
我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁技術(shù)狀況 評(píng)定制定了一個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表2。

      4 橋梁養(yǎng)護(hù)
      4.1 養(yǎng)護(hù)方案
      (1)根據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)檢查作出的橋梁技術(shù)狀況的 評(píng)價(jià),制定橋梁養(yǎng)護(hù)方案:一類(lèi)正常保養(yǎng);二類(lèi)小修; 三類(lèi)大中修或加固維修;四類(lèi)通過(guò)專(zhuān)門(mén)檢查甚至荷載試驗(yàn)確定升級(jí)或者改建方案。
      (2)根據(jù)裂縫檢查確定橋梁養(yǎng)護(hù)方案,凡裂縫超過(guò)表1橋梁裂縫限者一覽表時(shí),必須進(jìn)行加固處理,但有時(shí)裂縫寬度雖在允許范圍內(nèi),但存在下列情況之一的:①裂縫發(fā)展較快,6個(gè)月增大0.1mm以上;②裂縫數(shù)量顯著增加;③除裂縫外,還存在有其它嚴(yán)重缺陷,以上均需進(jìn)行加固處理。
      (3)根據(jù)檢查和分析計(jì)算相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)所確定的鑒定系數(shù)制定橋梁養(yǎng)護(hù)方案。
      當(dāng)K≥1時(shí)說(shuō)明橋梁承載力符合設(shè)計(jì)要求,正常保養(yǎng);當(dāng)0.9<K<1時(shí),可進(jìn)行橋面處理加固橋梁;當(dāng)K=0.7～0.8時(shí),可采用加筋或粘鋼板或其它改變結(jié)構(gòu)體系方法加固橋梁;當(dāng)K=0.6～0.7時(shí),可采用體外預(yù)應(yīng)力和碳纖維加固組合方案加固橋梁。
      4.2 橋梁加固
      橋梁大中修和升級(jí)改造都屬于橋梁加固范疇,加固是橋梁養(yǎng)護(hù)的最重要的工作內(nèi)容。

 
                                      圖3 橋梁加固方法

      首先,確定以下幾點(diǎn)橋梁加固原則:①經(jīng)濟(jì)性原 則要求橋梁加固費(fèi)用比新建費(fèi)用節(jié)省至少一半以上的建設(shè)投資時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮加固方案;②橋梁加固要求足以延長(zhǎng)橋梁設(shè)計(jì)年限的1/5～1/3使用壽命,③橋梁加固過(guò)程中不中斷交通或盡量減少中斷交通; ④加固技術(shù)可靠、耐久、養(yǎng)護(hù)方便,對(duì)已發(fā)現(xiàn)的缺陷 要一次性加固好,不留后患,對(duì)原有結(jié)構(gòu)的損傷盡可能減至最低。
      其次,確定以下幾種常用的橋梁加固方法,供確定橋梁加固方案時(shí)參考應(yīng)用。即①增大截面慣性矩法;②粘貼法;③預(yù)應(yīng)力法;④改變體系法;⑤回頂法;⑥綜合法等如圖3所示。
      5 工程實(shí)例
      通過(guò)上述理論研究,先后將其應(yīng)用于如下3座實(shí)橋加固,效果不錯(cuò):
      (1)通順河大橋加固 通順河大橋原設(shè)計(jì)荷載為汽—20,掛—120,經(jīng)驗(yàn)算仍滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)要求,但因橋面鋪裝白改黑增加恒載,故需升級(jí)加固。加固方案采用粘8mm厚鋼材,梁端附件粘u型鋼材板箍,厚4mm,橋面改鋪CF30#,鋼纖維鋼筋防水混凝土,增設(shè)型鋼橫向聯(lián)系。加固后混凝土壓應(yīng)力δg=8.98<Ra=17.5MPa,鋼筋應(yīng)力δg=186.7<Rg=240MPa,撓度f(wàn)=18.6<L/600=37mm,裂縫為0.1mm<0.25mm,滿(mǎn)足公路—I級(jí)荷載要求。
      (2)某小橋加固 營(yíng)運(yùn)13余年,撓度38.8mm,超過(guò)L/600=37mm限制,裂縫為0.3mm,超過(guò)0.25mm限值,故需加固。加固方法:對(duì)I型梁底粘6mm鋼板,用型鋼加固橫向聯(lián)系。加固效果:承載力由原2780kN?m增至4000kN?m,撓度減至21.5mm,裂縫經(jīng)樹(shù)脂砂漿處理后,未新出現(xiàn)裂縫, 荷載等級(jí)升至汽車(chē)—超20級(jí)。
      6 結(jié) 語(yǔ)
      結(jié)合高速公路養(yǎng)護(hù)管理實(shí)踐,通過(guò)大量調(diào)研和理論研究并將其應(yīng)用于實(shí)橋升級(jí)改造的工程實(shí)際中,獲得了較好的應(yīng)用效果,希望成果在公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作中能推廣應(yīng)用。