1、前言

　　隨著歲月的流逝，任何一座“新”建的橋梁經(jīng)過若干年大自然的侵蝕和使用，終將成為一座“舊”橋；橋梁的加固與維修同重建新橋相比具有更高的經(jīng)濟效益，對橋梁的加固以及如何提高其承載力問題的研究試驗與推廣，已經(jīng)引起世界性的關(guān)注。橋梁的加固利用和改造是一個永久性的技術(shù)課題，已成為橋梁工程建設(shè)中既古老、又年輕的新興學科，是一項既綜合繁雜，又在不斷發(fā)展創(chuàng)新、逐步完善的技術(shù)；也是橋梁建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　近年來，橋梁加固工程越來越多，但目前橋梁加固的設(shè)計計算理論還不夠成熟和完善，至今未有專門的橋梁加固規(guī)范。

　　2、橋梁加固常用方法和計算理論

　　2.1改變受力體系加固法

　　2.1.1改變受力體系加固機理

　　改變結(jié)構(gòu)的受力體系能大幅度減小計算彎矩，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，達到加強原結(jié)構(gòu)的目的。包括在梁的中間部位增設(shè)支點，增設(shè)托梁(架)，拆除墩柱(簡稱托梁拔柱)，將多跨簡支梁變?yōu)檫B續(xù)梁等方法。

　　如當有大件車輛通過橋梁時，為避免短期的過載給橋梁造成永久的損傷，可用增設(shè)支點的方法加固。

　　按增設(shè)支點的支撐剛度，改變受力體系可分為剛性支點和彈性支點兩種；按支撐時的受力情況，可分為預(yù)應(yīng)力支撐和非預(yù)應(yīng)力支撐。所謂剛性支點，是指增設(shè)的支撐件剛度較大，以致被加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的新支點在外荷載的作用下，豎向位移小到可以忽略；有時盡管新支座由較大的豎向位移，但由于在外荷載作用下，原結(jié)構(gòu)支座也同樣有變位，新舊支座的相對位移很小，這種新支點也屬于剛性支點。所謂預(yù)應(yīng)力撐桿，是指在施工時，對支撐桿件施加預(yù)壓應(yīng)力，使其對被加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加預(yù)頂力，它不僅可保證支撐桿件良好的參加工作，而且調(diào)節(jié)被加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力。

　　2.1.2改變受力體系加固計算

　　改變受力體系加固法的一般計算步驟如下：

　　(1)計算并繪制加固時原構(gòu)件在剩余的那部分荷載作用下的內(nèi)力圖；

　　(2)若施加預(yù)頂力，根據(jù)所設(shè)時的加固后的內(nèi)力圖，確定預(yù)頂力的大小，按原結(jié)構(gòu)的計算繪制在支點預(yù)頂力作用下梁的內(nèi)力圖；

　　(3)按加固后的計算簡圖，計算并繪制在新增荷載及加固時卸除荷載作用下的內(nèi)力圖；

　　(4)將上述三項內(nèi)力迭加，繪制梁各截面的內(nèi)力包絡(luò)圖；

　　(5)計算梁各截面的實際承載力，并繪制梁的材料圖；

　　(6)調(diào)節(jié)預(yù)頂力值，使梁的內(nèi)力圖小于梁的材料圖；

　　(7)根據(jù)支點的最大支承反力，設(shè)計支撐構(gòu)件，其多為軸心受力構(gòu)件，可按鋼筋混凝土規(guī)范與鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進行設(shè)計；

　　(8)計算預(yù)應(yīng)力撐桿的頂撐控制量。

　　當用縱向壓縮法對預(yù)應(yīng)力撐桿系統(tǒng)施加預(yù)升力時，其預(yù)升量

　　ΔL=Lε+a(2-1)

　　式中,L—撐桿長度；εa—撐桿端部與被加固構(gòu)件混凝土間的壓縮量,可取2～4mm�！獡螚U在預(yù)應(yīng)力作用下引起的應(yīng)變；

　　2.2增大截面加固法

　　2.2.1增大截面加固機理及適用范圍

　　增大截面加固法通常稱為外包混凝土加固法,它是增大構(gòu)件的截面和配筋率,用以提高構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，也可用來修補裂縫等，梁式橋和拱式橋等橋梁均可采用該方法加固。

　　根據(jù)被加固構(gòu)件的受力特點和加固目的要求、構(gòu)件部位與尺寸、施工方便等可設(shè)計為單側(cè)、雙側(cè)或三側(cè)加固,以及四周外包加固。根據(jù)不同的加固目的和要求,又可分為加大截面為主加固和加配鋼筋為主加固,或者兩者同時采用的加固。加大截面為主的加固,為了保證補加的混凝土正常工作,亦需適當配置構(gòu)造鋼筋。加配鋼筋為主的加固,為了保證配筋的正常工作,需按鋼筋的間距和保護層等構(gòu)造要求決定適當增大截面尺寸。加固中應(yīng)將新舊鋼筋焊接,或用錨桿聯(lián)結(jié)補強鋼筋和原構(gòu)件,同時將舊混凝土表面鑿毛清洗干凈,確保新舊混凝土良好結(jié)合。

　　增大截面加固法使用普通混凝土,強度等級不低于C20,當加固層較薄,鋼筋較密時,可用細石子混凝土,在條件許可的情況下亦可采用鋼纖維混凝土加固,配置的鋼材除普通混凝土外還可采用型鋼和鋼板等。

　　增大截面加固法的缺點是現(xiàn)場濕作業(yè)工作量大,養(yǎng)護期較長,并對結(jié)構(gòu)外觀和凈空有一定的影響。

　　2.2.2增大截面加固計算

　　采用增大截面加固橋梁,其承載力計算受到原構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變的影響,不能簡單地作為整體截面用有關(guān)公式計算。在加固計算中,首先應(yīng)確定加固前構(gòu)件的實際應(yīng)力應(yīng)變水平,并考慮新混凝土與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的程度,然后進行合理的計算。

　　2.2.2.1受彎構(gòu)件加固計算要點

　　受彎構(gòu)件外包混凝土加固設(shè)計,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的實際情況,分別采用受壓區(qū)或受拉區(qū)兩種不同的加固形式。

　　(1)受壓區(qū)外包混凝土加固

　　一般用剛架拱、桁架拱等拱橋的斜腿、斜撐或弦桿的加固。采用受壓區(qū)加固的受彎構(gòu)件,其承載力、抗裂度、鋼筋應(yīng)力、裂縫寬度及變形計算和演算可按現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10-89)中關(guān)于疊合構(gòu)件的規(guī)定進行。

　　實驗研究表明,在相同彎矩作用下,二次受力疊合梁的受拉筋應(yīng)力、撓度和曲率都比相同截面和配筋的一次受力整澆梁的相應(yīng)值大得多。其次,二次受力疊合梁在第一次受力時是由疊合前的原混凝土承受壓力。而在二次受力時,主要由后澆混凝土承受壓力。這使后澆混凝土受壓應(yīng)變比相應(yīng)整澆梁小,因此,加固計算必須考慮疊合梁二次受力的特點進行較復(fù)雜的計算。

　　(2)受拉區(qū)外包混凝土加固

　　受拉區(qū)外包混凝土加固方法,一般用于梁式橋跨中部位、拱式橋的拱頂?shù)酌婧凸澳_頂面等受拉區(qū)。

　　對于在受拉區(qū)采用外包混凝土,增加鋼筋加固的受彎構(gòu)件,其截面受力可按規(guī)范中一般受彎構(gòu)件的規(guī)定計算。但應(yīng)考慮以下不同點:

　�、傩录硬糠殖休d力應(yīng)乘以共同工作系數(shù)ψ進行折減,對于正彎矩截面受彎構(gòu)件ψ=0.9;對于斜截面受剪構(gòu)件ψ=0.7～0.9；

　�、诩庸探Y(jié)構(gòu)截面受壓區(qū)高度與一般受彎構(gòu)件是不同的；

　　③當新加鋼筋與原鋼筋相距較遠時,受拉區(qū)混凝土可能會出現(xiàn)較大裂縫,應(yīng)采取適當措施,滿足使用要求。

　　2.2.2.2偏心受壓構(gòu)件加固計算要點

　　當用外包混凝土法加固鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件時,應(yīng)按整體截面以現(xiàn)行國家標準中有關(guān)公式進行其正截面承載力計算。其中,新增混凝土和縱向鋼筋的強度設(shè)計值應(yīng)按下列規(guī)定予以折減。

　　(1)受壓區(qū)新增混凝土和縱向鋼筋的抗壓強度設(shè)計值乘以0.9的系數(shù)；

　　(2)受拉區(qū)新增縱向鋼筋的抗拉強度設(shè)計值乘以0.9的系數(shù)。

　　2.2.2.3增大截面加固加固計算

　　在澆筑疊合層之前，構(gòu)件上作用有彎矩M1，截面上的應(yīng)力如圖b所示，稱為第一階段受力。待疊合層中。

　　的混凝土達到設(shè)計強度后，構(gòu)件進入整體工作階段，新增荷載在構(gòu)件上產(chǎn)生的彎矩為M2，由疊合構(gòu)件的全高h承擔，截面應(yīng)力如圖c，稱為第二階段受力，在總彎矩Mz=M1+M2的作用下，截面應(yīng)力如圖d所示。

　　2.3碳纖維布加固法

　　2.3.1碳纖維布加固機理

　　工程材料的進步及新材料的出現(xiàn)歷來是土木結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的先驅(qū)和動力。碳纖維材料的出現(xiàn)和成功應(yīng)用于土木工程的加固和補強上，使土木工程加固技術(shù)研究更上一個臺階。碳纖維是一種新型材料,因其質(zhì)輕、耐腐蝕、片材很薄、抗拉強度高而被廣泛應(yīng)用。碳纖維布(片)加固法亦被視為梁式橋加固補強、提高承載能力,尤其是當高度受限制時的首選加固方法,其施工工藝也很簡單。

　　2.3.2碳纖維布加固法受力分析與設(shè)計計算

　　2.3.2.1加固受力特點分析

　　(1)與傳統(tǒng)的其它加固方法相比，采用碳纖維布加固橋梁能最小程度的改變原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，保證在設(shè)計荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力；

　　(2)將抗拉性能優(yōu)良的碳纖維布用粘結(jié)材料粘貼到梁體底面或箱梁內(nèi)壁上，使其與原結(jié)構(gòu)一起參與受力，即碳纖維布可以與原結(jié)構(gòu)內(nèi)布置的鋼筋共同承受拉力，以提高橋梁的承載能力；

　　(3)沿橋梁的主拉應(yīng)力方向(或與裂縫正交方向)粘貼碳纖維布，兩端分別設(shè)置錨固端；據(jù)此可約束混凝土表面裂縫、防止裂縫再擴展，從而達到提高構(gòu)件抗彎剛度、減少構(gòu)件撓度、改善梁體受力狀態(tài)的目的；

　　(4)目前可用于橋梁結(jié)構(gòu)加固用的碳纖維布、單向碳纖維交織布、雙向碳纖維交織布及單向碳纖維層壓材料等，可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位和受力特點與方向等，選擇相應(yīng)的碳纖維布進行加固；

　　(5)碳纖維布加固混凝土構(gòu)件，在提高其受彎承載力的同時還可能影響受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)。當碳纖維布用量過多時，構(gòu)件的破壞形態(tài)將由碳纖維被拉斷引起的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷�土被突然壓碎破壞。與此同時，由于碳纖維為完全彈性材料，它與鋼筋的共同工作會減弱鋼筋塑性性能對構(gòu)件延性的影響。碳纖維布用量過多，構(gòu)件的延性將有所降低。因此，碳纖維布用于鋼筋混凝土梁式橋加固補強時，應(yīng)根據(jù)實際情況合理使用；

　　(6)由于碳纖維布加固后在最后破壞時的突然性(拉斷或剝離等脆性破壞)，其承載力極限狀態(tài)不能按普通鋼筋混凝土的定義，一般應(yīng)按碳纖維抗拉強度的2/3進行抗彎承載力計算；

　　(7)試驗研究證實，碳纖維布能夠提高混凝土梁抗剪承載力，其作用機理與箍筋類似，同時還能明顯改善構(gòu)件的變形性能，增強構(gòu)件的變形能力；

　　(8)碳纖維布與混凝土基層界面，可分為兩個界面區(qū)，即混凝土層與粘結(jié)樹脂界面區(qū)、粘結(jié)樹脂與碳纖維布界面區(qū)。粘結(jié)性能的本質(zhì)是接觸面間的相互作用，宏觀上表現(xiàn)為液態(tài)聚合物浸潤表面后形成的機械鎖結(jié)，微觀上表現(xiàn)為分子擴散后相互纏結(jié)作用，或化學鍵作用，或靜電吸引作用，或其復(fù)合作用。

　　2.3.2.2碳纖維布加固計算要點

　　(1)采用碳纖維布加固橋梁，目前一般的計算方法是將碳纖維布按照一定的標準(例如強度或容許應(yīng)力)近似換算成一定用量的鋼筋，然后按照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型進行理論分析。雖然是近似計算方法，但理論分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得很好，因此在一般情況下是適用的。

　　(2)碳纖維布加固用量，可按式(2-3)估算。

　　Acf=As(Ry/Rcf)(2-3)

　　式中，Acf——碳纖維布用量(面積)；As——為抵抗不足彎矩所需的鋼筋面積；Ry——鋼筋的抗拉設(shè)計強度；

　　Rcf——碳纖維布抗拉設(shè)計強度。

　　(3)除按上式估算的碳纖維布加固用量(面積)外，還必須考慮必要的錨固長度和搭接長度所需面積，以及必要的邊、角廢料等裁減損耗等。

　　2.3.2.3碳纖維布加固橋梁特點

　　(1)不增加恒載及斷面尺寸

　　碳纖維布的自重僅為200～300g/m2，設(shè)計厚度為0.111～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂系列的粘結(jié)材料的自重也很輕，對整個結(jié)構(gòu)重量及橋下凈空的影響很小，可忽略不計。同時，碳纖維布可以多層粘結(jié)。根據(jù)加固的要求，碳纖維布可以在一個部位重疊粘貼，充分滿足加固的要求。這一優(yōu)點是傳統(tǒng)加固補強方式所難以比擬的。

　　(2)可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型很方便

　　斜、彎、坡及異型結(jié)構(gòu)的補強，采用傳統(tǒng)的方法，施工難度大。采用碳纖維布補強法，因碳纖維布的隨型性極強的特點，可以隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工，從而降低施工難度，減少施工成本，縮短施工工期，產(chǎn)生極大的社會及經(jīng)濟效益。

　　(3)施工簡便

　　特別是當箱梁內(nèi)部的作業(yè)空間受到限制時，碳纖維布加固法是可選擇的一種方法。該法工藝簡便，無需大型設(shè)備、模板、夾具及支撐，操作起來簡單易行，因而施工所需工作面小，在作業(yè)空間受限制時，該優(yōu)點是其它加固方法無法比擬的。

　　(4)采用碳纖維布加固補強，對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷

　　碳纖維布加固補強系采用環(huán)氧樹脂系列的粘結(jié)材料進行粘貼，不需要設(shè)置錨固螺栓及開鑿混凝土等，因而不會對已經(jīng)損傷的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的破壞，更可避免鉆孔時與結(jié)構(gòu)內(nèi)原有鋼筋和預(yù)應(yīng)力索發(fā)生沖突而引起新的問題。

　　(5)能有效地封閉混凝土的裂縫

　　碳纖維布(片)粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，其高強高模量的特性還約束了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和擴展，改變了裂縫的形態(tài)，使寬而深的裂縫變成分散的細微的裂縫，從而提高了混凝土構(gòu)件的整體剛度。

　　(6)碳纖維布(片)具有良好的耐化學腐蝕性

　　碳纖維布(片)一種復(fù)合材料，幾乎無腐蝕性和磁性，具有良好的耐熱性，不僅能經(jīng)得起水泥堿性的侵蝕，而且當應(yīng)用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時，其壽命也較長。因而碳纖維布加固法，在不利環(huán)境下較其它方法更顯出其優(yōu)越性。

　　(7)不影響結(jié)構(gòu)的外觀

　　碳纖維布(片)的厚度很薄，粘貼固化后其表面還可以涂刷一層與原結(jié)構(gòu)外觀顏色一致的涂料，而不影響結(jié)構(gòu)的外觀。

　　2.4粘貼鋼板加固法

　　2.4.1粘貼鋼板法加固機理

　　貼鋼法加固橋梁一般采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板、鋼筋或玻璃鋼等抗拉強度較高的材料粘貼在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件表面，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體，從而取得提高構(gòu)件的抗彎能力，以及減少裂縫擴展的效果。該加固方法具有施工簡便，粘鋼所占空間小，不減少橋梁凈空，加固施工周期短，消耗材料少，粘鋼加固部位、范圍與強度可視設(shè)計構(gòu)造需要靈活設(shè)置，并可在不影響或少影響交通的情況下施工。所以，貼鋼法是常用的加固方法。

　　2.4.2粘貼鋼板法計算理論

　　2.4.2.1受彎構(gòu)件的計算

　　受彎構(gòu)件截面強度不足時在受拉區(qū)加固，可采取在受拉區(qū)表面粘貼鋼板的方法，如圖3。此時，按截面受彎承載力計算，可按照現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定進行，其受壓區(qū)高度和截面受彎承載力。

　　式中，fy0—原結(jié)構(gòu)縱向鋼筋抗拉強度設(shè)計值；As0—原結(jié)構(gòu)縱向受拉鋼筋截面面積；fay—加固鋼板抗拉強度設(shè)計值；Aa—加固鋼板截面面積；—原結(jié)構(gòu)縱向受壓鋼筋抗拉強度設(shè)計值；A’so—原結(jié)構(gòu)縱向受壓鋼筋截面面積；fcm0—原結(jié)構(gòu)混凝土彎曲抗壓強度設(shè)計值；X—混凝土受壓區(qū)高度；b0—原構(gòu)件的寬度；h0—原構(gòu)件的有效高度；—原構(gòu)件的受壓區(qū)保護層厚度；0.9—考慮加固鋼板的應(yīng)力滯后、以及撕脫力影響等強度折減系數(shù)。

　　2.4.2.2鋼板錨固長度計算

　　(1)受拉鋼板在其加固點外的錨固粘結(jié)長度L1,按式(2-6)確定。

　　L1≥2fayta/fcv(2-6)

　　式中，Ta—受拉加固鋼板厚度;fcv—被粘混凝土抗剪強度設(shè)計值。

　　公式中數(shù)值2為錨固區(qū)剪應(yīng)力分布不均勻系數(shù),近似按三角形考慮。

　　(2)若鋼板粘結(jié)長度無法滿足上述要求,可在鋼板的端部錨固區(qū)粘結(jié)U型箍板，

　　此時，錨固區(qū)的長度應(yīng)滿足下列規(guī)定：

　　當fvb1≤2fcvLu時

　　f≤0.5f(2-7)cvb1L1+0.7nfvbbb1ayAa

　　當fvb1>2fcvLu時

　　fayAa≤(0.5b1L1+nbuLu)fcv(2-8)

　　式中，n—每端箍板數(shù)量;bu—箍板寬度;Lu—箍板單肢的梁側(cè)混凝土的粘結(jié)長度;fv—鋼與鋼粘結(jié)抗剪強度設(shè)計值。

　　2.4.2.3斜截面粘結(jié)鋼板加固計算

　　當構(gòu)件斜截面受剪承載力不足時,按下圖所示方法粘結(jié)并聯(lián)U型箍板進行加固。

　　如圖5，此時斜截面受剪承載力

　　V≤Vo+2fayAalLu/S(2-9)

　　同時，必須滿足以下條件：

　　L≥(2-10)1.5u/S

　　式中，V—斜截面剪力設(shè)計值;V0—原構(gòu)件斜截面受剪承載力設(shè)計值;Aal—單肢箍板截面面積;S—箍板軸線間距。

　　2.5錨噴混凝土加固法

　　2.5.1錨噴混凝土的定義

　　“錨噴混凝土”實際上由兩部分組成，首先是將錨桿錨入擬補強部位結(jié)構(gòu)內(nèi)，掛設(shè)補強鋼筋網(wǎng)，然后再噴射一定厚度的混凝土，形成與原來結(jié)構(gòu)共同承受外載作用的組合結(jié)構(gòu)。所以，錨噴混凝土是借助噴射機械，利用壓縮空氣將新混凝土混合料，通過管道高速噴射到已錨固好鋼筋網(wǎng)的受噴面上，待其凝結(jié)硬化形成一種鋼筋混凝土。

　　錨噴混凝土不需振搗，而是在高速噴射時，由水泥與骨料的反復(fù)連續(xù)撞擊而使混凝土壓密，同時又可采用較小的水灰比(常為0.4～0.45)，使其與混凝土、磚石、鋼材產(chǎn)生較高的粘結(jié)強度，所以新舊混凝土結(jié)合面上能夠傳遞拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。

　　2.5.2錨噴混凝土加固機理

　　錨噴混凝土加固橋梁的方法是“新奧法”隧道施工法在橋梁加固中的應(yīng)用，其加固橋梁的原理就是通過新增加混凝土與受力鋼筋和原結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，組成“錨噴混凝土(內(nèi)含補強鋼筋網(wǎng))—錨桿—原結(jié)構(gòu)”的整體組合結(jié)構(gòu)。通過錨噴加固層與原結(jié)構(gòu)緊密粘結(jié)在一起，既阻止了原結(jié)構(gòu)由于裂縫等原因造成的局部應(yīng)力集中病害，又恢復(fù)了原結(jié)構(gòu)變形的協(xié)調(diào)性，使其能夠承受更大的外荷載。

　　2.5.3錨噴混凝土加固設(shè)計原則

　　根據(jù)加固原理，錨噴混凝土加固橋梁實際上仍是加大構(gòu)件截面加固法。所以，加固設(shè)計原則仍按加大構(gòu)件截面的方法進行內(nèi)力計算。其設(shè)計原則為：

　　(1)恒載內(nèi)力(包括新噴射的混凝土)按原構(gòu)件的截面模量進行計算，即新噴的混凝土恒載仍作用于原構(gòu)件上；

　　(2)活載內(nèi)力用加大后的組合體截面模量計算內(nèi)力，即新舊混凝土作為一個整體計算，對不同的混凝土標號和新增的補強鋼筋按其彈性模量進行截面換算；

　　(3)仍按彈性理論進行計算；

　　(4)強度驗算按照噴射截面占原截面的比率，考慮是否按組合截面進行有關(guān)驗算；

　　(5)進行加固設(shè)計前，應(yīng)弄清橋梁的原始情況以及病害原因，對橋梁的基本承載能力作出評價；

　　(6)采用的噴射混凝土與鋼筋的強度等級，不應(yīng)低于原結(jié)構(gòu)的強度等級。對于結(jié)合截面處兩種不同強度等級的混凝土共同作用時，應(yīng)以較低強度等級作為計算標準來進行換算。