桥梁加固机理及加固准则

桥梁是确保公路畅通的咽喉，而其承载能力和通行能力，更是沟通全线的关键。历史上，从1879年的苏格兰“泰依大桥” 事故到1994年的韩国“圣水大桥” 事件，直到1999年的中国綦江“虹桥事件”，沉痛的教训告诫人们，车辆的安全行驶必须以桥梁足够的承载力作为保障。

当今世界范围内，无论是发达国家还是发展中国家，均有较大一部分桥梁因结构损伤。材料老化等原因而发生承载力不足问题，有待加固增强。美国自1978年至1981年共用4年时间对全国公路桥作了调查，迄至1981年的统计，美国全国公路桥约566,000座。调查报告中叙述了514,000座桥的现状，这些桥梁中有40%以上(超过20,000座)都有不同程度的损坏；98,000座桥梁结构强度降低，应停止或只能限载通行；102,000座桥梁车行遭太窄，桥下净空不够或承载力不足。

在日本，随着汽车工业的发展，汽车日益大型化、重型化，交通量逐年增加，给现有公路桥梁造成了越来越大的压力，按旧有标准修建的桥梁，其承载力深感不足。联邦德国的公路桥梁调查表明，桥龄在30-50年的桥梁，有13%的桥梁上部构造至少有一处中等损伤，在我国现有桥梁中，除按1972年交通部颁布的《公路工程技术标准(试行)》和1982年以来按部颁《公路工程技术标准》(JIJ1—81)设计建造的桥梁，尚能基本满足近期交通量外，在此之前，特别是50年代后期及60年代修建的一些桥梁大多发生荷载吨位不足，甚至干线公路桥梁重车无法通过的情况时有发生。在重庆市，据2000年的不完全统计，县遭以上干线目前已有100多座桥梁承载力不足。但是，废除这些旧桥重建新桥不但需耗巨资，而且需花时间，中断交通。因此，各国都视旧桥为宝贵财富，力图通过修复加固，予以充分利用相应，自70、80年代以来，旧桥加固技术在世界范围内已成为桥梁建设中的一项重要研究课题。

然而实践中，桥梁加固往往走入二大误区：

一是判别不了旧桥和危桥的界限，认为任何旧桥都可进行加固处理，结果加固工作进行过程中加剧了桥梁病害的发展，最终造成“财去桥垮”事故；

二是将旧桥加固模糊于新桥设计，单纯采用极限状态理论，认为截面尺寸越大越安全，结果是加固效果适得其反。因此，剖析桥梁加固机理，遵循桥梁加固准则，把握桥梁加固程序具有积极的现实意义。

1.桥梁加固机理

1.1 加固机理及负面效应

由于桥型的多样性，桥梁病害的复杂性，决定了旧桥加固具有多样、灵活，富于实践的特点，以拱桥加固为例，实践中常用增大主拱圈截面(包括锚喷技术、主拱圈拱背现浇加固技术及套箍封闭技术)、钢板箍加固、增设新主拱圈、碳纤维加固等技术。然而，众多技术中，集技术、经济、社会效益于一体的为增大主拱圈截面技术，其在实践中也最广为采用。现以增大主拱圈截面技术为例，探讨桥梁加固机理。

1.2 实例

御临河大桥系一座15m(石板拱)+38m(石肋拱)+38m(石肋拱)+15m(石板拱)的石拱桥，于1979年建成通车。由于1989年的特大洪水和地震作用，该桥加固前存在拱轴线变形、砂浆脱落、主拱圈开裂等多处病害，经课题组充分研究，采用钢筋砼套箍封闭主拱圈技术予以加固。该桥在恒载及恒载+活载作用下原主拱圈在加固前后的边缘应力。见表1和表2所示：

从表1可看出，御临河大桥经加固整治后，由于加固后的钢筋砼套箍加强了拱肋刚度，分担了活载和人群荷载，从而使原拱肋受力更趋合理均匀化，减小了控制截面特别是拱脚截面的边缘应力，改善了该桥的受力性态。

然而，从表2结果可看出，由于新增钢筋砼套箍层重量，增加了原主拱圈承担的荷载，使得桥梁仅在恒载作用下，原主拱圈边缘应力增大。

因此，桥梁加固不同于新桥设计，认为加固截面尺寸越大越安全、越保守的观点是错误、片面的，设计中应把握好加固准则。

2.加固准则

2.1 “恒载应力” 准则

即桥梁在加固前或拟定截面加固后在恒载作用下其主拱圈应力必须控制在限值范围内。

桥梁在营运过程中，随着材料的老化、风化，承载结构裂缝的开展，截面尺寸的破损 及永久性变形的增大，往往桥梁本身在恒载作用下其承载力不能满足要求。此时桥梁管理部门应当机立断，判定桥梁为“危桥”，作重建处理。否则，将出现加固后桥梁病害加重直到垮塌的“财去桥垮”事故，或原桥加固费用巨大、经济指标不合理的不利情况。如某地区一桥梁营运多年后因恒载应力不能满足强度要求，桥梁管理部门强行加固。结果造成桥梁变形加剧，迫使炸桥重建。

另外，桥梁加固后，由于加固层增加了原主拱圈的负担，造成原主拱圈边缘应力增大。因此，还因验算桥梁在本身恒载与加固层恒载作用下原主拱圈应力是否满足强度要求。

2.2 “组合应力” 准则

在各种最不利荷载组合作用下原主拱圈边缘应力必须满足强度要求，桥梁加固的精髓在于新、老主拱圈能够协调变形，共同承担活载作用。一般而言，新增加的主拱圈层往往采用强度和弹性模量均较高的材料，而老主拱圈层由于已营运多年，出现材料强度削减，整体受力性差的情况。因此，桥梁加固中控制应力的是新、老复合主拱圈中的老主拱圈。具体地说，桥梁加固后，在最不利荷载组合作用下。新、老复合主拱圈中的老主拱圈边缘应力必须满足强度要求，即：

 α组＜αL （2）

α组--组合荷载作用下原主拱圈边缘应力值；

αL--原主拱圈应力限值。

“组合应力” 准则是桥梁加固中尺寸拟定的控制准则，只有在满足该准则前提下方可进行后续加固工作。

2.3 极限承裁力准则

在最不利荷载组合作用下，桥梁加固后其强度和稳定性均要满足要求，即：

式中，A—新老主拱圈组合截面的换算面积，其按极限强度进行换算；Nj—计算纵向力；α—纵向力偏心影响系数。按下式计算：

eo——纵向力偏心距；y——组合截面重心至偏心方向截面边缘的距离；rw—— 组合截面的回转半径；m——截面形状系数； rm——材料安全系数；ψ——纵向弯曲系数。

极限承载力准则是桥梁加固满足前两准则前提下，体现提高桥梁承载力幅度的准则，桥梁加固效果是否显著，以该准则为依据。

4.结话

当今世界，众多桥梁急待加固，桥梁加固理论也正向系统化、理论化发展。笔者在结合多项桥梁加固课题研究与实践的基础上，探讨了桥梁加固的三个准则和执行程序，旨在剖析桥梁加固机理。排除桥梁加固的种种误区，可望在实践中起到一定的借鉴作用。

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