高速公路桥梁养护技术探讨

高速公路桥梁养护技术探讨

      摘 要: 结合高速公路养护管理实践,通过理论研究和汉荆高速公路桥梁改造加固施工,从桥梁的检查、评价及养护等技术环节作了详细的研究,并将其应用于桥梁改造加固的工程实际中,获得了较好的应用效果,希望该技术在公路桥梁养护工作中能推广应用。
      1 桥梁结构衰减趋势
      桥梁结构同任何建筑结构一样,都有一定的设计使用寿命,符合自然衰减的规律。认识和掌握这一自然规律对桥梁养护有着重要意义。桥梁结构承受各种自然环境因素的影响,如混凝土碳化、钢筋锈 蚀、预应力损失、墩台冲刷,以及承受各种非自然因素的人为破坏,如意外损伤,车辆超载等,使桥梁结构性能衰减呈不可逆性。桥梁一旦建成通车,其结 构性能会随时间而不断衰减,若不加强养护,定期检测,适时采取措施加固维修、提载升级,则其结构性能衰减趋势将更甚。图1反映了桥梁结构性能随时间的衰减趋势。

                 图1 桥梁结构性能衰减趋势图 

      2 桥梁检查
      2.1 桥梁养护的一般程序
      我国桥梁养护工作的一般程序如图2所示。养护工作的主要内容除了一般性维护、清扫外,最重要的工作就是桥况养护检评,根据桥况检评情况确定一般性养护内容。小修保养纳入一般性养护工作,全年养护经费定额包干。桥梁大中修工程必须提交桥况检评报告,编制养护预算,纳入年度公路桥梁大中修计划。桥梁重大加固和提载升级工程,则必须经荷载试验,专题研究,编制工程预算,施工招标投标实施。

                         图2 桥梁养护一般程序图

      2.2 桥况检查分类
      我国公路桥梁养护规范规定桥况检查一般分为月检、季检、年检和专门检查,现分述如下:(1)月检是由养护工区技术工人,按照公路桥梁养护规范规定的内容,对公路路况和桥况进行的经常性检查。检查以月检为主。(2)季检是由养护工区的技术人员,配备简易的仪器对桥况进行的一般性检查。(3)年检是由公路经营管理单位工程部组织,配备专门的仪器设备,对桥况进行的基本检查,此项工作甚至每半年进行一次。(4)专门检查是由邀请公路桥梁专家和专业桥梁检测机构进行的检查,一般是根据公路养护部门上报的桥况检评报告或大中修或升级改造加固维修计划后进行的一项专门检查,或是在地震、洪水、超载、撞击或重大灾害之后进行的检查。

     2.3 桥况检查内容
      (1)资料收集 在进行桥况检查前,检测工程师和技术人员必须尽可能收集,该桥的设计文件、施工 文件、竣工文件和养护档案,尽可能多的了解该桥的现状。当缺乏资料时,应向设计、施工、验收、养护当事人了解有关的设计、施工和养护资料(包括车辆通行资料)。
      (2)结构尺寸检测 采用测定仪器和钢尺等对桥梁实际结构尺寸如断面尺寸、跨径、标高、轴线等进行直接测量和丈量,对此设计资料,确定符合程度。
      (3)结构性能检测 结构性能检测主要是对混凝土强度、钢筋强度等性能的检测,该桥测一般在专门检查中实施,可采用回弹仪、超声波脉冲法,甚至钻芯取样检测混凝土强度。对钢筋强度的检测可采用保护层测定仪,甚至凿开保护层进行应力应变检测。
      (4)结构缺陷检测 结构缺陷检测包括:①混凝土外观质量检查,如空洞、蜂窝度面、层理、剥落、变酥、隆起、露筋、锈蚀等;②结构裂缝情况及发展;③结构变形情况,如沉降、冲刷、轴线变位等,以及其他结构缺陷。
      将以上桥梁资料的收集与桥况的检查资料建立数据库文件,形成桥梁健康档案。
      3 桥况评价
      3.1 检查分析评价
      用检查和分析计算相结合的方法对桥梁进行评定,这是我国目前对桥况评价采用的主要方法。检查分析评价主要包括:(1)用实际截面尺寸计算截面的承载力;(2)从截面承载力中扣除恒载内力;(3)计算活载内力;(4)以第(2)项差值除以第(3)项即得鉴 定系数。
      桥梁结构承载能力验算结果以鉴定系数K表示:

式中,Rd(fcd・fsd・s)为按桥梁实际截面尺寸及配筋 和实测材料强度计算的结构抗力;SdG(rq・G)为按桥梁实际截面尺寸计算的恒载效应组合设计值;SdG(rq・G)为按拟提高荷载设计标准计算的活载效应组合设计值。
      3.2 荷载试验评价
      这是通过现场试验对桥梁结构进行评价的方法。根据荷载作用的性质,可分为静载试验和动载试验。根据试验的目的荷载试验可分为结构行为试验、应力历程试验、诊断试验、验证试验和破坏试验。与桥梁养护相关的主要是后几种荷载试验。如果按荷载等级划分可分为标准荷载试验(达到设计规定的动力系数或荷载增大系数)、重荷载试验(最大荷 载大于标准荷载)和轻荷载试验(最大荷载小于标准荷载但不小于0.5倍标准荷载)。现根据荷载作用性质分述如下:
      (1)静载试验 静载试验检测的主要内容主要有以下几点:①结构控制截面最大应力应变;②结构的挠度和扭转角度;③支座和结构连接部位的变位;④沉降和墩台位移、转角;⑤结构的稳定性;⑥裂缝观测等。
      静载试验效率
                     ηq=Sst/[s・(1+h)]        (2)
式中,Sst为试验荷载作用下被检测部位内力或变形计算值;S为标准设计荷载作用下,被检测部位的内 力或变形的计算值;h为荷载冲击系数。 
      当0.8≥ηq>0.5时为轻荷载试验。
      当1≥ηq>0.8时为标准荷载试验。
      当ηq>1.0时为重荷载试验。
      (2)动载试验 动载试验主要用于检测桥梁荷 载动力特性、测定桥梁结构的振动频率和阻尼特性、测定桥梁结构的动力响应,包括动应力应变和动力系数,以及构件的疲劳性能等。
      动荷载试验效率    ηd=Sd/S        (3)
式中,Sd为动荷载作用下控制截面最大计算内力 值;当动荷载试验频率ηd接近1时,不同车速下实测值可用于结构强度及稳定性检算。
      3.3 桥梁缺陷评价
      桥梁缺陷评价主要是通过裂缝评价,裂缝是桥梁的通病,我国《公路桥涵设计规范》对裂缝限值作了明确规定,如表1所示。

式中,C1为与钢筋类型有关的系数;光面钢筋C1=1.4,螺纹钢筋C1=1.0。C2为与荷载类型有关的系数,短期静荷载C2=1.0,长期荷载C2=1+0.5(No/N),No为长期荷载内力,N为全部荷载内力;C3为与构件形成有关的系数;板C3=1.15,有腹板的受弯构件C3=1.0;d为钢筋直径(mm),当设有不同直径的钢筋时d=4Ag/S,Ag为钢筋面积,S为钢筋总周长。H为含筋率,H>0.02时取0.02,H<0.006时取0.006;δg为钢筋应力(MPa);Eg为钢筋弹性模量(MPa)。
我国《公路桥涵设计规范》对运营桥梁技术状况 评定制定了一个定性标准,见表2。

      4 桥梁养护
      4.1 养护方案
      (1)根据桥梁养护检查作出的桥梁技术状况的 评价,制定桥梁养护方案:一类正常保养;二类小修; 三类大中修或加固维修;四类通过专门检查甚至荷载试验确定升级或者改建方案。
      (2)根据裂缝检查确定桥梁养护方案,凡裂缝超过表1桥梁裂缝限者一览表时,必须进行加固处理,但有时裂缝宽度虽在允许范围内,但存在下列情况之一的:①裂缝发展较快,6个月增大0.1mm以上;②裂缝数量显著增加;③除裂缝外,还存在有其它严重缺陷,以上均需进行加固处理。
      (3)根据检查和分析计算相结合的方法评价所确定的鉴定系数制定桥梁养护方案。
      当K≥1时说明桥梁承载力符合设计要求,正常保养;当0.9<K<1时,可进行桥面处理加固桥梁;当K=0.7～0.8时,可采用加筋或粘钢板或其它改变结构体系方法加固桥梁;当K=0.6～0.7时,可采用体外预应力和碳纤维加固组合方案加固桥梁。
      4.2 桥梁加固
      桥梁大中修和升级改造都属于桥梁加固范畴,加固是桥梁养护的最重要的工作内容。

 
                                      图3 桥梁加固方法

      首先,确定以下几点桥梁加固原则:①经济性原 则要求桥梁加固费用比新建费用节省至少一半以上的建设投资时,应优先考虑加固方案;②桥梁加固要求足以延长桥梁设计年限的1/5～1/3使用寿命,③桥梁加固过程中不中断交通或尽量减少中断交通; ④加固技术可靠、耐久、养护方便,对已发现的缺陷 要一次性加固好,不留后患,对原有结构的损伤尽可能减至最低。
      其次,确定以下几种常用的桥梁加固方法,供确定桥梁加固方案时参考应用。即①增大截面惯性矩法;②粘贴法;③预应力法;④改变体系法;⑤回顶法;⑥综合法等如图3所示。
      5 工程实例
      通过上述理论研究,先后将其应用于如下3座实桥加固,效果不错:
      (1)通顺河大桥加固 通顺河大桥原设计荷载为汽—20,挂—120,经验算仍满足原设计要求,但因桥面铺装白改黑增加恒载,故需升级加固。加固方案采用粘8mm厚钢材,梁端附件粘u型钢材板箍,厚4mm,桥面改铺CF30#,钢纤维钢筋防水混凝土,增设型钢横向联系。加固后混凝土压应力δg=8.98<Ra=17.5MPa,钢筋应力δg=186.7<Rg=240MPa,挠度f=18.6<L/600=37mm,裂缝为0.1mm<0.25mm,满足公路—I级荷载要求。
      (2)某小桥加固 营运13余年,挠度38.8mm,超过L/600=37mm限制,裂缝为0.3mm,超过0.25mm限值,故需加固。加固方法:对I型梁底粘6mm钢板,用型钢加固横向联系。加固效果:承载力由原2780kN・m增至4000kN・m,挠度减至21.5mm,裂缝经树脂砂浆处理后,未新出现裂缝, 荷载等级升至汽车—超20级。
      6 结 语
      结合高速公路养护管理实践,通过大量调研和理论研究并将其应用于实桥升级改造的工程实际中,获得了较好的应用效果,希望成果在公路桥梁养护工作中能推广应用。