（道路与铁道工程专业论文）桥梁加固技术的研究与应用.pdf

摘要 在桥梁运营时，由于频繁承载，甚至超载：再加上自然界乃至自然灾害的侵 袭，以及交通事故等人为事端的侵袭，会造成桥梁损伤或局部破坏。随着时问 的增长，桥梁的损伤种类和损伤部位会越来越多，其程度也会越来越严重。 为了保证桥梁的安全营运和尽可能延长其安全使用年限，应对桥梁进行质量 鉴定与评估。所谓鉴定评估，就是对桥的整体及其组成部分进行考察、了解、 检查、检测，经过检查分析，有时还需辅以相关试验，对其病害情况、损伤程 度、病害与损伤原因、实有承载能力、功能以及能否f 常运营等做出鉴定，给 出明确结论；同时，还应提出需采取的措施及维修加固的建议，供业主决策。 本文结合某桥的工程背景，采用现场勘查与有限元计算两种方法确定其现有实 际承载能力，并根据业主的具体要求和各加固方法i b j 的优缺点比较，提出了针 对该桥梁的加固方案。实施加固方案后，还采用了有限元计算和静力加载试验 两种方法来确定其加固后的强度，检定桥梁加固前后实际承载能力的差异，从 而判断桥梁加固技术应用的效果。 本文提及的加固工程可谓相当成功，它综合运用和改进了各种现代比较流行 的加固方法，耿长补短，不仅延长了原桥的使用寿命，同时还增强了原桥的承 载能力，适应了业主进一步发展业务的需要，相对于重建而言，节省了大量的 人力物力，还为加固改造技术提供了宝贵的研究依据。 关键词：鉴定评估，桥梁加固，静载试验，理论计算，有限元 ，a b s t r a c t i nab r i d g e ss e r v i c el i f e ，t h e r ea r em a n yc a u s e sm a k i n gd a m a g e st oi t ，s u c ha s u n d e r g o i n gh e a v yl o a df r e q u e n t l y , s o m e t i m e so v e r l o a d ，n a t u r a ld i s a s t e r sa n dt r a f f i c a c c i d e n t s a st i m eg o e sb y , t h ek i n d sa n d p a r t so fd a m a g ec u m u l a t et oa s e v e r ee x t e n t i no r d e rt oe n s u r et h es e c u r es e r v i c ea n dp r o l o n gt h es e r v i c e l i f e ，t h e a p p r a i s e m e n ta n da s s e s s m e n to fb r i d g es t a t u si sn e c e s s a r y t h ea p p r a i s e m e n ti st o o b s e r v e ，i n v e s t i g a t ea n dc h e c k u pt h ew h o l es t r u c t u r es y s t e ma n di t sc o m p o n e n t ， s o m e t i m e sw i t hc o r r e l m i v ee x p e r i m e n t s ，a st om a k ea na s s e s s m e n tof d a m a g es t a t u s ， l o a d c a p a b i l i t y , f u n c t i o n a ls i t u a t i o n ，a n dg i v es o m ea d v i s e so nr e p a i r i n ga n d r e i n f o r c e m e n t i nt h i sp a p e las p e c i f i cb r i d g er e i n f o r c e m e n tp r o g r a mi sm e n t i o n e d ， e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n di sw e l lc o n s i d e r e d ，i n s p e c t i o no ns p o ta n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) a r eu t i l i z e dt oa s s e s st h er e a ll o a dc a p a c i t yo ft h eb r i d g e ，a tl a s t ，b a s e d o no w n e r s r e q u i 陀m e n t a n dd i f f e r e n c e so f e a c hr e i n f o r c e m e n t t e c h n o l o g y , a r e i n f o r c e m e n tp l a nf o rt h eb r i d g ei sp r o p o s e d a f t e rr e i n f o r c e m e n t ，f e am e t h o da n d s t a t i cl o a dt e s ta r ec a r r i e do u tt oa s s e s st h el o a dc a p a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e db r i d g e a n dm a k ej u d g m e n to fh o w e f f e c t i v e l yt h er e i n f o r c e m e n ti sw o r k i n go nt h eb r i d g e t h ep r o g r a mm e n t i o n e di nt h i sa r t i c l ei se s p e c i a l l ys u c c e s s f u l ，s o m eo fp o p u l a r r e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yi su s e dt o g e t h e ra n di m p r o v e db a s e do nt h e i ra d v a n t a g e s a n dw e a k n e s s n o to n l yt h el i f es p a no ft h eb r i d g ei sp r o l o n g e d ，b u ta l s ot h el o a d c a p a b i l i t y i s i n c r e a s e d ，w h i c hw i l lh e l pt h eo w n e rm a k eg r e a tp r o g r e s so nt h e d e v e l o p m e n to fb u s i n e s s c o m p a r e dw i t hr e b u i l d i n g ，r e i n f o r c e m e n ti sf i n a n c e ，p o w e r a n dt i m es a v i n g t h es u c c e s so ft h i s p r o g r a mg i v e sg r e a tw i t n e s so fr e p a i r i n ga n d r e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yn o w a d a y s k e y w o r d s ：a p p r a i s e m e n t ，b r i d g er e i n f o r c e m e n t ，s t a t i cl o a dt e s t ，t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如 下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保 存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手 段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅 览服务：学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和 电f 版；在不以赢利为目的的d ，j 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月同 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 年月日 名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成工程硕士学位论文“桥梁加固技术的研究与应用”。 除论文中已经注明引用内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加注明的 其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 作者签名： 年月日 第1 章前言 第1 章前言 我国f 处在基础设施建设的高峰时期，交通部门的基础设施建设发展尤为 迅速，全国范围内“公路网化”的进程正在不断加快，公路系统面貌同新月异。 但现有公路桥梁中有相当一部分已不能满足使用上的要求，这是我们所面临的 严峻问题。特别是修建年代久远、质量低、病害严重的老桥，或因施工、设计 以及使用上的种种原因存在不同损伤的桥梁，承载能力偏低，已不能维持正常 使用，因而需采取限重、限速通行措施，甚至不得不关闭旧危桥梁进行加固处 理。所以采取有效的加固改造措施，恢复和提高这些桥梁的承载能力，使其继 续为现代交通运输服务，可以给国家带来巨大的经济效益，也是交通工程中的 重要课题。 1 1 桥梁需要加固的原因 1 ) 旧桥梁原有的设计标准低，不能满足交通运输发展的要求。随着桥梁设 计规范的不断发展，公路桥梁的设计荷载已由汽一6 级、汽一8 级、汽一1 3 级发 展到汽一1 5 级、汽- - 2 0 级及汽一超2 0 级，并且仍有继续增大的趋势。据调查 分析，全国的国道、省道和县级公路的永久性大、中型桥梁中，设计荷载达到 汽- - 2 0 级、挂一1 0 0 级标准的仅占大、中型桥梁总数的6 5 3 ，汽一1 0 级、履 带- - 5 0 级及以下荷载标准的桥梁占9 1 7 ，其余8 4 3 的桥梁基本上是汽一1 3 级和汽一1 5 级荷载标准比1 。 2 ) 由于设计及施工的缺陷以及各种不利环境( 如碳化、氯离子侵入、酸侵 蚀、碱一集料反应、冻融、盐害等) 使得桥梁结构的混凝土及钢筋腐蚀严重。 3 ) 桥梁使用年限长，接近其使用寿命。我国在2 0 世纪6 0 - 7 0 年代修建的 桥梁，大部分仍在服役，由于年久失修、失养，已不适应交通量r 益增长的需 要。 4 ) 外界不利荷载的影响使得桥梁结构安全性下降。在我国，造成此种情况 的最大原因是在公路上行驶的货车大多数超载、超限行驶，致使2 0 以上的桥 梁出现安全隐患。 第l 章前言 5 ) 新建桥梁由于勘察、设计及施工的问题而无法满足使用要求以及新桥的 使用功能发生变化，也是桥梁需要加固的重要原因。 上述情况，不论哪一种需要都使改造工程处在一种位置、结构形式、材料、 空间都受到局限的被动的技术状态之下，加上桥梁结构形式多样，地形、地质 变化差别很大，跨径大小不同，建筑方法和材料特性各异等因素，使桥梁加固 成为广泛存在而又变化多端、极其复杂的学问。而且旧桥在应用多年之后，原 有的技术资料往往失缺，又因受交通干扰，更使桥梁加固无从入手。”。 1 2 桥梁加固的发展历史 如何检验、评定旧桥承载能力，对旧桥进行维修、加固、补强，以提高桥 梁承载等级的有效方法，越来越得到世界各国的关注。1 9 8 0 年在巴黎和布鲁塞 尔、1 9 8 2 年在华盛顿先后都召开了关于旧桥问题的国际专题讨论会议。1 9 8 2 年 召丌的“国际桥梁与结构会议”，1 9 8 3 年召开的“第十七届国际道路会议”上， 都有关于桥梁的安全性评价、检查与维修加固等方面的论文报告。1 9 8 1 年，由 西方2 4 个国家参加的“国际经济合作与开发组织”( o e c d ) 主持召开了关于“道 路桥梁维修与管理”的会议，会议中提出如下几方面的问题要求加以研究n 3 ： 1 ) 如何正确评价现有桥梁的实际承载能力与安全度的问题； 2 ) 如何及早地检查发现桥梁产生的损坏及异常现象，f 确地检定结构物的 损坏程度，从而采用合理的维修加固方法问题； 3 ) 桥梁损坏与维修加固的实际应用问题； 4 ) 桥梁维修加固技术，即采用维修加固新的技术与方法问题； 5 ) 桥梁设计与维修管理的关系，即如何把维修加固中发现的问题，放到今 后桥梁设计上进行考虑的问题： 6 ) 桥梁维修加固的未来展望，如何提出更合理的维修管理方法与策略的问 题。 近二三十年来，国内出现了许多桥梁结构加固的工程实例，在桥梁加固技 术改造方面，特别是混凝土结构的加固补强，积累了丰富的实践经验，取得了 丰硕的成果。目前，交通部公路司组织一些省市公路局、交通部公路科学研究 所等单位，证在编制“公路混凝土桥梁加固技术规程”，用于规范指导公路混凝 土桥梁的加同工作。 2 第l 章前言 1 3 桥梁加固的基本方法 桥梁加固一般是通过对构件的补强和结构性能的改善来恢复或提高现有桥 梁的承载能力，以延长使用年限，适应现代交通运输的要求。其改造的主要技 术途径有：加强薄弱构件、增加辅助构件、改变结构体系、减轻恒载、加固墩 台及基础等。 1 3 1 桥梁上部结构加固技术 桥梁上部结构的常用加固方法有以下几种n 引出“ ： 1 ) 加大截面加固法，也称为外包混凝土加固法，是用增大混凝土结构物的 截面面积和配筋进行加固的一种方法。这种加固方法要求被加固的桥梁下部结 构能够承受更多的自重，能够提供更高的承载力。通常情况下，以加厚桥面板 或者加大主梁的梁肋宽度为主。该法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的 设计和施工经验，适用于较小跨径的t 梁桥或者板桥的加固。采用此法加固后 桥梁刚度明显提高，承载能力也取得较好的效果。但现场施工的湿作用时间长， 对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小。 2 ) 预应力加固法，是采用# b j j n 预应力的钢拉杆对结构进行加固的方法，预 应力技术能大大缩短施工工期，能降低被加固构件的应力水平，不仅使加固效 果好，而且还能较大幅度地提高结构整体承载力，但加固后对原结构外观有一 定影响。适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固后所占用空i 训小的桥梁。 3 ) 改变结构受力体系加固法，此法是改变桥梁结构受力体系，达到提高桥 梁承载能力得目的。如：在简支梁下增设支架或桥墩，或把简支梁与简支梁纵 向加以连接，由简支变连续梁，或在梁下增设钢桁架等加劲或结合梁等，以减 小梁内应力，达到提高梁的承载力的目的。改变结构体系的方法有多种，但往 往都需要在桥下操作，或设置永久设施，因而减小桥下净空，或施工时会影响 通航，所以必须考虑通航及桥梁排洪能力。但是，该法由于加固效果较好，目 前也是常用来作解决临时通行超重车辆的一种加固措施。重车通过后，临时支 撑可以随后拆除。 4 ) 粘贴f r p 加固法，是采用高强度或高弹性模量的纤维复合材料，用专门 配置的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件表面，使之与原构件形成整 第1 章前言 体共同受力的加固方法。目前，结构工程中常用的f r p 材料有玻璃纤维( g f r p ) 、 碳纤维( c f r p ) 和芳纶纤维( a f r p ) 3 种，其中以碳纤维增强复合材料( c f r p ) 应用更多。该方法的主要特点是：高强高效，可设计性强，基本不改变原结构 外观，不会对原结构造成损害；运输、储存、施工更方便、快捷，容易保证施 工质量而且后期维护费用低；几乎不增加结构自重和截面尺寸，不改变净空高 度，对原结构几乎不会造成新的损伤；具有高的强度重量比和刚度重量比率、 良好的耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能、热膨胀系数低等特点；根据受力分析 可进行多层粘贴进行补强，其方向性也可以灵活控制m m 引。当被加固的桥梁结构 处于特殊环境时，应根据具体情况选用其他防护材料。粘贴碳纤维布加固方法 往往辅以裂缝灌浆、封闭等方法。该方法的缺点是弹性模量与强度比值过低； 环氧树脂在温度大于6 0 0 c 时会呈现软化现象，因此只能用于阴凉通风处的结构 构件。 5 ) 喷混凝土加固法，该法是在原有结构上喷涂一层高品质的混凝土，以恢 复对钢筋的保护，提高已剥离或变质的混凝土的强度，提供美观表面的功能， 是目日订常用的维修加固方法，但只能用于结构破坏非常轻微的桥梁构件中。 6 ) 置换混凝土加固法，该法的优点与加大截面法相近，且加固后不影响建 筑的净空，但同样存在施工的湿作用时间长的缺点。适用于受压区混凝土强度 偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。 7 ) 有粘结外包型钢加固法，该法也称湿式外包钢加固法，特点是受力可靠， 施工简便、现场工作量较小，但用钢量较大，且不宜在无防护的情况下用于6 0 。c 以上的高温场所。适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大 幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。 8 ) 增设纵梁加固法，在墩台地基安全性能好，并具有足够承载能力的情况 下，可采用增设承载力高和刚度大的新纵梁，新梁与旧梁相连接，共同受力。 由于荷载在新增纵梁后的桥梁结构中重新分布，使原有梁中所受荷载得以减小， 由此使加固后的桥梁承载能力和刚度得到提高。 1 3 2 桥梁下部结构加固技术 桥梁下部结构的常用加固方法有以下几种n ： 1 ) 扩大基础加固法，即扩大桥梁基础底面积。此法适用于基础承载力不足 4 第l 章前言 或埋深太浅，而墩台又是砖石或混凝土刚性实体式基础时的情况。扩大基础底 面积应由地基强度检算确定。当地基强度满足要求而缺陷仅仅表现为不均匀沉 降变形过大时，采用扩大基础底面积的加固，主要由地基变形计算加以选定。 2 ) 增补桩基加固法，即在桩式基础的周围补加钻孔桩，或打入钢筋混凝土 预制桩，扩大原承台，以此提供基础的承载力，增强基础的稳定性，主要用于 当桥梁墩台基底下有软卧层，或墩台基础未下至坚硬层时，墩台发生沉陷以及 桩的深度不足，或由于水流冲刷等原因使桩发生倾斜的情况。 3 ) 钢筋混凝土套箍或护套加固法。当桥梁墩台由于基础埋置深度不够，或 因施1 二质量控制不严等原因，导致墩台丌裂破损时，有时会出现贯通裂缝，可 采用钢筋混凝土圈带或钢箍进行加固。加固时一般在墩身上、中、下分设三道 围带，其间距应大致相当于桥墩侧面的宽度。 4 ) 桥台新建辅助挡土墙加固法。由于桥台台背水平土压力过大，引起桥台 倾斜，应设法采取平衡桥台壁的土压力处理，在台背之后加建一挡土墙，以抵 抗过大的压力。 5 ) 墩台拓宽方法。利用旧桥基础，靠墩台盖梁挑出悬臂加宽部分，以便安 装加宽的上部结构。此种情况为只加宽墩台上部的盖梁，墩台身和基础则不需 予以加固。采用此法加宽墩台时，旧桥墩台基础必须完好、稳定，且需经过承 载力验算后才能采用。否则，应在老桥的墩台旁，另新浇筑拓宽部分的墩台及 基础。 1 4 桥梁加固方法选用原则 桥梁加固的方法有多种，对于具体的工程如何选用，应依照以下的原则1 ： 1 ) 采用加固方案之前，须先考虑耗费少、功效快，不中断交通、技术上可 行，有较好耐久性等方面的要求。 2 ) 补强加固是通过加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力 的措施。因此桥梁加固工作一般以不更改原结构形式为原则，在兼顾经济性的 前提下，只有在较复杂的情况下，才可考虑更改结构形式。如果采用补强加固 的方式仍不能达到交通运输要求，则必须考虑进行重建桥梁的部分或全部。 3 ) 选择桥梁加固方式时，必须考虑旧桥现状、承载能力减弱的程度以及r 后交通量，最好参考已经成功完成补强加固的桥梁的施工。 第i 章前言 4 ) 采用扩大或者增加桥梁构件断面的方法进行加固前，应考虑增加部分与 原有部件的结合效果。 1 5 桥梁安全评估 对桥梁进行加固前，首先要对桥梁的劣化与受损情况进行全面检测，依据 受损现状进行安全性评估，确定结构物实际承载能力，判断损伤是否对桥梁承 载力、耐久性、- 使用性构成威胁。承载力表示结构承受设计荷载的能力，耐久 性是指结构的设计寿命。应详细评估其结构现有强度是否能够承受实际荷载， 以判定桥梁承载能力的安全性。而在耐久性方面，应综合考虑结构损伤、材质 劣化、施工缺陷等状况与周围环境条件，合理判断结构的使用寿命n 引。使用性 评估主要指车辆通过桥梁时的走行性，即走行的安全性和乘客的舒适度等。而 在桥梁加固之后，同样需要对桥梁进行全面检测，评价桥梁加固的效果，确定 加固后的桥梁是否满足使用要求。对现役桥梁评定远比新桥设计复杂得多，多 年来国内外桥梁工作者在各自的工作实践中提出各种旧桥评定方法，大致可归 纳为：外观检查评估法、分析计算评估法、荷载试验评估法n 3 1 等。本文中将三 种方法相结合，对加固后的桥梁作出评价。 1 6 本文的具体工作 对杭州某单位的某某桥进行了现场勘察，先运用大型有限元计算程序a n s y s 对该桥梁进行了详细的应力分析，找到桥梁在加固前的最危险截面位置，然后 针对计算结果和勘察结果，参考业主的具体要求，综合运用各种加固方法和理 论，对该桥各个截面进行了系统的加固设计、施工以及最终的检测验收，最后 还通过表面观察、理论计算以及静载试验三种方法，对加固后的桥梁进行了安 全性评定。通过工程实例，对加固工程有了进一步的研究，并为加固技术的发 展提供了宝贵的实践依据。 6 第2 章杭州某桥加同一r n 背景 第2 章杭州某桥加固工程背景 2 1 地形地貌特征 工程地点位于杭州市半山西南面，金昌路跨杭钢河路段，地形平坦，地面 高程6 3 0 - 7 5 0 m ，杭钢河宽约1 5 m ，水面标高约1 0 m ，水深1 5 - - - 2 5 m 。桥位 区勘察深度范围内已揭露n 土n 主要为第四系( q 4 ) 内陆河湖沉积的硬可塑状 粘土、粉质粘土，顶部见少量淤泥质软土和粉土，基岩埋藏较深。勘察范围内 未发现不良地质现象。 2 2 水文地质特征 勘察期间测得地下水水位埋深5 0 0 - - - 6 0 0 m ，地下水主要赋存于浅部2 层粉 质粘土和3 一l 层淤泥质粘土中，地下水属孔隙潜水，受大气降水和河道水补给， 水位受季节影响。根据邻近第二热电站l1 0 k v 线路勘察时取地下水化验， 地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋和对钢结构具弱腐 蚀性。 2 3 工程概况 杭州某公司某某桥为一斜腿刚架钢筋混凝土桥，1 9 6 9 年建成，通车至今已 3 0 多年。全桥在横桥向由六个刚架片组成，刚架片之间通过桥面连续以及横隔 板连接，每个刚架片在拱脚和跨中铰接，形成三铰斜腿刚架桥。边跨梁一端直 接搁置在桥台上，另一端搁置在中跨主梁端部的牛腿上。主桥计算跨径2 1 6 6 m 。 全桥长2 6 m ，桥面净宽7 o m 。设计荷载汽一2 6 ，拖一1 0 0 。桥型布胃如图2 一l 所示。 由于种种原因，桥梁结构出现了一些病害，主要有斜腿主筋、箍筋出现锈 蚀，铁锈膨胀引起混凝土保护层剥落等。同时，随着业主的业务不断增大，通 过该桥的交通量r 益增加，单车重量也不断增大。为了适应道路运输载重量不 7 第2 章杭州某桥加固：r ：程背景 断发展的要求，公司运输管理办公室于2 0 0 4 年6 月2 3 日对该桥进行桥梁调查 与检算，调查和计算的主要结论是桥梁结构不能满足汽一1 5 ，挂 8 0 荷载要求。 2 0 0 4 年1 1 月1 8 日，该公司技改部主持召开了桥梁加固协调会，会议决定对该 桥进行了加固处理。 2 4 加固工程 根据目前该桥的交通情况，通过加固，将原桥设计荷载提高为能通过单车 重车6 0 吨。加固设计、加固施工完成后，还要对该桥进行静力荷载试验，以检 测桥梁加固工程是否合格，确保其安全性。 第2 章杭州某桥加固工程背景 鞘 9 1nhf皿娄并一*=嚣吠 犟舔。斟它+咪脊氓啦暮杈萋霉4曩镰一鬈尊k蜂一 蔓 叫 藕 “ 翮 蠢 曼 过 鬟 ：j 。萄 篁 一 一 y 鳇 鹭 矗 帆 一 ： = 赫 “阿=二蚓鲥，=二刊q 嗣邕* _ h 斗 硝电 匝删梏副塔蜷蝶罴蟮【太函 匝阻州 第3 章加l 青f 方案及其理论计算 第3 章加固方案及其理论计算 3 1 加固前病害实地调查 在确定加固方案前，对旧桥的中跨主梁、边跨梁、斜腿、横隔板、支座、 桥台及附属结构现状进行了全面细致地调查。 3 1 1 跨中主梁 主梁施工质量较差，各部位尺寸沿跨径不一致，跨中位置原设计为固接， 后因施工原因改用铰接。单根主梁最多发现裂缝4 3 条，裂缝宽度最宽为4 m m ， 有竖直裂缝，也有斜裂缝、水平裂缝，斜裂缝与水平方向夹角为4 0 。c - 8 0 。c 。竖 向裂缝主要分布在主梁的腹板，且下宽上窄；斜裂缝主要分御在端部( 牛腿) 附近的3 m 范围内；水平裂缝主要分布在梁端。主梁局部钢筋外露，产生锈蚀。 3 1 2 边跨梁 施工质量一般，跨中位置的腹板下部多存在竖向裂缝，而在端部多有水平 裂缝和斜裂缝，情况大致与中跨主梁类似。 3 1 3 斜腿 出于使用年代长，且下部是河流，一直处于潮湿环境，斜腿的部分主筋、 箍筋出现锈蚀，在混凝土表面能很明显地观察到内部钢筋的锈迹，在部分表面， 甚至出现了由于铁锈膨胀而引起混凝土保护层剥落。 3 1 4 支座与桥台 支座为橡胶支座，没有发现明显的变形或破裂。桥台结构完好，没有发现 锈胀痕迹，只有部分表面存在少量很小的裂缝。 1 0 第3 章加固方案及其理论计算 3 1 5 调查总结 对于整个桥梁结构而言，基本完整，受力清晰，具有加固且承受更大荷载 的潜力。但因为年代久远，各构件的非结构性破坏也相当严重，以表面裂缝和 锈胀为主，要想继续使用该桥梁，且进一步承受更大载重车辆，就必须进行大 量地修复和加强工作，保证其正常运行。 3 2 理论计算 为了从整体上把握桥身在加固前各个部分在外部荷载作用下所产生的应力 分布特征，找到最不利截面，为加固方案提供详细的理论依据，特利用大型有 限元计算软件a n s y s 对该桥梁结构进行了数值模拟分析。 3 2 1 计算模型采用数据 各截面尺寸均按照加固前模拟，如图3 1 所示。 主跨、边跨t 型梁截面基本尺寸： t 梁全高：h = 8 0 0 m m 上翼缘宽： b l = 1 2 5 0 m m 翼缘高度：t = 2 2 0 m m t 梁下宽： b = 2 5 0 m m 斜腿支点附近矩形截面基本尺寸： 截面高度：h = 5 0 0 m m 截面宽度： b = 2 5 0 m m 材料特性： _ _ f - r _ _ r_ - _ _ 图3 - 1 主梁平斜腿截面尺寸 l 一 l 第3 章加固方案及其理论计算 c 3 0 混凝土弹性模量：庐3 o x1 0 4 m p a 混凝土泊松比：v = o 1 6 6 7 q 2 3 5 钢材弹性模量： 庐2 0 6 x1 0 5 m p a 钢材泊松比：v = o 3 3 2 2 有限元模型建立 全桥横向共由六榀梁组成，各榀梁的形态结构均一致，因此，先对单榀梁 以及斜腿建立有限元计算模型。考虑到主梁结构复杂，斜腿截面沿纵桥向变化， 为了能更真实的反映结构的空间特性，采用8 节点的s o l i d 4 5 空间实体单元进行 模拟。共划分节点6 8 6 8 个，单元4 2 0 2 个，离散如图3 2 所示。 人n 零i ”要 3 2 3 支承条件 图3 2 单榀梁的有限元离散模型 因为本次加固将改变整个桥梁的支承条件，即将中跨跨中的铰接改回原设 计方案中的固接，同时，将斜腿趾部的铰接改为固接，这会导致整个刚架片的 应力重分布，而后的加固正是针对应力重分布后的结构进行处理的，因此，在 1 2 第3 章加固方案及其理论计算 有限元模拟加固前的结构应力分布时，各截面尺寸虽然按照加固前计算，但支 承条件，在中跨跨中和斜腿趾部按照固接计算，而其他部位按铰接算。 3 2 4 中跨主梁及斜腿的有限元分析 因为边跨主梁通过铰接与中跨主梁以及桥墩相连，对于中跨结构部分而言， 属于附属结构，当荷载作用于中跨主梁时，中跨各部分( 主梁和斜腿) 单独受 力，而与边跨梁无关。因此在以下分析中，当荷载作用于中跨时，边跨梁将不 显示。，中跨跨中受到单位荷载时，整体刚架片沿纵桥向的正应力分布情况如图 3 - 3 所示。从图中可见，将中跨跨中的铰接改为固接后，跨中截面的弯矩成为了 主要的控制因素，同时，轴力也是一个需要考虑的因素，因此，中跨跨中为补 强的重点截面之一。通过编制a n s y s 程序，求得中跨跨中的弯矩与轴力的影响 线如图3 4 所示。 眵乡乡 图3 - 3 单位荷载下单榀梁沿纵桥向正应力分布 弧吣似6 5 4 4 4 4 卜卜p p咱加加加叼加 2 1 x 1 0 5m p a 伸长率 1 5 3 5 2 碳纤维布粘结剂 采用碳纤维片材对混凝土结构加固时，应采用与碳纤维片材配套的底层树 脂、找平树脂、浸渍树脂和粘结树脂。 配套树脂类粘结材料的主要性能应满足表3 - 2 、表3 3 、和表3 - 4 的要求。 表3 - 2 底层树脂的性能指标 性能项目性能指标试验方法 2 5 m p a ，且不小于被加固混凝 详见碳纤维片材加固混凝土 正拉粘结强度 土的抗拉强度标准值 结构技术规程 表3 3 找平材料的性能指标 性能项目性能指标试验方法 2 5 m p a ，且不小于被加固混凝详见碳纤维片材加固混凝土 正拉粘结强度 土的抗拉强度标准值结构技术规程 表3 4 浸渍树脂和粘结树脂的性能指标 性能项目性能指标试验方法 拉伸剪切强度l om p ag b 7 1 2 4 1 9 8 6 拉伸强度 3 0 m p ag b 厂r 2 5 6 8 19 9 5 第3 章加固方案及其理论计算 压缩强度7 0m p a g b 厂r 2 5 6 9 19 9 5 性能项目性能指标 试验方法 弯曲强度 4 0m p ag b t 2 5 7 伊一1 9 9 5 2 ，5l v i p a ，且不小于被加固混凝土 详见碳纤维片材加固混 正拉粘结强度 的抗拉强度标准值 凝土结构技术规程 弹性模量1 5 0 0 m p a g b 厂r 2 5 6 8 19 9 5 伸长率1 5 g b 厂t 2 5 6 8 1 9 9 5 3 5 3 钢材 加固用型钢、扁钢和钢板均采用0 3 4 5 钢，轴向容许应力 口 = 2 0 0 m p a ：弯 曲容许应力 口 = 2 1 0 m p a ：容许剪应力 r = 1 2 0 m p a 。材料质量应分别符合现行 国家标准普通碳素结构钢技术条件和低合金结构钢技术条件的规定。 桥面铺装用工级钢筋，抗拉设计强度a , = 2 4 0m p a ：抗压设计强度危= 2 4 0m p a ； 弹性模量孱= 2 1x1 0 5m p a 。所有钢材必须具备出厂证明，并有屈服强度及含碳 量的合格保证。 3 5 4 粘钢灌浆胶 粘钢灌浆胶采用s i k a d u r7 5 2 ，该材料为无溶剂的低粘度环氧树脂注射浆， 灌浆胶必须满足以下性能指标： 1 ) 粘度： 3 0 m p a ，与钢板 9 0 m p a ； 3 ) 抗拉强度： 2 7 m p a ； 4 ) 弯曲抗拉强度： 4 0 m p a ； 如遇潮湿环境，本材料必须满足在潮湿环境下工作。 3 5 5 化学锚栓 化学锚栓采用h i l t i 植筋胶及普通6 8 级镀锌螺杆。 3 5 6 钢纤维混凝土 桥面铺装采用c 4 0 混凝土，并在混凝土内掺加钢纤维，钢纤维掺量为 6 0 k g m 3 。钢纤维的特征和质量应符合上海市标准铣削钢纤维混凝土应用技术 第3 章加固方案及其理论计算 规程的规定，钢纤维混凝土采用的粗骨料的粒径不宜大于2 5 r a m 。拌制钢纤维 混凝土宜掺加减水剂或高效减水剂。 3 6 施工方法及注意事项 l 、本加固工程必须由具有特种施工资质( 结构补强) 的专业公司完成。 2 、施工单位应根据现场和被加固构件混凝土的实际情况，拟订施工方案和 施工计划并有加固方案和施工技术措施。 3 、施工宜在环境温度为5 以上的条件下进行，并应符合配套树脂要求的 施工使用温度。当环境温度底于5 c 时，应采取适用于低温环境的配套树脂或 采取升温措施。 4 、碳纤维施工必须遵循下列工序进行： 1 ) 截面修复； 2 ) 混凝土表面处理； ( a ) 应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出 混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整。 ( b ) 施工中若发现有受力裂缝，应及时通知设计，以便对裂缝进行灌缝或封 闭处理。 ( c ) 被粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完 全露出混凝土结构新面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半 径不应小于2 0 r a m 。 ( d ) 混凝土表面应清理干净并保持干燥。 3 ) 配置并涂刷底层树脂； ( a ) 应按产品生产厂提供的工艺规定配制底层树脂o 树脂配制时，应按产品 使用说明中规定的配比称量并置于容器中，用搅拌器搅拌至色泽均匀。在搅拌 用容器内及搅拌器上不得有油污和杂质。应根据现场实际环境温度确定树脂的 每次拌和量，并按要求严格控制使用时间。 ( b ) 应采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。宜在底层树脂表面指 触干燥后，尽快进行下一工序的施工。 4 ) 配置找平材料并对不平整处作修复处理； ( a ) 应按产品生产厂提供的工艺规定配制找平材料。 第3 章加固方案及其理论计算 ( b ) 应对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，不应有棱角。转角处应 采用找平材料修理成为光滑的圆弧，半径不应小于2 0 m m 。 ( c ) 宜在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。 5 ) 粘贴碳纤维布； ( a ) 应按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布； ( b ) 应按产品生产厂提供的工艺规定配制浸渍树脂，并均匀涂抹于粘贴部 位； ( c ) 将碳纤维布用手轻压帖于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多 次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布； ( d ) 粘贴好后在碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。 6 ) 对已加固的结构表面应进行防护处理，做法：在加固后的表面上粘砂、 甩素水泥浆，然后用l ：3 水泥砂浆粉刷1 0m m 厚。 5 、湿法粘钢( 包钢) 施工必须遵循下列工序进行： 1 ) 混凝土构件表面处理和修复：去除表面污物和油垢，如粘结部位有粉刷 层则必须凿除。对粘结面进行打磨，直至露出原混凝土坚实基层，打磨完后除 去表面浮渣，并用丙酮等清洗表面。对蜂窝、空洞和腐蚀层必须进行清理、清 洗和修复。 2 ) 钢板表面处理：对钢板粘接面先进行除锈和粗糙处理。打磨钢板粘接面 直至出现金属光泽，尽量将表面打磨粗糙，打磨纹路应与钢板受力方向垂直， 然后用脱脂棉沾丙酮擦拭干净。 3 ) 钢板安装就位：按设计要求对钢板进行安装就位，包括钢板连接及锚栓 安装，保证钢板与基面之间的间隙在1 - 2 m m 左右。 4 ) 灌胶粘钢：对钢板周边进行封缝处理，留出灌浆孔，按正确的灌浆顺序 进行灌胶处理。 5 ) 胶固化：固化期间钢板不许有扰动。 6 ) 钢板防护。 6 、未尽事宜须严格执行混凝土结构加固技术规范( c e c s2 5 ：9 0 ) 和碳 纤维片材加固混凝土结构技术规程( c e c s1 4 6 ：2 0 0 3 ) 。 3 0 第3 章加固方案及其理论计算 3 7 加固施工验收 l 、碳纤维布施工验收 1 ) 在施工之前，应确认碳纤维片材和配套树脂类粘结材料的产品合格证、 产品质量出厂检验报告，各项性能指标应符合表3 一l - - - 3 4 的要求。 2 ) 采用碳纤维片材和配套树脂类粘结材料对混凝土结构进行加固时，应严 格按上述有关条款的规定进行各工序隐蔽工程的检验及验收。如施工质量不满 足上述有关条款规定的要求，应立即采取补救措施或返工。 3 ) 碳纤维片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于 l o m m 。 4 ) 碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维 片材表面的方法检查，总有效粘结面积不应低于9 5 。当碳纤维布的空鼓面积不 大于1 0 0 0 0 m m 2 时，可采用针管注胶的方法进行修补。当空鼓面积大于1 0 0 0 0 m m 2 时，宜将空鼓部位的碳纤维片材切除，重新搭接贴上等量的碳纤维片材，搭接 长度不应小于l o o m m 。 5 ) 必要时，可按碳纤维片材加固混凝土结构技术规程方法对施工质量 进行现场抽样检验，也可对碳纤维片材和配套树脂类粘结材料进行现场取样检 验。 2 、粘钢施工验收 1 ) 撤除临时固定设备后，应用小棰轻轻敲击粘结钢板，从声响判断粘结效 果。如锚固区粘结面积少于9 0 ，非锚固区粘结面积少于7 0 ，则此粘结件无效， 应剥下重新粘结。 3 、其它加固方法施工验收按相关国家和地方规范和规定执行。 第4 章荷载鉴定试验 第4 章荷载鉴定试验 4 1 荷载鉴定试验目的 荷载试验目的是通过对桥梁结构进行静力荷载试验，检验加固后的桥 梁结构在试验荷载作用下的实际受力状况是否满足设计及规范要求，并通过现 场加载试验以及对试验观测数据和试验对象的综合分析，对桥梁结构做出总体 评价。具体要求达到以下目的： 1 ) 通过测定桥跨结构在试验荷载作用下的控制截面应力和挠度，并与理论 计算值比较，以检验结构控制截面应力与挠度值是否与设计要求相符，主要试 验测试指标能否符合有关规范、规定的要求。 2 ) 通过荷载试验以及对试验数据和试验现象的综合分析，对实际结构做出 总体评价。 3 ) 评定本次加固施工是否成功。 4 2 荷载鉴定试验依据 1 ) 中华人民共和国交通部部标准公路桥涵设计通用规范( j t j0 2 l 一 8 9 )： 2 ) 中华人民共和国交通部部标准公路工程技术标准( j t j0 0 1 - - 9 8 ) ； 3 ) 中华人民共和国交通部部标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范( j t j0 2 3 - - 8 9 ) ： 4 ) 中华人民共和国行业标准公路工程质量检验评定标准( j t j0 7 1 9 8 ) ； 5 ) 中华人民共和国交通部部标准公路旧桥承载能力鉴定方法( 试行) ， 1 9 8 8 ； 6 ) 业主提供的桥梁设计图纸及施工单位提供的施工资料。 3 2 第4 章荷载鉴定试验 4 3 理论计算 为了从整体上把握桥身在加固后各个部分在外部荷载作用下所产生的应力 分布特征，找到最不利截面，为加固后的静载试验提供详细的理论依据，且与 加固前进行比较，检查加固工程是否成功，特利用大型有限元计算软件a n s y s 对该桥梁结构进行了数值模拟分析，首先建立单榀刚架片模型，并编制程序计 算其影响线，确定实际加载的车辆位置，然后建立整体模型，计算桥身各榀刚 架片的应变挠度，与试验结果进行对比，判定桥梁结构是否满足规范要求。 4 3 1 计算模型采用数据 各截面尺寸均按照加固后模拟，其中原截面尺寸如3 2 1 节所述，加固部 分如图4 一l 所示。 中跨t 型梁截面加固部分尺寸： 钢板厚度t l = 4 i 砌 4 衄厚钢 腹板加固高度：h i = 2 0 0 m r n 边跨t 型梁截面加固部分尺寸： 腹板加固高度：h i = 4 0 0 m m 斜腿矩形截面加固部分尺寸： 1 0 0 8 0 x 6 m m 角钢 4 0 3 5 m m 扁钢 表面水泥砂浆厚度：t = 2 5 r n m 横 主 、 f 霎 梁 一2 5 一 锚栓 第4 章荷载鉴定试验 补强材料特性： 图4 - 1中跨、边跨主梁和斜腿截面尺寸 钢筋混凝土容重： ) r = 2 5 k n m q 3 4 5 钢材弹性模量：庐2 1 x1 0 5 m p a 钢材泊松比： v = 0 3 碳纤维弹性模量：e = 2 1 x 1 0 5 m p a 泊松比： v = o 1 6 6 7 剪切模量： g = i 2 9 x10 4 m p a 4 3 2 单榀刚架片模型 除了截面尺寸和部分材料属性不同外，建模过程大致与3 2 2 节中的模型 类似，在此不再赘述。加固后的危险截面仍然是3 2 节介绍中的边跨跨中截面( 截 面i ) 、中跨跨中截面( 截面i i ) 以及斜腿趾部附近截面( 截面工i i ) ，如图4 2 所 示。因此，编制a n s y s 程序求得三截面的影响线如图4 3 4 5 所示。 图4 2 危险截面选取 第4 章荷载鉴定试验 i - i 誓蔺 墨 壤 臂 l d 厶_ l o 一7 5k - 2 ：i z 557 5l o1 2 一乏o o e o l 图4 3 边跨跨中i - i 截面内力影响线 l i - i i 截面 蓍 嚣 | 雪v 荟 。弋 一、 1 、 + 轴力1 f - 弯矩 ) ”? 一毒。善。f。一 l 脊- 鲁r t 1 2 一磊幅一毫扩备龟懒陆 嚎5i 图4 q 中跨跨中i i - i i 截面内力影响线 5 5 第4 章荷载鉴定试验 委 一-一： 孳工、_ 7 r 一一、 墩r “i 社m l 静 曩 e 一。 、 一辅力 p 弯矩