桥梁检测与加固PPT课件.ppt

桥梁检测与加固 广东工业大学姜海波管民生 2007年3月 广东工业大学建设学院姜海波 管民生 0 2020 3 23 可编辑 1 第一讲桥梁检测与监测技术的开发和应用第二讲桥梁病害诊断第三讲混凝土结构承载能力及耐久性评估第四讲桥梁改造加固方案设计第五讲桥梁加固薄弱受弯构件设计计算 讲授提纲 2020 3 23 可编辑 2 桥梁结构检查的重要性桥梁结构的使用性能及耐久年限 主要由设计 施工和所用材料的质量等诸多因素共同确定 由于设计 施工和材料可能存在某些缺陷 而这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处 此外 桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀 带来后天病害 先天缺陷和后天病害的不利影响往往会结合在一起 如果再遇上荷载和外力的临界组合 则很容易使桥梁发生不可预见的损坏 桥梁结构中的一处或某几处局部的损坏又可能产生连锁反应 波及到更多的位置 发展成更大的损坏 乃至危及桥梁的安全 所以 确保建成的桥梁保持良好的运营状态和正常的使用功能 当务之急是及时发现早期病害 在尚未出现更大的损伤之前采取维修养护措施 以控制病害发展或把病害清除 而要达到此目的 就必须对桥梁进行检查 桥梁结构的检查是保证桥梁正常使用 进行维修加固的重要依据 检查桥梁结构的目的在于随时掌握结构的技术状况和安全状态 总结设计 施工 使用和维修的经验和教训 鉴定现有桥梁的承载力和通过能力 指导对桥梁的正确使用 管理和维修 2020 3 23 可编辑 3 桥面结构的检测用于预测桥面病害的一般方法是 测量氯化物含量和电势 并进行肉眼观测 但此种方法既费时间 又妨碍交通 而且更遗憾的是 这种方法不能就沥青桥面铺装的整个病害情况提供准确数据 因为该方法只把注意力集中在由于腐蚀而导致的顶面钢筋保护层的层裂上 而忽视了由于冻融循环造成的沥青铺装层下的混凝土裂崩的检测 然而值得庆幸的是 使用雷达 红外热象仪 激光光学 超声波和其它一些新的技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面 2020 3 23 可编辑 4 桥梁结构体系的监测一般用于结构监测的传统传感器 其测量能力只局限于逐点检测 当临界断面检测得不准确时 其效果就会很不理想 当需要对大型结构 如桥梁的状况进行评估时 具有大面积检测能力的传感器就显得尤为重要 任何监测系统都必须具备在较长时期内提供可靠 精确和长期的检测结果 这样才能保证结构处于高度的安全状态 安装了这种监测系统 就可以较早地发现结构存在的任何问题 以便采取必要的修复措施 从而保证结构使用的连续安全性 使结构的性能得到最佳利用 并减少使用费用 混凝土桥梁结构的监测用于混凝土桥梁结构监测的一种新技术是光纤传感器技术 它运用了光纤的两个特性来实现动态测量 1光损矢量的测量 即利用纤维某些局部产生微小弯曲后所产生光矢量变化的效应原理 2光传输时间原理 即 光沿传感器到达反射镜 再反射回到光源处的传输时间 2020 3 23 可编辑 5 钢桥结构的监测美国联邦公路局开发的无线电桥梁检测和评估系统 是一个便携的 电池供电 使用无线电遥控技术的数据收集系统 它非常像一个数字式多分支的电话网络 用以收集数据并传递到一个笔记本电脑上 这种特殊的无线电网络对静电和障碍物是 免疫 的 静电和障碍物对这种特殊的无线电网络没有影响 除了收集数据之外 每个模块充当了地区无线电网络中无线电波上的一个结点 这对于钢桥是十分重要的 钢桥在长度上往往大于1 6公里 而较长的桥上往往有大量的电磁干扰和复合反射 用这种技术可以迅速地测量出一座钢桥上每个有疲劳倾向的部位 破损及危险的部位 或者探测出桥梁在车载和风载作用下的工作状况 2020 3 23 可编辑 6 智能型支座智能支座能通过支座上活载和恒载的分布 发现并判断出桥梁结构体系的工作状况 因为 如果结构构件的强度因遭受断裂 冲击或其他影响而有明显变化时 也会使支座上的荷载分布发生改变 智能支座可以 感受到 桥梁的破坏 2020 3 23 可编辑 7 桥梁基础的监测桥梁结构水面或地面以上部分的材料状况和整体性能状况的检测及评价方法与上部结构类似 水面或地面以下基础状况的诊断 对于明显的病害 一般只能通过观测墩台的沉降 倾斜 位移和裂缝等变形状况来分析判断 对已建桥梁结构基础沉降观测 有的采用激光系统和连通管水平测量装置 在基础不均匀沉降引起的倾斜测量中 采用水准式 摆式倾斜仪 以及各种电测的测斜仪 在法国 将侧向超声波测位仪安装在船上曳引 检测桥梁结构物的浸水部分 能获得水下结构的双向图像 用来检查桥墩 板桩 基础冲刷 填石和石笼的范围与位移状况 以及绘制河床或海底图 美国的马萨诸塞洲 采用贯入地面雷达检测桥台的外形及其稳定性 检测结果用图形显示 2020 3 23 可编辑 8 其他新技术在世界上许多地方 对整座桥梁状况的监测技术已经发展到在大型结构物上安装系列大规模的监测系统 例如 横跨特拉华连接宾夕法尼亚和新泽西的巴里桥上就已经安装并运行着这样的一个系统 然而 尽管这种方法很有前途 但这种技术的全部潜在可能尚没有被完全发现或肯定 并且其重要的部分仍处于研究阶段 这种系统的传感器网络传递出的大量数据信息 由计算机进行收集 储存 分析 检索等 然后提供检测信息 事实已经证明 该系统所提供的信息是非常有用的 例如 这些系统检测到了未曾预料到的受弯构件由于暴露在阳光下 所受光照辐射程度不同而产生的弯起 并且确定了弯起量的大小 2020 3 23 可编辑 9 此外 对桥梁结构的承载能力的 非侵入式 检测也是桥梁工程界的迫切需求 通常 一座桥梁如果不符合标准承载要求 说明该桥有某种结构上的缺陷 美国联邦公路局为此将激光检测系统用于检测桥梁的承载能力 这套系统由一个电脑控制的反射器将红外线的激光束 注 该激光束不会对人眼产生危险 瞄准桥梁上的某点 当激光检测到桥梁结构上的某个点 系统就会马上给出该点相对于当地坐标系统的三维坐标 仅几分钟的时间内 系统可以测量桥结构上不同的点几百次 它对目标没有特别的规定 在普通钢材 混凝土和木材表面上都可以很好的工作 利用这个系统 可以迅速地测量出大型卡车作用在桥上使其产生的三维变形 这个系统还可以用于迅速确定桥上每一部分对应先前 上次 检查的位移 变位 情况 结果可以精确到毫米 该系统还能探测到沉降或预应力损失 2020 3 23 可编辑 10 第二讲桥梁病害诊断 2 1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 11 混凝土结构的病害表现形式多种多样 引起病害的原因错综复杂 从引起病害的原因来分析 可以将其划分为两大类 第一类为由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏 由于混凝土的缺陷 例如裂隙 孔道 汽泡 孔穴等 环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部 与混凝土中某些成份发生化学 物理反应 引起混凝土损伤 影响结构的受力性能和耐久性 第二类为由荷载作用或设计 施工不当造成的混凝土结构损伤 例如 由于超载作用引起的裂缝 动力冲击作用引起疲劳破坏 构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等 2020 3 23 可编辑 12 2 1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 1混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学反应的过程 一般情况下混凝土呈碱性 在钢筋表面形成碱性薄膜 保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀 起到了 钝化 保护作用 碳化的实质是混凝土的中性化 使混凝土的碱性降低 钝化膜破坏 在水分和其它有害介质侵入的情况下 钢筋就会发生锈蚀 2氯离子的侵蚀氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的 海水是氯离子的主要来源 北方寒冷地区冬季道路 桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中 氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀 对结构的危害是多方面的 但最终表现为钢筋的锈蚀 2020 3 23 可编辑 13 2 1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 3碱 骨料反应碱 骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应 生成碱 硅酸盐凝胶 并吸水产生膨胀压力 造成混凝土开裂 碱 骨料反应引起的混凝土结构破坏程度 比其他耐久性破坏发展更快 后果更为严重 碱 骨料反应一旦发生 很难加以控制 一般不到两年就会使结构出现明显开裂 所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的 癌症 碱 骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂 裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关 钢筋限制 约束力强的混凝土形成顺筋裂缝 钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状或地图状裂缝 在裂缝处有白色凝胶物渗出 碱 骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别是 2020 3 23 可编辑 14 2 1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 碱 骨料反应引起混凝土局部膨胀 裂缝的两个边缘出现不平状态 错台 是碱骨料反应裂缝的特有现象 碱 骨料反应与环境湿度有关 在同一工程中潮湿部位出现裂缝 而干燥部位却安然无恙 是碱 骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一 从裂缝出现的时间来判断 碱 骨料反应裂缝出现的时间较晚 多在施工后5 10年内出现 而混凝土收缩裂缝出现的时间较早 一般在施工后若干天内出现 4冻融循环破坏渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀 从内部破坏混凝土的微观结构 经多次冻融循环后 损伤积累将使混凝土剥落酥裂 强度降低 冻融循环破坏的混凝土 2020 3 23 可编辑 15 2 1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 剥落 开始时在混凝土表面出现粒径为2 3mm的小片剥落 随着使用年限的增加 剥落量及剥落块直径增大 剥落由表及里 发展速度很快 一经发现冻融引起的混凝土剥落 必需密切注意剥落的发展情况 及时采取修补措施 北方地区采用撒盐除冰 由于盐类与冻融循环的共同作用引起的盐冻破坏是冻融循环破坏的一种特殊形式 盐冻破坏是静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用的结果 因此 盐冻破坏要比单纯的冻融破坏严酷得多 盐冻破坏区别于其他破坏形式的主要特征是 表面分层剥落 骨料暴露 但剥落层下面的混凝土完好 破坏速度快 对未采用防盐冻措施而使除冰盐者 2020 3 23 可编辑 16 2 1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 少则一冬 多则几冬 即可产生严重盐冻破坏 在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见到白色盐结晶体 5钢筋锈蚀混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜坏 混凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面的碱性钝化膜的破坏 加之有水分和氧的侵入 就可能引起钢筋的腐蚀 钢筋腐蚀伴有体积膨胀 使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝 造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏 钢筋截面面积减少 使结构构件的承载力降低 变形和裂缝增大等一系列不良后果 并随着时间的推移 腐蚀会逐渐恶化 最终可能导致结构的完全破坏 2020 3 23 可编辑 17 2 1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 值得注意的是 上述所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质 另一方面 几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀 最终导致混凝土的开裂有关 而且当混凝土结构开裂后 腐蚀速度将大大加快 形成导致混凝土结构的耐久性进一步退化的恶化循环 因此 对新建结构而言 提高混凝土结构耐久性的基本途径是增强混凝土的密实度 防止和控制混凝土开裂 阻止水分的侵入 加大混凝土保护层的厚度 防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏 对于在役结构而言 提高混凝土结构耐久性的基本思路是在清除病害根源的基础上 封堵裂缝 修补破损混凝土 增设防水层 防止水分的侵入 2020 3 23 可编辑 18 2 2混凝土结构的裂缝分析 实践表明 混凝土结构的任何损伤与破坏 一般都是首先在混凝土中出现裂缝 裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表 所以 对混凝土结构的损伤检测 首先应从对结构的裂缝调查 检测与分析入手 混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷 微裂缝的扩展而引起的 引起裂缝的原因很多 但可归纳为两大类 第一类 由外荷载引起的裂缝 称为结构性裂缝 又称为受力裂缝 其裂缝的分布及宽度与外荷载有关 这种裂缝的出现 预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题 2020 3 23 可编辑 19 2 2混凝土结构的裂缝分析 第二类 由变形引起的裂缝 称为非结构性裂缝 如温度变化 混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时 在结构内部就会产生拉应力 当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时 即会引起混凝土裂缝 裂缝一旦出现 变形得到释放 拉应力也就消失了 两类裂缝有明显的区别 危害效果也不相同 有时两类裂缝融在一起 调查资料表明 在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80 以荷载引起的裂缝占主导的约占20 对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定 裂缝修补和加固的依据 若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理 不仅达不到预期的效果 还可能潜藏着突发性事故的危险 2020 3 23 可编辑 20 2 2混凝土结构的裂缝分析 1 结构性裂缝 受力裂缝 众所周知 混凝土的抗拉强度很低 抗拉极限应变大约为 换句话说 混凝土即将开裂的瞬间 钢筋的应力只有 事实上 在正常使用阶段钢筋的应力远大于此值 所以说在正常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是避不可免的 因而 习惯上又将这种裂缝称为正常裂缝 实践证明 在正常条件下 裂缝宽度小于0 3mm时 钢筋不致生锈 为确保安全 允许裂缝宽度还应 2020 3 23 可编辑 21 小一些 新颁布的JTGD62 2004 以下简称 规定 钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值 类及 类环境0 2mm 类及 类环境0 15mm图1 1所示为钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图 2 2混凝土结构的裂缝分析 图1 1钢筋混凝土梁结构裂缝 2020 3 23 可编辑 22 图1 1中 所示的跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝 是最常见的结构性裂缝 在正常设计和使用情况下 裂缝宽度不大 间距较密 分布均匀 若竖直裂缝宽度过大 预示结构正截面承载力不足 图1 1中 所示为支点 或腹板宽度变化处 附近截面由主拉应力引起的斜裂缝 在正常设计和使用情况下很少出现斜裂缝 即使出现裂缝宽度也很小 若斜裂缝宽度过大 预示结构的斜截面承载力不足 存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险 应引起足够的重视 另外 钢筋混凝土墩柱受压构件由于纵向压力过大引起的纵向裂缝 预应力筋锚固区由于局部应力过大引起的劈裂裂缝等都属于结构性裂缝 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 23 有些结构性裂缝 受力裂缝 是由设计错误和施工方法不当所造成的 例如 钢筋锚固长度不足 计算图式与实际受力不符 次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝 在超静结构中基础不均匀沉降 将引起结构的内力变化 可能导致结构出现裂缝 基础不均沉降引起的上部结构的裂缝 实质上是属于结构性裂缝 受力裂缝 范畴 裂缝的分布和宽度与结构形式 基础不均沉降情况及大小等多种因素有关 这种裂缝对结构安全性影响很大 应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后 才能进行上部结构的裂缝处理 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 24 2 非结构性裂缝混凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为 混凝土硬化前裂缝 硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝 非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成 浇筑方法 养护条件和使用环境等等多种因素影响 1 收缩裂缝在混凝土凝固过程中 由于多余水分蒸发 引起的混凝土体积缩小称为干缩 同时 水泥与水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密 引起的混凝土体积缩小称为凝缩 收缩中以干缩为主 占总收缩量的8 10 9 10 收缩量随时间增长而不断加大 初期收缩较快 尔后日趋缓慢 普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为 3 4 10 4 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 25 当混凝土成形后 表面水份蒸发 这种水份蒸发总是由表及里逐步发展 截面内外温度不等 内外收缩量不一样 混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时 即在混凝土中产生拉应力 引起混凝土开裂 尤其是混凝土早期养护不当 混凝土表面直接受到风吹日晒的影响 表面水份蒸发过快 产生较大的拉应力 混凝土早期强度低 很容易出现收缩裂缝 收缩裂缝发生在混凝土面层 裂缝浅而细 宽度多在0 05 0 2mm之间 对板类构件多沿短边方向 均匀分布于相邻两根钢筋之间 方向与钢筋平行 对高度较大的钢筋混凝土梁 由于腰部水平钢筋间距过大 在腰部 或腹板 产生竖向收缩裂缝 但多集中在构件中部 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 26 中间宽两头细 至梁的上 下缘附近逐渐消失 梁底一般没有裂缝 大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多 侧面也有所见 收缩裂缝对构件承载力影响不大 主要影响结构外观和耐久性 2 温度裂缝钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形 这种温度变形受到约束时 在混凝土内部就会产生拉应力 当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时 即会引起混凝土裂缝 这种裂缝称为温度裂缝 按结构的温度场不同 温度变形 温度应力不同 温度裂缝可分为三种类型 截面均匀温差裂缝 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 27 一般桥梁结构为杆件体系长细结构 当温度变化时 构件截面受到均匀温差的作用 可忽略横截面两个方向的变形 只考虑沿梁长度方向的温度变形 当这种变形受到约束时 在混凝土内部就会产生拉应力 出现裂缝 例如 连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小 或有施工时散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝 或堆集于支座处没有及时清理 使伸缩缝和支座失灵等 当温度急剧变化时 结构伸长受到约束 上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝 严重者还可能造成墩台的破坏 截面上 下温差裂缝以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例 当外界温度骤然 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 28 变化时 会造成箱内外的温度差 考虑到桥梁为长细结构 可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的 沿水平横向没有温差 将三维热传导问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定 一般假设梁的截面高度方向 温差呈线性变化 在这种温差作用下 梁不但有轴向变形 还伴随产生弯曲变形 梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移 而且因多余约束存在 还要产生结构内部温度应力 当上 下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时 混凝土就要出现裂缝 这种裂缝称为截面上 下温差裂缝 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 29 截面内外温差裂缝水泥在水化过程产生一定的水化热 其大部分热量是在混凝土浇筑后3天以内放出的 大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发 内部温度不断上升 而混凝土表层散热较快 使截面内部产生非线性温度差 另外 预制构件采用蒸气养护时 由于混凝土升温或降温过快 致使混凝土表面剧烈升温或降温 也会使截面内部产生非线性温度差 在这种截面内外温差作用下 结构将产生弯曲变形 截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束 产生温度自应力 对超静定结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力 有时此温度应力是相当大的 尤其是混凝土早期强度比较较低 很容易造成混凝土裂缝 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 30 混凝土温度裂缝有以下特点 裂缝发生在板上时 多为贯穿裂缝 发生在梁上多为表面裂缝 梁板式结构或长度较大的结构 裂缝多是平行于短边 大面积结构 例如桥面铺装 裂缝多是纵横交错 裂缝宽度大小不一 且沿结构全长没有多大变化 预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝 在混凝土组成材料中掺入适量的磨细粉煤灰 减少水化热 加强混凝土养护 严格控制升温和降温速度 2 2混凝土结构的裂缝分析 2020 3 23 可编辑 31 第三讲混凝土结构承载能力及耐久性评估 3 1在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 基本内容 2020 3 23 可编辑 32 3 1在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 混凝土结构受到损伤后 需要对结构损伤的原因和程度进行分析 对损伤对结构承载能力及耐久性的影响进行评估 其主要内容是 考虑结构损伤影响的承载能力评估 在役结构剩余使用寿命评估在评估分析的基础上 根据经济技术条件 制定科学的维修加固方案 提出结构处理措施 评估现有结构的安全可靠性的核心问题是确定考虑结构病害损伤后的结构承载能力 桥梁结构的承载能力评定通常采用以下三个途径 根据相关规范要求对照桥梁的存在的缺陷及病害进行综合评定例如我国中对桥梁技术状态标准和裂缝宽度 都做了规定 依此标准将桥梁技术状况划分为四类 公路养护 2020 3 23 可编辑 33 3 1在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 管理部门推广使用的也属于综合评估方法 这种评估方法只能给出宏观的分析结果 现场荷载试验评估方法通过现场荷载试验 静载试验和动载试验 可直接检测结构的实际承载力 荷载试验与理论计算分析相结合是比较符合实际的承载力评定方法 但试验设备复杂 技术难度高 经费支出大 目前尚难以大规模推广应用 理论计算分析评估方法在现场调查和病害检测分析的基础上 考虑结构病害 损伤的影响 按现行规范计算结构承载力是国内采用的承载力评估的主要方法 2020 3 23 可编辑 34 3 1在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 结构的剩余使用寿命预测是耐久性评估的核心内容 结构的剩余寿命系指在不加维修或正常维修及正常使用条件下 结构可能继续使用的年限 钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素 因此 一般将钢筋锈蚀作为判断混凝土结构使用寿命终结的标准 混凝土结构剩余寿命评估是个目前尚未很好解决的科研课题 它涉及到钢筋锈蚀破坏机理和钢筋锈蚀胀力模型的研究和耐久性终结标准的确定 目前 对在役结构的耐久性评估和剩余寿命预测 大多还是依赖有经验的工程技术人员作出经验性评价和处理意见 2020 3 23 可编辑 35 已有结构的耐久性检测与评估 钢筋混凝土结构的现场踏勘和检测是了解结构现状和耐久性损伤程度的重要手段 是进行耐久性评估的重要依据 检测的内容和方法如下 应尽可能地采用非破损性的检测手段 1 调查结构和构件的全貌2 检查外观损伤3 测试混凝土性能4 检测钢筋5 调研和测试环境条件 2020 3 23 可编辑 36 将全部的结构现场观察调研和试验室检测的详细结果汇总后进行统计分析 按照结构的损伤和性能化的严重程度 评定各部分的耐久性的损伤等级 2020 3 23 可编辑 37 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 1 钢筋锈蚀对结构承载力的影响混凝土中的钢筋腐蚀是造成混凝土结构损伤 影响结构承载能力的最主要因素 其主要表现是 钢筋腐蚀后 使钢筋的有效截面面积减少 钢筋腐蚀后 力学性能劣化 强度降低 钢筋腐蚀后 混凝土保护层开裂甚至脱落 使混凝土的有效断面减少 钢筋腐蚀后 钢筋与混凝土之间的粘结性能退化 影响钢筋与混凝土的共同工作 1 腐蚀钢筋的屈服强度和极限强度钢筋腐蚀对其力学性能的影响取决于腐蚀程度 试验研究表明 腐蚀钢筋的屈服强度与相应的截面损失率之间的关系 基本上服从线性关系 2020 3 23 可编辑 38 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 牛荻涛 在综合分析试验资料的基础上 给出了腐蚀钢筋实际屈服强度和极限强度计算表达式为 3 1 3 2 2020 3 23 可编辑 39 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 2 腐蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能退化对承载力的影响 混凝土中的钢筋腐蚀后 在钢筋与混凝土接口上生成疏松的锈层 破坏钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力 并降低了钢筋与混凝土之间的摩擦力 对变形钢筋横肋的锈蚀将降低钢筋和混凝土之间的机械咬合力 保护层混凝土锈胀开裂甚至脱落 则降低外围混凝土对钢筋的约束 所有这些因素都将导致钢筋与混凝土之间的粘结性能退化 钢筋腐蚀引起的钢筋与混凝土之间粘结性能退化 将导致钢筋与混凝土不能很好的协同工作 钢筋发生严重腐蚀时 钢筋与混凝土之间的粘结力显著降低 钢筋与混凝土之间共同工作能力减弱 梁的受力 2020 3 23 可编辑 40 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 特征接近于无粘结预应力拉杆或配有普通钢筋的无粘结预应力梁 由于目前人们对钢筋腐蚀引起的粘结力退化规律及其对受拉钢筋强度发挥的影响程度还不十分清楚 因此 现今只能用一个协同工作降低系数来考虑粘结退化的影响 协同工作降低系数与钢筋锈蚀量或锈胀裂缝宽度有关 冶金建筑科学研究院的试验研究表明 钢筋的截面损失率大于10 时 钢筋与混凝土之间的粘着力显著降低 应考虑钢筋与混凝土协同工作降低系数的影响 建议将其承载力乘以0 8 0 9的系数 2 考虑钢筋腐蚀影响的承载能力计算 1 正截面抗弯承载力按规定 构件承载能力极限状态的基本方程式为 2020 3 23 可编辑 41 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 3 3 2020 3 23 可编辑 42 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 对使用多年的在役结构进行承载能力评估时 应考虑钢筋腐蚀的影响 其承载力计算基本方程与一般钢筋混凝土构件基本相同 只是在计算钢筋应力项时 应采用腐蚀钢筋的实际屈服强度和腐蚀后的有效截的面积 并计入协同工作降低系数 考虑钢筋与混凝土之间粘结性能退化的影响 考虑钢筋锈蚀影响的受弯构件正截面承载力计算的基本方程可由内力平衡条件求得 2020 3 23 可编辑 43 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 图3 1考虑钢筋腐蚀影响的受弯构件正截面承载力计算简图 2020 3 23 可编辑 44 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 3 4 3 5 公式的适用条件是 3 6 2020 3 23 可编辑 45 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 3 7 2020 3 23 可编辑 46 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 图3 1考虑钢筋腐蚀影响的受弯构件正截面承载力计算简图 2020 3 23 可编辑 47 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 3 4 3 5 公式的适用条件是 3 6 2020 3 23 可编辑 48 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 3 7 2020 3 23 可编辑 49 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 应该指出 公式 3 4 和 3 5 是针对受拉钢筋腐蚀的单筋T形截面导出的 由于计算中不考虑受拉区混凝土的抗拉作用 因此 在公式中未计入钢筋腐蚀引起的混凝土截面损伤 如果受压区混凝土截面损失较大时 则应考虑其对承载力的影响 2 斜截面抗剪承载力对在役结构的斜截面抗剪承载力计算 应考虑斜裂缝对混凝土抗剪承载力的影响 及钢筋锈蚀对箍筋和弯起钢筋抗剪承载力的影响 斜截面抗剪承载力计算表达式可改写为下列形式 2020 3 23 可编辑 50 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 3 10 3 9 3 8 式中 cs b 考虑斜裂缝对混凝土抗剪承载力影响的修正系数 根据试验研 究结果 建议 斜裂缝宽度小于 0 2mm 者 取 cs b 0 835 斜裂缝宽度大于 0 2mm 者 取 cs b 0 78 sv a sb a 分别为考虑钢筋腐蚀影响的箍筋和弯起钢筋屈服强度折减系数 其数值按公式 3 7 计算 2020 3 23 可编辑 51 3 2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 公式 3 8 3 10 中其他符号的意义与 桥规 JTGD62 给出一般钢筋混凝 土斜截面抗剪承载力公式相同 在考虑结构病害损伤的基础上 按桥规 的有关公式 求得现有构件所 能承担的正截面抗弯承载力 M du 和斜截面抗剪承载力 V du 并将其与按拟提高的荷载 等级计算的弯矩组合设计值 0 d M g 和剪力组合设计值 0 d V g 加以比较 则 得 正截面抗弯承载力检算系数 0 du m d M K M g 斜截面抗弯承载力检算系数 0 du v d V K V g 若 1 m K 说明正截面抗弯承载力可以满足要求 若 1 m K 说明正截面抗弯承 载力不足 应予加固补强 若 1 v K 说明斜截面抗弯承载力可以满足要求 若 1 v K 说明正截面抗弯承载力 不足 应予加固补强 2020 3 23 可编辑 52 第四讲桥梁改造加固方案设计 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 4 2型桥梁加固方案评述 基本内容 2020 3 23 可编辑 53 基本内容 在对桥梁结构病害检测分析和鉴定评估的基础上 根据技术经济条件和使用要求 有针对性地制定加固方案 2020 3 23 可编辑 54 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 1 我国桥梁加固的现状我国桥梁改造加固任务繁重 据交通部统计至2003年底 全国公路网中尚有危桥10443座 378439延米 要实现交通部规划的2005年底基本消灭国 省干线公路危桥的目标 所需资金约为90亿元 中国桥梁改造加固市场的巨大潜力 吸引了国内外众多有远见卓识的工程技术人员和企业家把注意力转移到这方面来 国外的先进加固技术大量涌进中国加固市场 各种加固公司像雨后春笋相应而生 成功地创建了一批桥梁改造加固的优秀范例 推进了我国桥梁改造工作的发展 提高桥梁改造加固设计质量 是确保加固工程质量的前提和基础 桥梁改造加固设计是比新建桥梁设计复杂得多的系统工程 我国目前的状况是 有实力的大设计院无暇顾及 不愿意干 技术力量较差的小型设计单位又干不了 桥梁改造加固设计基本上由科研单位 高等院校和 2020 3 23 可编辑 55 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 各类专业公司来承担 各类专业公司的技术水平差异较大 值得庆幸的是 近几年来我国确已出现一批技术能力较高的专业化加固公司 完成一批桥梁加固工程的优秀范例 他们代表了中国桥梁改造加固的主导方向 但是 有些专业公司以销售加固材料为主 业务单一 对桥梁加固设计不熟悉 桥梁改造加固设计审核制度不规范 没有明确的加固设计资质要求 桥梁加固设计市场管理混乱 整顿和规范桥梁加固市场 提高桥梁改造加固设计质量是提高桥梁改造加固工程质量的重要措施之一 从技术角度分析 目前我国桥梁改造加固设计存在的主要问题是 1 基层养护管理和设计部门 桥梁病害诊断技术力量薄弱 桥梁检测手段落后 桥梁病害诊断是进行桥梁加固设计的前提和基础 只有诊断清楚 才能对症下药 桥梁检测是桥梁病害诊断与分析的重要手段 检测应重在 2020 3 23 可编辑 56 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 分析 并应与桥梁加固设计相结合 2 考虑结构损伤影响的承载力评估方法还不够完善 3 桥梁改造加固总体设计方案的设计思路不够开阔 应用技术单一 设计深度不够 4 个别桥梁加固设计生搬硬套国外或国内其他行业的设计方法 忽略了桥梁带载加固分阶段受力的特点 有些加固设计只做宏观的定性分析 缺少科学地定量分析计算 设计带有很大的随意性 针对我国目前桥梁改造加固加固市场的混乱局面 加强桥梁养护 管理及设计与施工技术队伍建设是整顿桥梁加固市场的重要内容之一 特别是在全国基层的桥梁养护 管理及设计与施工人员中 普及桥梁病害诊断与加固设计知识是十分必要的 2020 3 23 可编辑 57 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 2 分清加固的性质根据桥梁病害检测分析和鉴定评估结果 桥梁结构加固设计应分为 承载力加固 强度加固 使用功能加固 刚度加固 和耐久性加固等三种情况 承载力加固是确保结构安全工作的基础 是桥梁改造加固设计的核心内容 其内容包括正截面抗弯承载力加固和斜截面抗剪承载力两部分 承载力加固应考虑分阶段受力的特点 注意新加补强材料与原结构的整体工作 使用功能加固是确保桥梁正常工作的需要 主要是对活载变形或振动过大的构件 加大截面尺寸 增加截面刚度 以满足结构使用功能要求 2020 3 23 可编辑 58 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 耐久性加固是指对结构损伤部位进行修复和补强 以阻止结构损伤部分的性能继续恶化 消除损伤隐患 提高结构的可靠性 提高结构的使用功能 延长结构使用寿命 3 桥梁加固与加宽设计相结合在公路改造设计中 很多情况下桥梁加固和加宽是同时进行的 在加宽宽度不大的情况下 尽量将加宽部分与原桥连为一体 使新旧桥共同工作 利用新加宽部分 调整原桥内力 减轻原梁负担 间接达到加固补强的目的 2020 3 23 可编辑 59 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 4 注意各种加固补强方法的综合应用桥梁加固补强的方法很多 但是基本上可以划分为两大类 第一类为改变结构体系 调整结构内力 减轻原梁负担 例如 加斜撑减少梁的跨度 简支梁改为连续结构 增加纵梁数目 调换梁位 加大新建边梁截面尺寸 调整横向分布系数 减轻原梁负担等 第二类为加大截面尺寸和配筋 加固薄弱构件 对薄弱构件进行加固补强的方法很多 从作用原理可分为两大类 2020 3 23 可编辑 60 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 在受拉区直接增设抗拉补强材料 例如 补焊钢筋 粘贴钢板 粘贴高强复合纤维 碳纤维 芳纶纤维 等 这种加固方法 设计时 必须考虑桥梁带载加固分阶段受力特点 后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制 一般情况下是达不到其抗拉强度设计值 特别是采用直接粘贴高强复合纤维加固时 在极限状态下 复合纤维的高强抗拉性能根本无法充分发挥作用 大马拉小车 是一种极大的浪费 若不考虑分阶段受力特点 过高的估计了后加补强材料的作用 设计是不安全的 采用预加力原理进行加固补强 例如 体外预应力加固 韩国M S公司的SRAP加固工艺等 由于预加力的作用 改善了原梁的应力状态 提高了原梁的承载能力和抗裂性能 采用预加力加固 可以充分发挥加固补强材料的力学性能 提高了材料的利用效率 2020 3 23 可编辑 61 SRAP工艺的原理介绍韩国M S工业株式会社的专利技术SRAP工艺是采用镀锌软钢丝束 简称SR加固材料 对混凝土梁体施加预应力 采用多功能氧化铝聚糖树脂砂浆 简称AP树脂砂浆 对混凝土结构进行修补的综合加固技术 镀锌软钢丝束靠锚固于混凝土梁体上的角钢固定 采用螺旋扣环拉紧器进行张拉 为了增强镀锌软钢丝束与修补砂浆的粘着力 在软钢丝束上缠绕弹簧线圈 软钢丝束张拉后 由于预加力的作用 使梁体反向弯曲 在混凝土中产生预压应力 然后 喷注AP树脂砂浆 将预应力钢筋与梁体混凝土连为一体 两者共同工作 使结构的承载能力提高 工作性能改善 2020 3 23 可编辑 62 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 应该指出 在进行桥梁加固方案设计时 应特别注意的是 在保持原梁截面尺寸不变的前提下 采用上述对受拉区进行补强的方法 加固后截面所能承担的最大承载力是有限的 承载力提高的幅度取决于原梁的配筋率 与所采用的加固方法无关 在某些情况下 由于原梁的高度较小 相对配筋率较大 单纯采用受拉区加固补强 仍不能满足设计荷载要求时 例如 设计荷载由汽 15 提高到公路 级 可采用加厚桥面的方法同时对梁的受压区加固 增加梁的有效高度 亦可达到提高原梁承载力的目的 通常的作法是结合桥面铺装层维修 采取有效的构造措施 2020 3 23 可编辑 63 4 1桥梁改造加固方案设计的原则 加强桥面铺装层与原梁翼板的整体连接 设计中可考虑部分桥面铺装层混凝土参与主梁共同工作 此外 桥梁加固设计应注意各种加固方法的综合利用 通过调整结构内力 尽量地减轻原梁的负担 将加固补强工作量压缩到最少 2020 3 23 可编辑 64 作业 1 桥梁检测的目的意义是什么 2 桥梁检查分为哪几种 每种检查的工作内容是什么 3 什么是静力荷载试验 其试验目的是什么 4 什么是动力荷载试验 其试验目的是什么 交作业时间 下周二上课 2020 3 23 可编辑 65 4 2典型桥梁加固方案评述 1 鞍千9号桥加固设计设计单位 原哈尔滨建筑工程学院实施时间 1987年 1 原桥的基本情况和加固设计要求鞍千9号桥位于辽宁省鞍山至千山公路上见图4 1 原桥为跨径L 12m的单跨二梁式钢筋混凝土简支梁桥 设计荷载为汽 15 挂 80 桥面净空为净 7 下部结构为座落于岩盘上的沉井基础 重力式混凝土桥台 鞍千公路扩建为二级路 路基宽度为12m 行车道宽度为9m 在桥位处道路双侧加宽 桥面净空为净 9 2 1 5m 桥梁的设计荷载提高为汽 20 挂 100 2020 3 23 可编辑 66 图4 1鞍千9号桥加固方案示意图 2020 3 23 可编辑 67 4 2型桥梁加固方案评述 2 桥梁现场调查和承载力检算现场检测发现 原梁混凝土质量良好 未有发现可见裂缝 实测混凝土强度在26Mpa以上 经检算原梁可以满足原设计荷载汽 15 挂 80的要求 但距汽 20 挂 100的要求 正截面承载力相差约15 查阅原设计图纸和现场实际核对 原桥为座落于岩盘上的小沉井基础 桥台混凝土质量良好 经检算认为原桥基础具有较大的超载潜力 2020 3 23 可编辑 68 4 2型桥梁加固方案评述 3 加固设计要点 利用原桥基础的承载潜力 采用插入锚固钢筋 加大桥台盖梁悬臂长度 新加宽部分与原梁整体工作 适当加大新增主梁的截面尺寸 增加边梁刚度 调整荷载横向分布系数 减轻原梁的负担 为了加强新加宽部分与原梁的整体工作 将原梁悬臂混凝土凿掉50cm 露出悬臂钢筋与新加宽部分桥面板钢筋焊接 在支点和跨中增设连接横梁 清除原桥面铺装层 全桥统一加铺10cm厚的桥面铺装混凝土 为了加强新旧混凝土之间的连接 将原桥面顶面凿成齿槽 保证新旧混凝土共同工作 计入6cm桥面铺装层参与主梁工作 即梁的有效高度增加6cm 2020 3 23 可编辑 69 4 2型桥梁加固方案评述 4 方案评述 该方案充分利用了原桥沉井基础的承载潜力 采用插入锚固钢筋 接长墩台盖梁悬臂 节省了大量的下部结构工量费用 采用加大新建边梁刚度 调整荷载横向分布系数 减轻原梁负担和桥面铺装层参与主梁工作 增加梁的有效高度等综合措施 使原梁在不增加配筋的情况下 满足汽 20 挂 100的承载要求 5 改进建议 盖梁悬臂接长 若采用体外预应力筋或预应力锚筋技术施工更为方面 结构更为可靠 为保证桥面铺装混凝土与桥面板的共同工作 加强两者之间的连接 应设置锚固短钢筋 桥面铺装层应设置钢筋网或掺入高强复合纤维 增强混凝土的抗裂能力 2020 3 23 可编辑 70 4 2型桥梁加固方案评述 2 洪河1号桥设计单位 原哈尔滨建筑工程学院实施时间 1988年 1 原桥的基本情况和加固设计要求洪河1号桥位于黑龙江省二龙山至抚远公路 原桥为跨径8m的单跨装配式钢筋混凝土简支板梁桥 全桥由7块宽度为100cm板组成 设计荷载为汽 15 挂 80 桥面净空为净 7 下部结构为混凝土轻型桥台 扩大基础 二抚公路扩建为二级公路 路基宽度为12m 行车道宽度为9m 在桥位处道路双侧加宽 桥面净空为净9 2 1 5m 桥梁的设计荷载提高为汽 20 挂 100 2020 3 23 可编辑 71 图4 2洪河1号桥加固方案示意图 图中尺寸单位为cm 2020 3 23 可编辑 72 4 2型桥梁加固方案评述 2 桥梁现场调查和承载力检算现场检测发现原梁的混凝土质量良好 经回弹测定混凝土强度在28Mpa以上 经检算原桥可以满足汽 15 挂 80的承载要求 但距汽 20 挂 100的要求正截面承载力相差的18 现场调查发现 原桥桥台前墙混凝土质量良好 未发现基础不均匀沉降现象 2020 3 23 可编辑 73 4 2型桥梁加固方案评述 3 加固设计要点 按加宽的桥面净空要求 加宽部分采用2 2块宽度为125cm的钢筋混凝土矩形板 按新加宽部分与原桥共同工作计算 靠边第2 3块板受力最大 边板位于人行道下面 受力较小 为此 将原桥边板 1号和7号 块分别移至新加宽部分的最外侧位置 中间空出250cm的空隙 布置新制作的2块125cm的钢筋混凝土矩形板 A B或C D 新板的钢筋按受力需要配置 将原桥面铺装混凝土凿除 全桥统一加铺10cm的C30陶砾混凝土 为了加强新旧混凝土之间的联系 在原桥面应凿成齿槽 原桥桥台及基础双侧加宽 新加基础部分基底设50cm的水撼砂 所谓 水撼砂 法就是利用水的流动性和砂砾的透水性 在松散砂砾的表面灌上水 依靠水的下渗使砂砾孔隙被细砂填满 从而达到最大密实度 这种方法在房屋建筑施工中是经常采用的 而在公路施工中却很少采用 垫层 为了加强桥台台身新旧混凝土之间的连接 在原桥台台身插入锚固钢筋 2020 3 23 可编辑 74 4 2型桥梁加固方案评述 4 方案评述 采用调换梁位的方法 合理利用原板的承载潜力 最大限度地发挥新板的作用 改用轻质陶砾混凝土桥面铺装 减轻桥梁恒载内力 采用上述综合措施 在保持原梁配筋不增加的前提下 达到了汽 20 挂 100的承载要求 陶砾混凝土桥面铺装中应设置钢筋网或掺入适量的高强复合短纤维 提高桥面铺装的抗裂能力 2020 3 23 可编辑 75 4 2型桥梁加固方案评述 3 坂头大桥设计单位 交通部第一公路工程总公司设计所 4 厦门市公路局 5 实施时间 第一次加固1955年第二次加固1999年 1 原桥的基本情况及承载力评估板头大桥位于国道324线厦门段 原桥建于1953年 其结构为四跨钢筋混凝土变高度连续T梁 外加一跨钢筋混凝土简支梁 其跨度划分及桥梁横断面如图4 3所示 2020 3 23 可编辑 76 图4 3坂头大桥的一般构造图 2020 3 23 可编辑 77 4 2型桥梁加固方案评述 原桥的设计荷载为汽 13级 国道324线厦门段改扩建工程要求将桥梁的设计荷载提高为汽 超20级 为了探讨原桥加固利用的可行性 1995年对原桥进行详细的外观检查和荷载试验 试验结果表明 桥梁主体结构未发现明显的破损和裂缝 混凝土质量较好 强度等级均在C25以上 连续梁各支点截面抗弯承载较高可以满足汽 超20的承载要求 连续梁各跨中截面抗弯承载力较低 不能满足汽 超20的要求 必需进行加固补强 各跨中截面的实测挠度值 均小于规范规定允许值 2020 3 23 可编辑 78 4 2型桥梁加固方案评述 2 加固设计要点针对原桥为变高度连续梁的特点和只需对跨中正截面抗弯承载力进行加固补强的要求 采用沿桥梁全长布置的直线型体外预应力束加固 在每个梁肋两侧跨中截面下缘处对称布置515 2钢绞线 钢绞线束在梁端张拉 采用OVM锚锚固 钢绞线束采用钢套管保护 见图4 4 该桥第一次加固于1995年完成 据文献 5 介绍 桥梁加固后使用情况良好 但1999年4月检查发现有一根钢绞线束下垂 进一步调查发现有一根钢绞线在桥头端断裂 有二根钢绞线在游动锚板处断裂 2020 3 23 可编辑 79 图4 4坂头大桥加固方案示意图 2020 3 23 可编辑 80 4 2型桥梁加固方案评述 应该指出文献 5 介绍的桥梁加固施工的情况与文献 4 介绍的加固设计方案 图4 4 略有不同 实际实施时 体外预应力筋束张拉改为采用自行设计的游动锚板在中间张拉的方案 钢绞线束在桥梁的端部用墩头锚固 文献 5 认为施工中采用的锚具选型不当 游动锚板固定差 钢绞线防护钢套筒空隙过大是造成钢绞线束下垂和断裂的原因 在第二次加固时 做了以下改进 取消中间的游动锚板 仍采用通常布置的直线钢绞线束 钢铰线束在一端桥台张拉 另一端为固定端 采用OVM锚具 2020 3 23 可编辑 81