桥梁加固设计理念的再思考(张树仁)

1、桥梁加固设计理念的再思考    桥梁杂志2012年第一期发表了笔者所写的桥梁加固设计理念的再思考一文,现转发供参考。     编者按：本文作者张树仁教授曽相继发表了从被动加固到主动加固的思考桥梁加固设计思想之我见和桥梁加固设计理念剖析与商榷两篇文章。他提出的“坚持桥梁带载加固必须考虑分阶段受力特点的基本观点,从解决后加补强材应变滞后,提高材料利用效率的根本目的出发,积极倡导预应力主动加固技术的推广应用”的桥梁加固设计思想,已逐渐被同行专家所认同,就全国范围而言,己有越来越多的从事桥梁维修加固设计与施工的工程技术人员

2、和管理工作者,从“不分加固性质,盲目乱贴碳纤维布”的桥梁加固误区解脱出来,在认真思考和积极实践“预应力主动加固技术”设计思想的真实含义和实用价值,这是我国桥梁加固事业逐步走向理性化的良好开端。    1 加深对桥梁加固分阶段受力特点的认识是树立正确设计思想的前提     ,桥梁加固设计是比新建桥梁设计更为复杂的系统工程，应充分考虑在役桥梁结构的实际情况和加固受力特点。桥梁结构自重和恒载大，一般均采用带载加固，即在不卸除结构自重和恒载的情况下对结构进行加固补强，待后加补强材料与原结构粘结为整体后，开放交通允许车辆通行。

3、0;         图1-1 桥梁加固钢筋混凝土受弯构件分阶段受力示意图      桥梁加固薄弱构件的承载力计算，必须考虑分阶段受力特点。图1-1所示为桥梁加固钢筋混凝土受弯构件分阶段受力示意图。构件自重和不拆除的恒载由原梁承担,车辆荷载及后加恒载由加固后的组合截面承担。与原梁钢筋相比，后加补强材料应变（应力）相对滞后，一般情况下,在极限状态时其应力是达不到抗拉强度设计值。计算结果表明，考虑分阶段受力的影响，加固构件以原梁钢筋的拉应力控制设计，后加补强材料拉应力较

4、小,不能充分发挥作用。特别是采用的直接粘贴高强碳纤维布(板片)的被动加固方案，后加补强材料的高抗拉性能是很难发挥作用，“大马拉小车”是一种极大的浪费。桥梁加固构件的设计与计算，应考虑带载加固分阶受力特点，这是桥梁加固设计与新建桥梁设计的最大区别，与一般房屋结构加固设计相比，桥梁加固构件受分阶段受力的影响程度更为突出。2 预应力加固的根本目的是解决后加补强材料应变滞后     桥梁带载加固后加补强材料应变（应力）滞后是影响加固构件工作性能、制约后加补强材料利用效率和控制加固工程成本的瓶颈。解决后加补强材料应变（应力）滞后的根本途径是变被动加固为主动加固，对

5、后加补强材料施加预应力，做成预应力加固体系,正截面抗弯加固要加预应力,斜截面抗剪加固更要加预应力。靠预应力的主动受力，从根本上解决后加补强材料的应变（应力）滞后，提高后加补强材料的利用效益，以最少的成本创造最佳的加固效果。由于预加力的作用改善了原梁的应力状态，可以提高原梁的承载力和抗裂性能。预应力技术是20世纪最具革命性的结构构思，已广泛用于土木和建筑工程。针对桥梁带载加固后加补强材料应变（应力）滞后的先天不足，预应力加固技术在桥梁加固中的应用具有更为特殊的意义。用于桥梁结构加固的预应力体系主要有四种：    体外预应力加固体系体外预应力加固是把具有防腐保护的预应

6、力筋布置在梁体的外部（或箱内），对梁体施加预加力，靠后增设的转向装置调整体外预应力筋的方向，以适应内力沿梁长方向的变化，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，达到提高承载力的目的。体外预应力加固是目前桥梁加固采用较多的方法之一。特别适用于大跨径预应力混凝土连续箱梁和连续T构箱梁桥的加固。其关键技术是体外预应力筋的锚固、转向和防腐保护问题。   无粘结预应力加固体系无粘结预应力技术是将具有防腐保护的预应力筋布置在梁体的内部，待混凝土硬化后张拉预应力筋，对梁体施加预加力。将无粘结预应力技术推广用于桥梁加固，其核心问题是解决为锚固无粘结预应力筋而增设的混凝土支承保护层与被

7、加固梁体的可靠粘结问题。无粘结预应力加固，特别适用于中、小跨径钢筋混凝土T形梁的加固，构造简单，施工方便。   高强复合纤维预应力加固体系采用锚固、粘贴在梁体外部（或箱内）的高强复合纤维布条（或板条）对梁体施加预加力。这种加固体系目前尚处于试验研究阶段，其关键技术是解决适应于桥梁加固现场施工的预应力纤维布（板）的张拉、锚固和张拉后纤维布条（或板条）与被加固梁体的可靠粘结问题。有粘结预应力加固体系有粘结预应力加固体系是采用锚固于被加固梁体上的23股钢绞线、小直径精轧螺纹钢或普通热轧钢筋，对梁体施加预加力，然后喷注具有较高抗拉强度的复合砂浆，将预应力筋与被加固梁体粘结

8、为一体，构成有粘结预应力加固体系。    有粘结预应力加固体系特别适用于中、小跨径的钢筋混凝土T形梁和空心板梁的加固，尤其是对高速公路和城市立交工程中大量采用的中等跨径的钢筋混凝土及预应力混凝土连续箱梁桥，采用在箱梁底部增设预应力筋，然后喷注高性能复合砂浆的有粘结预应力加固体系是理想的加固方案之一。3 有粘结预应力加固构造要点和关键技术采用锚固于被加固梁体上的小直径钢绞线或普通热轧钢筋，对梁体施加预加力，然后喷注高性能抗拉复合砂浆的有粘结预应力加固体系是笔者于2004年在总结韩国SRAP技术的基础上提出的加固设计新构思,其关键技术是预应力筋张拉与锚固和高强复合砂浆

9、的合理选择与喷注.3.1 预应力钢筋种类、张拉与锚固用于有粘结预应力加固体系的预应力钢筋，可采用2股或3股钢绞线、小直径精轧螺纹钢等国产钢材。由于用于旧桥梁加固的预应力筋应力损失较小，张拉控制应力较低，对某些情况下甚至可以采用小直径的普通热轧钢筋（HRB400或HRB335）作预应力筋。    小直径精轧螺纹钢采用厂家配套的螺帽锚固，采用小型液压测力扳手进行张拉，张拉控制应力可取0.7-0.8fpk 。    小直径钢绞线（3股或2股钢绞线）采用夹片锚具锚固，采用小型千斤顶进行张拉，张拉控制应力可取0.5-0.6fpk 。 

10、    小直径钢绞线和精轧螺纹钢预应力筋采用锚固于梁体上的支承角钢固定，支承角钢与被加固梁体的锚固方式因原梁钢筋布置的情况而异，可以采用膨胀螺栓（或植筋），亦可采用膨胀螺栓与胶结（或焊接）相结合的方式。   小直径的热轧钢筋（HRB400或HRB335）可采用焊接连接锚固。将钢筋的两端焊接在固定于被加固梁体上的锚固钢板条上,采用横向拉紧变形法进行张拉, 张拉控制应力可取与一期荷载作用下原梁钢筋应力大致相同的水平,一般取0.4-0.6fpk 。   3.2 高性能抗拉复合砂浆的选择和喷注    有

11、粘结预应力加固体系依靠后喷注的高性能抗拉复合砂浆，将预应力筋与被加固梁体粘结为一体，复合砂浆的高粘结强度是保证两者共同工作的基础，复合砂浆的高抗拉性能是控制结构抗裂性、保护后加预应力钢筋免于腐蚀的前提。      目前国内生产的高性能复合砂漿种类很多,尚无统一的生产标准,生产厂家给出的性能指标也不尽相同。笔者建议用于桥梁加固的高性能复合砂浆,应滿足表3.2-1规定的性能要求。              &#

12、160;  桥梁加固用高性能复合砂浆主要性能要求       表3.2-1砂漿性能 分   级 抗压强度标准值(Mpa)抗拉强度 标准值    (Mpa)粘结面抗剪强度标准值    (Mpa)    标准碳化      深度       (mm)  氯离子&#

13、160;          渗透性 (库伦)一级358    3       5很低(100-1000)二级306    2.5       8很低(100-1000)三级304    2       10低(1000-

14、2000)四级303    1.5       15低(1000-2000) 注: 抗压强度采用GB-18445-2001标准试验测;   抗拉强度采用劈裂试验测定;   粘结面抗剪强度采用纯剪试验测定,并应标明所用界面剂和界面处理情况;   碳化深度采用GBJ 82-85标准试验测定;   氯离子渗透性采用ASTMC 1202-97标准试验测定,根据测得的电量,判断氯离子渗透性,>4000库伦,渗透性高;20

15、00-4000库伦, 渗透性中等;1000-2000库伦, 渗透性低;100-1000库伦, 渗透性低;<100库伦;   上述强度标准值应具有95 的保的保证率。   复合砂浆的选择应综合考虑桥梁的使用环境、加固设计抗裂性要求和加固施工情况的影响,建议按下列意见处理:(1)用于梁底受拉区正截面抗弯加固    采用小直径钢绞线、高强钢丝和精轧螺纹钢筋的有粘结预应力加固：对处于、类环境的桥梁,可采用二级复合砂浆; 对处于、类环境的桥梁宜采用一级复合砂浆。  采用普通热轧钢筋(HRB335、HRB400

16、) 的有粘结预应力加固：对处于、类环境的桥梁可采用三级复合砂浆; 对处于、类环境的桥梁宜采用二级复合砂浆。 (2)用于腹板(梁肋)侧面的斜截面抗剪加固   采用普通热轧钢筋(HRB335、HRB400) 的有粘结预应力加固,可采用三级复合砂浆      注：桥梁使用环境类别按桥规JTG D62-2004的规定划分,类环境系指温暖或寒冷地区的大气环境,与无侵蚀性水或土接触的环境;类环境系指严寒地区的大气环境、使用除冰盐环境、滨海环境;类环境系指海水环境;类环境系指受侵蚀性物质影响的环境。  

17、60;  复合砂浆的保护层的厚度（砂浆表面至钢筋表面的距离）应根据材料抗碳化性能和抗化学腐蚀能力,由耐久性要求确定，一般取（1015）mm。复合砂浆的喷注厚度与钢筋布置情况有关，一般为（3040）mm；布置支承角钢（锚垫板）的梁段的喷注厚度较大，应分层喷注。      笔者近年开展试验研究和工程实践表明. 有粘结预应力加固体系以其加固效果显著、结构耐久性好和施工方便的综合技术优势，受到土木工程界的重视,己在黑龙江省哈同公路蚂蚁河2号桥、曲家屯桥，河北省京沪高速漳卫新河岔河大桥，山西省太旧高速宿武立交枢纽工程，山东省烟台开发区夾河大桥，

18、辽宁省鹤大公路丹东大洋河大桥，沈阳环城高速后丁香大桥和苏北大桥等多座桥加固中应用，取得了良好的加固效果。但就全国范围而言, 有粘结预应力加固技术推广应用进展不快,其主要原因是由于后喷注的高性能抗拉复合砂浆（或聚合物砂浆）的价格较贵，加固成本较高，限制了这一先进加固技术的进一步推广应用。因此，从我国桥梁加固工程的实际需求出发，研究开发施工更为方便、加固成本相对较低的有粘结应力加固应用技术是十分必要的。4  横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加技术的研制与开发  笔者在总结近年来有粘结预应力加固技术推广应用经验和问题的基础上, 于2010年开展了横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加

19、固新技术的研制与开发，并申报了国家发明专利。横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固技术的核心内容是：采用具有防腐保护的环氧涂层钢筋，替代高强钢绞线或普通热轧钢筋做预应力筋，这样,可降低对后喷的复合砂浆的抗裂性要求（甚至可允许加固后构件出现不大于0.2mm的裂缝），可以用抗拉强度相对较低的复合砂浆（或混凝土）替代价格昂贵的高性能抗拉复合砂浆（或聚合砂浆），使加固成本大幅度降低。     环氧涂层钢筋的母材可采用普通热轧钢筋（HRB 355或HRB 400）。  (1)用于桥梁加固的预应力筋预应力损失小,这为采用强度相对较低的普通热轧钢筋（

20、HRB 355或HRB 400）作预应力筋提供了可能。 (2)采用普通热轧钢筋（HRB 355或HRB 400）作预应力筋的优点是:    普通热轧钢筋的可焊性好,可以采用焊接连接;     普通热轧钢筋的塑性好,可以防止材料的脆性破环;    普通热轧带肋变形钢筋与砂浆的粘结强度高。4.1 横向张拉控制应力的选择与控制     桥梁加固中对后加补强材料施加预应力的主要目的是解决变（应力）滞后，施加的张拉控制应力,应与一期荷载作用下原梁钢筋应力处

21、于大致相同的水平,一般取张拉控制应力0.5-0.6fpk ,式中fpk 为后加预应力筋的抗拉强度标准值。   施工时张拉控制应力用可横向张拉后钢筋的倾斜角(或钢筋转折点的坐标)来测量和标定.其数值可由下式计算 。     式中:    L1-张拉前两焊接锚固点间钢筋长度;              L2-张拉后钢筋的长度  ;  

22、60;                     -张拉后 钢筋的倾斜角;                 Ep- 预应力筋的弹性模量。      4.2 复合砂浆（或混凝土）保护层材料选择及施工方法根据加固部位的抗裂要求

23、和工作条件，选择复合砂浆（或混凝土）保护层材料和施工方法。   板、梁的正截面抗弯加固，补强预应力筋布置在梁的底面受拉区，可选择三、四级复合砂浆,采用喷射法施工。   T形梁和箱梁桥的斜截面抗剪加固，补强预应力钢筋布置在腹板的两侧（或箱内）,可选择四级复合砂浆（或混凝土）,采用抹压法施工。   4.3横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固技术的应用    横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固技术是有粘结预应力加固设计思想的重大突破，将以加固工作原理先进、加固效果显著、加固施工方便、材料利用效率高和加固成本低

24、的综合技术经济优势，成为桥梁加固最具有竞争力的方案。    横向张拉环氧涂层有粘结预应力加固技术适用钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁加固，亦可用于房屋建筑等其他结构的加固,主要用于下列情况：  钢筋混凝土及预应力混凝土板、梁桥的正截面抗弯承载力加固；  钢筋混凝土及预应力混凝土T形梁、箱形梁桥的斜截面抗剪承载力加固;  多跨简支板、梁桥的简支转连续加固;  曲线型匝道桥的正截面抗弯承载力加固。(1 )横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力正截面抗弯承载力加固       &#

25、160;                  图 4.3-1.a                              

26、0;                 图4.3-1.b    图4.3-1采用横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力体系     对空心板桥梁正截面加固示意图    图4.3-1为采用横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力体系对空心板桥梁进行正截面加固示意图。在板底增设平行布置的小直径（1216）环氧涂层普通热轧钢筋（HRB 35

27、5或HRB 400），钢筋间距为（100200 ）mm（具体间距应按正截面抗弯承载力要求确定），钢筋两端焊接在固定于原梁底板两端的锚固钢板条上（锚固钢板条的厚度应不小于5mm）。在钢筋的中部位置，对相邻两根钢筋施加横向拉紧力，将钢筋拉紧并固定呈折线形（图4.3-1a）,用横向卡紧器固定。对于较长的钢筋应根据施加预应力的需要（即张拉后折线形预应力筋倾斜角），在相邻两根钢筋之间设置若干横向撑板（或锚固钢筋）将钢筋分段，在每段的中部位置，对相邻两根钢筋施加横向拉紧力，将钢筋拉紧并固定为多段折线形（图4.3-1.b）,用横向卡紧器固定。然后，在板的底面喷注（3040 ）mm的复合砂浆，将预应力筋与原梁

28、粘结为一体，构成有粘结预应力加固体系。      ( 2) 横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力斜截面抗剪承载力加固         图4.3-2 横向張拉环氧涂层钢筋有粘结预应力斜截面抗剪加固示意图     图4.3-2为采用横向張拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固体系对预应力混凝土连续箱桥进行斜截面抗剪加固的构造示意图。该桥为顶推法施工的跨径40m的预应力混凝土连续箱梁桥, 已使用10年，调查与检测发现,在靠近支点梁段的箱梁腹板均出现多条大致为45度方向的斜裂缝,裂缝宽度为0.10.4mm,预示斜截面抗剪承载力不足。      众所周知,顶推法施工的预应力混凝土连续箱梁为适应顶推施工过程产生的正、负弯矩和剪力的反复作用，箱梁顶层和底层配置纵向水平预应力筋束较