T加固设计之桥梁结构病害分析与改造加固设计

桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月0

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。2005年1月1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2005年1月2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。2005年1月3第一章桥梁病害诊断第二章混凝土结构承载能力及耐久性评估第三章桥梁改造加固方案设计第四章桥梁加固薄弱受弯构件设计计算讲授提纲2005年1月4第一章桥梁病害诊断§1-1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏§1-2混凝土结构的裂缝分析基本内容2005年1月5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。第一章桥梁病害诊断2005年1月6§1-1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。第一章桥梁病害诊断2005年1月7§1-1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：第一章桥梁病害诊断2005年1月8§1-1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏①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；②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。③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第一章桥梁病害诊断2005年1月9§1-1环境因素引引起的混凝凝土结构损损伤或破坏坏剥落，开始始时在混凝凝土表面出出现粒径为为2-3mm的小片剥落落，随着使使用年限的的增加，剥剥落量及剥剥落块直径径增大，剥剥落由表及及里，发展展速度很快快。一经发发现冻融引引起的混凝凝土剥落，，必需密切切注意剥落落的发展情情况，及时时采取修补补措施。北方地区采采用撒盐除除冰，由于于盐类与冻冻融循环的的共同作用用引起的盐盐冻破坏是是冻融循环环破坏的一一种特殊形形式。盐冻冻破坏是静静水压及盐盐溶液的渗渗透压和结结晶压共同同作用的结结果，因此此，盐冻破破坏要比单单纯的冻融融破坏严酷酷得多。盐冻破坏区区别于其他他破坏形式式的主要特特征是：①表面分层层剥落，骨骨料暴露，，但剥落层层下面的混混凝土完好好；②破破坏坏速速度度快快，，对对未未采采用用防防盐盐冻冻措措施施而而使使除除冰冰盐盐者者，，第一一章章桥桥梁梁病病害害诊诊断断2005年1月10§1-1环境境因因素素引引起起的的混混凝凝土土结结构构损损伤伤或或破破坏坏少则则一一冬冬，，多多则则几几冬冬，，即即可可产产生生严严重重盐盐冻冻破破坏坏；；③在在没没有有干干扰扰的的剥剥蚀蚀表表面面或或裂裂缝缝中中可可见见到到白白色色盐盐结结晶晶体体；；5钢筋筋锈锈蚀蚀混凝凝土土中中钢钢筋筋腐腐蚀蚀的的首首要要条条件件是是钝钝化化膜膜坏坏，，混混凝凝土土的的碳碳化化及及氯氯离离子子侵侵蚀蚀都都会会造造成成覆覆盖盖钢钢筋筋表表面面的的碱碱性性钝钝化化膜膜的的破破坏坏，，加加之之有有水水分分和和氧氧的的侵侵入入，，就就可可能能引引起起钢钢筋筋的的腐腐蚀蚀。。钢钢筋筋腐腐蚀蚀伴伴有有体体积积膨膨胀胀，，使使混混凝凝土土出出现现沿沿钢钢筋筋的的纵纵向向裂裂缝缝，，造造成成钢钢筋筋与与混混凝凝土土之之间间的的粘粘结结力力破破坏坏，，钢钢筋筋截截面面面面积积减减少少，，使使结结构构构构件件的的承承载载力力降降低低，，变变形形和和裂裂缝缝增增大大等等一一系系列列不不良良后后果果，，并并随随着着时时间间的的推推移移，，腐腐蚀蚀会会逐逐渐渐恶恶化化，，最最终终可可能能导导致致结结构构的的完完全全破破坏坏。。第一一章章桥桥梁梁病病害害诊诊断断2005年1月11§1-1环境境因因素素引引起起的的混混凝凝土土结结构构损损伤伤或或破破坏坏值得得注注意意的的是是，，上上述述所所有有侵侵蚀蚀混混凝凝土土和和钢钢筋筋的的作作用用都都需需要要有有水水作作介介质质。。另另一一方方面面，，几几乎乎所所有有的的侵侵蚀蚀作作用用对对混混凝凝土土结结构构的的破破坏坏都都与与侵侵蚀蚀作作用用引引起起的的混混凝凝土土膨膨胀胀，，最最终终导导致致混混凝凝土土的的开开裂裂有有关关。。而而且且当当混混凝凝土土结结构构开开裂裂后后，，腐腐蚀蚀速速度度将将大大大大加加快快。。形形成成导导致致混混凝凝土土结结构构的的耐耐久久性性进进一一步步退退化化的的恶恶化化循循环环。。因因此此，，对对新新建建结结构构而而言言，，提提高高混混凝凝土土结结构构耐耐久久性性的的基基本本途途径径是是增增强强混混凝凝土土的的密密实实度度，，防防止止和和控控制制混混凝凝土土开开裂裂，，阻阻止止水水分分的的侵侵入入；；加加大大混混凝凝土土保保护护层层的的厚厚度度，，防防止止由由于于混混凝凝土土保保护护层层碳碳化化引引起起钢钢筋筋钝钝化化膜膜的的破破坏坏。。对对于于在在役役结结构构而而言言，，提提高高混混凝凝土土结结构构耐耐久久性性的的基基本本思思路路是是在在清清除除病病害害根根源源的的基基础础上上，，封封堵堵裂裂缝缝，，修修补补破破损损混混凝凝土土；；增增设设防防水水层层，，防防止止水水分分的的侵侵入入。。第一章桥桥梁病害诊断断2005年1月12§1-2混凝凝土结构的裂裂缝分析实践表明，混混凝土结构的的任何损伤与与破坏，一般般都是首先在在混凝土中出出现裂缝，裂裂缝是反映混混凝土结构病病害的晴雨表表。所以，对对混凝土结构构的损伤检测测，首先应从从对结构的裂裂缝调查、检检测与分析入入手。混凝土结构的的裂缝是由材材料内部的初初始缺陷、微微裂缝的扩展展而引起的。。引起裂缝的的原因很多，，但可归纳为为两大类：第一类：由外外荷载引起的的裂缝，称为为结构性裂缝缝（又称为受受力裂缝），，其裂缝的分分布及宽度与与外荷载有关关。这种裂缝缝的出现，预预示结构承载载力可能不足足或存在其他他严重问题。。第一章桥桥梁病害诊断断2005年1月13§1-2混凝凝土结构的裂裂缝分析第二类：由变变形引起的裂裂缝，称为非非结构性裂缝缝，如温度变变化、混凝土土收缩等因素素引起的结构构变形受到限限制时，在结结构内部就会会产生拉应力力，当此应力力达到混凝土土抗拉强度极极限值时，即即会引起混凝凝土裂缝，裂裂缝一旦出现现，变形得到到释放，拉应应力也就消失失了。两类裂缝有明明显的区别，，危害效果也也不相同，有有时两类裂缝缝融在一起。。调查资料表表明，在两类类裂缝中以变变形引起的裂裂缝占主导的的约占80%；以荷载引起起的裂缝占主主导的约占20%。对裂缝原因因的分析是裂裂缝危害性评评定，裂缝修修补和加固的的依据，若对对裂缝不经分分析研究就盲盲目进行处理理，不仅达不不到预期的效效果，还可能能潜藏着突发发性事故的危危险。第一章桥桥梁病害诊断断2005年1月14§1-2混凝凝土结构的裂裂缝分析1．结构性裂缝缝（受力裂缝缝）众所周知，混混凝土的抗拉拉强度很低，，抗拉极限应应变大约为第一章桥桥梁病害诊断断换句话说，混混凝土即将开开裂的瞬间，，钢筋的应力力只有事实上，在正正常使用阶段段钢筋的应力力远大于此值值，所以说在在正常使用阶阶段钢筋混凝凝土结构出现现裂缝是避不不可免的。因因而，习惯上上又将这种裂裂缝称为正常常裂缝。实践践证明，在正正常条件下，，裂缝宽度小小于0.3mm时，钢钢筋不不致生生锈。。为确确保安安全，，允许许裂缝缝宽度度还应应2005年1月15小一些些。新新颁布布的<公路钢钢筋混混凝土土及预预应力力混凝凝土桥桥涵设设计规规范>JTGD62-2004（以下下简称称<桥规JTGD62>）规定定：钢钢筋混混凝土土构件件计算算的特特征裂裂缝宽宽度不不应超超过下下列规规定的的限值值：Ⅰ类及Ⅱ类环境境0.2mmⅢ类及Ⅳ类环境境0.15mm图1-1所示为为钢筋筋混凝凝土简简支梁梁的典典型结结构性性裂缝缝分布布示意意图。。第一章章桥桥梁梁病害害诊断断§1-2混混凝土土结构构的裂裂缝分分析图1-1钢筋混混凝土土梁结结构裂裂缝2005年1月16图1-1中①所所示的的跨中中截面面附近近下缘缘受拉拉区的的竖向向裂缝缝，是是最常常见的的结构构性裂裂缝。。在正正常设设计和和使用用情况况下，，裂缝缝宽度度不大大，间间距较较密，，分布布均匀匀。若若竖直直裂缝缝宽度度过大大，预预示结结构正正截面面承载载力不不足；；图1-1中②所所示为为支点点（或或腹板板宽度度变化化处））附近近截面面由主主拉应应力引引起的的斜裂裂缝。。在正正常设设计和和使用用情况况下很很少出出现斜斜裂缝缝，即即使出出现裂裂缝宽宽度也也很小小。若若斜裂裂缝宽宽度过过大，，预示示结构构的斜斜截面面承载载力不不足，，存在在发生生斜截截面脆脆性破破坏的的潜在在危险险，应应引起起足够够的重重视。。另外，，钢筋筋混凝凝土墩墩柱受受压构构件由由于纵纵向压压力过过大引引起的的纵向向裂缝缝、预预应力力筋锚锚固区区由于于局部部应力力过大大引起起的劈劈裂裂裂缝等等都属属于结结构性性裂缝缝。第一章章桥桥梁梁病害害诊断断§1-2混混凝土土结构构的裂裂缝分分析2005年1月17有些结结构性性裂缝缝（受受力裂裂缝））是由由设计计错误误和施施工方方法不不当所所造成成的。。例如如：钢钢筋锚锚固长长度不不足、、计算算图式式与实实际受受力不不符、、次内内力考考虑不不全面面和施施工安安装构构件支支承吊吊点错错误等等都可可以使使构件件产生生裂缝缝。在超静静结构构中基基础不不均匀匀沉降降，将将引起起结构构的内内力变变化，，可能能导致致结构构出现现裂缝缝。基基础不不均沉沉降引引起的的上部部结构构的裂裂缝，，实质质上是是属于于结构构性裂裂缝（（受力力裂缝缝）范范畴，，裂缝缝的分分布和和宽度度与结结构形形式、、基础础不均均沉降降情况况及大大小等等多种种因素素有关关。这这种裂裂缝对对结构构安全全性影影响很很大，，应在在基础础不均均匀沉沉降停停止或或采用用加固固地基基方法法消除除后，，才能能进行行上部部结构构的裂裂缝处处理。。第一章章桥桥梁梁病害害诊断断§1-2混混凝土土结构构的裂裂缝分分析2005年1月182．非结结构性性裂缝缝混凝土土的非非结构构性裂裂缝根根据其其形成成的时时间可可分为为：混混凝土土硬化化前裂裂缝、、硬化化过程程裂缝缝和完完全硬硬化后后裂缝缝。非非结构构性裂裂缝的的产生生受混混凝土土材料料组成成、浇浇筑方方法，，养护护条件件和使使用环环境等等等多多种因因素影影响。。（1）收收缩缩裂裂缝缝在混混凝凝土土凝凝固固过过程程中中，，由由于于多多余余水水分分蒸蒸发发，，引引起起的的混混凝凝土土体体积积缩缩小小称称为为干干缩缩。。同同时时，，水水泥泥与与水水起起水水化化作作用用逐逐渐渐硬硬化化而而形形成成的的水水泥泥骨骨架架不不断断紧紧密密，，引引起起的的混混凝凝土土体体积积缩缩小小称称为为凝凝缩缩。。收收缩缩中中以以干干缩缩为为主主，，占占总总收收缩缩量量的的8/10~9/10。收收缩缩量量随随时时间间增增长长而而不不断断加加大大，，初初期期收收缩缩较较快快，，尔尔后后日日趋趋缓缓慢慢。。普普通通混混凝凝土土在在标标准准状状态态下下的的极极限限收收缩缩变变形形约约为为(3~4)××10－4。第一一章章桥桥梁梁病病害害诊诊断断§1-2混混凝凝土土结结构构的的裂裂缝缝分分析析2005年1月19当混混凝凝土土成成形形后后，，表表面面水水份份蒸蒸发发，，这这种种水水份份蒸蒸发发总总是是由由表表及及里里逐逐步步发发展展，，截截面面内内外外温温度度不不等等，，内内外外收收缩缩量量不不一一样样。。混混凝凝土土表表面面收收缩缩变变形形受受到到混混凝凝土土内内部部约约束束或或其其他他约约束束限限制制时时，，即即在在混混凝凝土土中中产产生生拉拉应应力力，，引引起起混混凝凝土土开开裂裂。。尤尤其其是是混混凝凝土土早早期期养养护护不不当当，，混混凝凝土土表表面面直直接接受受到到风风吹吹日日晒晒的的影影响响，，表表面面水水份份蒸蒸发发过过快快，，产产生生较较大大的的拉拉应应力力，，混混凝凝土土早早期期强强底底低低，，很很容容易易出出现现收收缩缩裂裂缝缝。。收缩裂缝缝发生在在混凝土土面层，，裂缝浅浅而细，，宽度多多在0.05~0.2mm之间。对对板类构构件多沿沿短边方方向，均均匀分布布于相邻邻两根钢钢筋之间间，方向向与钢筋筋平行。。对高度度较大的的钢筋混混凝土梁梁，由于于腰部水水平钢筋筋间距过过大，在在腰部（（或腹板板）产生生竖向收收缩裂缝缝，但多多集中在在构件中中部，第一章桥桥梁梁病害诊诊断§1-2混凝土土结构的的裂缝分分析2005年1月20中间宽两两头细，，至梁的的上、下下缘附近近逐渐消消失，梁梁底一般般没有裂裂缝。大大体积混混凝土在在平面部部位收缩缩裂缝较较多，侧侧面也有有所见。。收缩裂裂缝对构构件承载载力影响响不大，，主要影影响影响响结构外外观和耐耐久性。。（2）温度裂裂缝钢筋混凝凝土结构构随着温温度变化化将产生生热胀冷冷缩变形形，这种种温度变变形受到到约束时时，在混混凝土内内部就会会产生拉拉应力，，当此应应力达到到混凝土土的抗拉拉强度极极限值时时，即会会引起混混凝土裂裂缝，这这种裂缝缝称为温温度裂缝缝。按结结构的温温度场不不同、温温度变形形、温度度应力不不同，温温度裂缝缝可分为为三种类类型：①截面均均匀温差差裂缝第一章桥桥梁梁病害诊诊断§1-2混凝土土结构的的裂缝分分析2005年1月21一般桥梁梁结构为为杆件体体系长细细结构，，当温度度变化时时，构件件截面受受到均匀匀温差的的作用，，可忽略略横截面面两个方方向的变变形，只只考虑沿沿梁长度度方向的的温度变变形，当当这种变变形受到到约束时时，在混混凝土内内部就会会产生拉拉应力，，出现裂裂缝。例例如：连连续梁预预留伸缩缩缝的伸伸缩量过过小，或或有施工工时散落落的混凝凝土碎块块等杂物物嵌入伸伸缩缝，，或堆集集于支座座处没有有及时清清理，使使伸缩缝缝和支座座失灵等等，当温温度急剧剧变化时时，结构构伸长受受到约束束，上部部桥跨结结构就会会出现这这种截面面均匀温温差裂缝缝，严重重者还可可能造成成墩台的的破坏。。②截面上上、下温温差裂缝缝以桥梁结第一章桥桥梁梁病害诊诊断§1-2混凝土土结构的的裂缝分分析2005年1月22变化时，，会造成成箱内外外的温度度差，考考虑到桥桥梁为长长细结构构，可以以认为在在沿梁长长方向箱箱内外的的温差是是一致的的，沿水水平横向向没有温温差。将将三维热热传导问问题简化化为沿梁梁的竖向向温度梯梯度来确确定，一一般假设设梁的截截面高度度方向、、温差呈呈线性变变化。在这种温温差作用用下，梁梁不但有有轴向变变形，还还伴随产产生弯曲曲变形。。梁的弯弯曲变形形在超静静定结构构中不但但引起结结构的位位移，而而且因多多余约束束存在，，还要产产生结构构内部温温度应力力。当上上、下温温差变形形产生的的应力达达到混凝凝土抗拉拉强度极极限值时时，混凝凝土就要要出现裂裂缝，这这种裂缝缝称为截截面上、、下温差差裂缝。。第一章桥桥梁梁病害诊诊断§1-2混凝土土结构的的裂缝分分析2005年1月23③截面内内外温差差裂缝水泥在水水化过程程产生一一定的水水化热，，其大部部分热量量是在混混凝土浇浇筑后3天以内放放出的。。大体积积混凝土土产生的的大量水水化热不不容易散散发，内内部温度度不断上上升，而而混凝土土表层散散热较快快，使截截面内部部产生非非线性温温度差。。另外，，预制构构件采用用蒸气养养护时，，由于混混凝土升升温或降降温过快快，致使使混凝土土表面剧剧烈升温温或降温温，也会会使截面面内部产产生非线线性温度度差。在在这种截截面内外外温差作作用下，，结构将将产生弯弯曲变形形，截面面纵向纤纤维因温温差的伸伸长将受受到约束束，产生生温度自自应力。。对超静静定结构构还会产产生阻止止挠曲变变形的约约束应力力。有时时此温度度应力是是相当大大的，尤尤其是混混凝土早早期强度度比较较较低，很很容易造造成混凝凝土裂缝缝。第一章章桥桥梁梁病害害诊断断§1-2混混凝土土结构构的裂裂缝分分析2005年1月24混凝土土温度度裂缝缝有以以下特特点：：①裂缝缝发生生在板板上时时，多多为贯贯穿裂裂缝；；发生生在梁梁上多多为表表面裂裂缝。。②梁板板式结结构或或长度度较大大的结结构，，裂缝缝多是是平行行于短短边。。③大面面积结结构（（例如如桥面面铺装装）裂裂缝多多是纵纵横交交错。。④裂缝缝宽度度大小小不一一，且且沿结结构全全长没没有多多大变变化。。预防温温度裂裂缝的的主要要措施施是合合理设设置温温度伸伸缩缝缝，在在混凝凝土组组成材材料中中掺入入适量量的磨磨细粉粉煤灰灰，减减少水水化热热，加加强混混凝土土养护护，严严格控控制升升温和和降温温速度度。第一章章桥桥梁梁病害害诊断断§1-2混混凝土土结构构的裂裂缝分分析2005年1月25第二章章混混凝凝土结结构承承载能能力及及耐久久性评评估§2-1在役混混凝土土结构构的承承载能能力与与耐久性性评估估的基基本概概念§2-2考虑钢钢筋腐腐蚀影影响的的承载载能力力评估方方法基本内内容2005年1月26§2-1在役混混凝土土结构构的承承载能能力与与耐久久性评评估的的基本本概念念混凝土土结构构受到到损伤伤后，，需要要对结结构损损伤的的原因因和程程度进进行分分析，，对损损伤对对结构构承载载能力力及耐耐久性性的影影响进进行评评估，，其主主要内内容是是：①考虑虑结构构损伤伤影响响的承承载能能力评评估②在役役结构构剩余余使用用寿命命评估估在评估估分析析的基基础上上，根根据经经济技技术条条件，，制定定科学学的维维修加加固方方案，，提出出结构构处理理措施施。评估现现有结结构的的安全全可靠靠性的的核心心问题题是确确定考考虑结结构病病害损损伤后后的结结构承承载能能力。。桥梁梁结构构的承承载能能力评评定通通常采采用以以下三三个途途径：：①根据据相关关规范范要求求对照照桥梁梁的存存在的的缺陷陷及病病害进进行综综合评评定例例如我我国<公路养养护技技术规规范>中对桥桥梁技技术状状态标标准和和裂缝缝宽度度，都都做了了规定定。依依此标标准将将桥梁梁技术术状况况划分分为四四类。。公路路养护护第二章章混混凝凝土结结构承承载能能力及及耐久久性评评估2005年1月27§2-1在役混混凝土土结构构的承承载能能力与与耐久久性评评估的的基本本概念念管理部部门推推广使使用的的<桥梁技技术状状况评评估专专家系系统>也属于于综合合评估估方法法，这这种评评估方方法只只能给给出宏宏观的的分析析结果果。②现场场荷载载试验验评估估方法法通过现现场荷荷载试试验（（静载载试验验和动动载试试验））可直直接检检测结结构的的实际际承载载力。。荷载载试验验与理理论计计算分分析相相结合合是比比较符符合实实际的的承载载力评评定方方法，，但试试验设设备复复杂，，技术术难度度高，，经费费支出出大，，目前前尚难难以大大规模模推广广应用用。③理论论计算算分析析评估估方法法在现场场调查查和病病害检检测分分析的的基础础上，，考虑虑结构构病害害、损损伤的的影响响，按按现行行规范范计算算结构构承载载力是是国内内采用用的承承载力力评估估的主主要方方法。。第二章章混混凝凝土结结构承承载能能力及及耐久久性评评估2005年1月28§2-1在役混凝凝土结构构的承载载能力与与耐久性性评估的的基本概概念结构的剩剩余使用用寿命预预测是耐耐久性评评估的核核心内容容。结构构的剩余余寿命系系指在不不加维修修或正常常维修及及正常使使用条件件下，结结构可能能继续使使用的年年限。钢钢筋锈蚀蚀是影响响混凝土土结构耐耐久性和和使用寿寿命的重重要因素素，因此此，一一般将钢钢筋锈蚀蚀作为判判断混凝凝土结构构使用寿寿命终结结的标准准。混凝凝土结构构剩余寿寿命评估估是个目目前尚未未很好解解决的科科研课题题，它涉涉及到钢钢筋锈蚀蚀破坏机机理和钢钢筋锈蚀蚀胀力模模型的研研究和耐耐久性终终结标准准的确定定。目前前，对在在役结构构的耐久久性评估估和剩余余寿命预预测，大大多还是是依赖有有经验的的工程技技术人员员作出经经验性评评价和处处理意见见。第二章混混凝凝土结构构承载能能力及耐耐久性评评估2005年1月29§2-2考虑钢钢筋腐蚀蚀影响的的承载能能力评估估方法1、钢筋锈锈蚀对结结构承载载力的影影响混凝土中中的钢筋筋腐蚀是是造成混混凝土结结构损伤伤，影响响结构承承载能力力的最主主要因素素，其主主要表现现是：①钢筋腐腐蚀后，，使钢筋筋的有效效截面面面积减少少；②钢筋腐腐蚀后，，力学性性能劣化化，强度度降低；；③钢筋腐腐蚀后，，混凝土土保护层层开裂甚甚至脱落落，使混混凝土的的有效断断面面减少；；④钢筋腐腐蚀后，，钢筋与与混凝土土之间的的粘结性性能退化化，影响响钢筋与与混凝土土的共同同工作。。（1）腐蚀钢钢筋的屈屈服强度度和极限限强度钢筋腐蚀蚀对其力力学性能能的影响响取决于于腐蚀程程度。试试验研究究表明，，腐蚀钢钢筋的屈屈服强度度与相应应的截面面损失率率之间的的关系，，基本上上服从线线性关系系。第二章混混凝凝土结构构承载能能力及耐耐久性评评估2005年1月30§2-2考虑钢钢筋腐蚀蚀影响的的承载能能力评估估方法牛荻涛[]在综合分分析试验验资料的的基础上上，给出出了腐蚀蚀钢筋实实际屈服服强度和和极限强强度计算算表达式式为第二章混混凝凝土结构构承载能能力及耐耐久性评评估（2-1）（2-2）2005年1月31§2-2考虑钢钢筋腐蚀蚀影响的的承载能能力评估估方法（2）腐蚀钢钢筋与混混凝土之之间的粘粘结性能能退化对对承载力力的影响响。混凝土中中的钢筋筋腐蚀后后，在钢钢筋与混混凝土接接口上生生成疏松松的锈层层，破坏坏钢筋表表面与混混凝土之之间的化化学胶结结力，并并降低了了钢筋与与混凝土土之间的的摩擦力力；对变变形钢筋筋横肋的的锈蚀将将降低钢钢筋和混混凝土之之间的机机械咬合合力，保保护层混混凝土锈锈胀开裂裂甚至脱脱落，则则降低外外围混凝凝土对钢钢筋的约约束，所所有这些些因素都都将导致致钢筋与与混凝土土之间的的粘结性性能退化化。钢筋腐蚀蚀引起的的钢筋与与混凝土土之间粘粘结性能能退化，，将导致致钢筋与与混凝土土不能很很好的协协同工作作。钢筋筋发生严严重腐蚀蚀时，钢钢筋与混混凝土之之间的粘粘结力显显著降低低，钢筋筋与混凝凝土之间间共同工工作能力力减弱，，梁的受受力第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估2005年1月32§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法特征接近于无无粘结预应力力拉杆或配有有普通钢筋的的无粘结预应应力梁。由于于目前人们对对钢筋腐蚀引引起的粘结力力退化规律及及其对受拉钢钢筋强度发挥挥的影响程度度还不十分清清楚，因此，，现今只能用用一个协同工工作降低系数数来考虑粘结结退化的影响响。协同工作作降低系数与与钢筋锈蚀量量或锈胀裂缝缝宽度有关。。冶金建筑科科学研究院的的试验研究表表明，钢筋的的截面损失率率大于10%时，钢筋与混混凝土之间的的粘着力显著著降低，应考考虑钢筋与混混凝土协同工工作降低系数数的影响，建建议将其承载载力乘以0.8~0.9的系数。2、考虑钢筋腐腐蚀影响的承承载能力计算算（1）正截面抗弯弯承载力按<桥规JTGD62>规定，构件承承载能力极限限状态的基本本方程式为：：第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估2005年1月33§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估（2-3）2005年1月34§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法对使用多年的的在役结构进进行承载能力力评估时，应应考虑钢筋腐腐蚀的影响。。其承载力计计算基本方程程与一般钢筋筋混凝土构件件基本相同，，只是在计算算钢筋应力项项时，应采用用腐蚀钢筋的的实际屈服强强度和腐蚀后后的有效截的的面积，并计计入协同工作作降低系数，，考虑钢筋与与混凝土之间间粘结性能退退化的影响。。考虑钢筋锈蚀蚀影响的受弯弯构件正截面面承载力计算算的基本方程程可由内力平平衡条件求得得第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估2005年1月35§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估图2-1考虑钢筋腐蚀蚀影响的受弯弯构件正截面承载力力计算简图2005年1月36§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估（2-4）（2-5）公式的适用条条件是（2-6）2005年1月37§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估（2-7）2005年1月38§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法应该指出，公公式（2-4）和（2-5）是针对受拉拉钢筋腐蚀的的单筋T形截面导出的的，由于计算算中不考虑受受拉区混凝土土的抗拉作用用，因此，在在公式中未计计入钢筋腐蚀蚀引起的混凝凝土截面损伤伤。如果受压压区混凝土截截面损失较大大时，则应考考虑其对承载载力的影响。。2、斜截面抗剪剪承载力对在役结构的的斜截面抗剪剪承载力计算算，应考虑斜斜裂缝对混凝凝土抗剪承载载力的影响，，及钢筋锈蚀蚀对箍筋和弯弯起钢筋抗剪第二章混混凝土结构承承载能力及耐耐久性评估2005年1月39§2-2考虑虑钢筋腐蚀影影响的承载能能力评估方法法第二二章章混混凝凝土土结结构构承承载载能能力力及及耐耐久久性性评评估估（2-10）（2-9）（2-8）2005年1月40§2-2考考虑虑钢钢筋筋腐腐蚀蚀影影响响的的承承载载能能力力评评估估方方法法第二二章章混混凝凝土土结结构构承承载载能能力力及及耐耐久久性性评评估估2005年1月41第三三章章桥桥梁梁改改造造加加固固方方案案设设计计§3-1桥梁梁改改造造加加固固方方案案设设计计的的原原则则§3-2型桥桥梁梁加加固固方方案案评评述述基本本内内容容2005年1月42基本本内内容容在对对桥桥梁梁结结构构病病害害检检测测分分析析和和鉴鉴定定评评估估的的基基础础上上，，根根据据技技术术经2005年1月43§3-1桥桥梁梁改改造造加加固固方方案案设设计计的的原原则则1．分分清清加加固固的的性性质质根据据桥桥梁梁病病害害检检测测分分析析和和鉴鉴定定评评估估结结果果，，桥桥梁梁结结构构加加固固设设计计应应分分为为：：承承载载力力加加固固（（强强度度加加固固））、、使使用用功功能能加加固固（（刚刚度度加加固固））和和耐耐久久性性加加固固等等三三种种情情况况。。承载载力力加加固固是是确确保保结结构构安安全全工工作作的的基基础础，，是是桥桥梁梁改改造造加加固固设设计计的的核核心心内内容容，，其其内内容容包包括括正正截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。第三章章桥桥梁梁改造造加固固方案案设计计2005年1月44§3-1桥桥梁改改造加加固方方案设设计的的原则则耐久性性加固固是指指对结结构损损伤部部位进进行修修复和和补强强，以以阻止止结构构损伤伤部分分的性性能继继续恶恶化，，消除除损伤伤隐患患，提提高结结构的的可靠靠性，，提高高结构构的使使用功功能，，延长长结构构使用用寿命命。2．桥梁梁加固固与加加宽设设计相相结合合在公路路改造造设计计中，，很多多情况况下桥桥梁加加固和和加宽宽是同同时进进行的的。在在加宽宽宽度度不大大的情情况下下，尽尽量将将加宽宽部分分与原原桥连连为一一体，，使新新旧桥桥共同同工作作，利利用新新加宽宽部分分，调调整原原桥内内力，，减轻轻原梁梁负担担，间间接达达到加加固补补强的的目的的。第三章章桥桥梁梁改造造加固固方案案设计计2005年1月45§3-1桥桥梁改改造加加固方方案设设计的的原则则3．注意意各种种加固固补强强方法法的综综合应应用桥梁加加固补补强的的方法法很多多，但但是基基本上上可以以划分分为两两大类类：第一类类为改改变结结构体体系，，调整整结构构内力力、减减轻原原梁负负担。。例如如：加加斜撑撑减少少梁的的跨度度、简简支梁梁改为为连续续结构构、增增加纵纵梁数数目、、调换换梁位位、加加大新新建边边梁截截面尺尺寸，，调整整横向向分布布系数数，减减轻原原梁负负担等等。第二类类为加加大截截面尺尺寸和和配筋筋，加加固薄薄弱构构件。。对薄弱弱构件件进行行加固固补强强的方方法很很多，，从作作用原原理可可分为为两大大类：：第三章章桥桥梁梁改造造加固固方案案设计计2005年1月46§3-1桥桥梁改造加加固方案设设计的原则则①在受拉拉区直接增增设抗拉补补强材料，，例如：补补焊钢筋，，粘贴钢板板，粘贴高高强复合纤纤维（碳纤纤维、芳纶纶纤维）等等。这种加加固方法，，设计时，，必须考虑虑桥梁带载载加固分阶阶段受力特特点。后加加补强材料料的强度发发挥程度受受原梁变形形的限制，，一般情况况下是达不不到其抗拉拉强度设计计值。特别别是采用直直接粘贴高高强复合纤纤维加固时时，在极限限状态下，，复合纤维维的高强抗抗拉性能根根本无法充充分发挥作作用，“大大马拉小车车”是一种种极大的浪浪费。若不不考虑分阶阶段受力特特点，过高高的估计了了后加补强强材料的作作用，设计计是不安全全的。②采用预预加力原理理进行加固固补强，例例如：体外外预应力加加固，韩国国M.S公司的SRAP加固工艺等等。由于预预加力的作作用，改善善了原梁的的应力状态态，提高了了原梁的承承载能力和和抗裂性能能。采用预预加力加固固，可以充充分发挥加加固补强材材料的力学学性能，提提高了材料料的利用效效率。第三章桥桥梁改造造加固方案案设计2005年1月47§3-1桥桥梁改造加加固方案设设计的原则则应该指出，，在进行桥桥梁加固方方案设计时时，应特别别注意的是是：在保持持原梁截面面尺寸不变变的前提下下，采用上上述对受拉拉区进行补补强的方法法，加固后后截面所能能承担的最最大承载力力是有限的的。承载力力提高的幅幅度取决于于原梁的配配筋率，与与所采用的的加固方法法无关。在在某些情况况下，由于于原梁的高高度较小，，相对配筋筋率较大，，单纯采用用受拉区加加固补强，，仍不能满满足设计荷荷载要求时时（例如：：设计荷载载由汽—15，提高到公公路Ⅰ级），可采采用加厚桥桥面的方法法同时对梁梁的受压区区加固，增增加梁的有有效高度，，亦可达到到提高原梁梁承载力的的目的。通通常的作法法是结合桥桥面铺装层层维修，采采取有效的的构造措施施，第三章桥桥梁改造造加固方案案设计2005年1月48§3-1桥桥梁改造加加固方案设设计的原则则加强桥面铺铺装层与原原梁翼板的的整体连接接，设计中中可考虑部部分桥面铺铺装层混凝凝土参与主主梁共同工工作。此外，桥梁梁加固设计计应注意各各种加固方方法的综合合利用，通通过调整结结构内力，，尽量地减减轻原梁的的负担，将将加固补强强工作量压压缩到最少少。第三章桥桥梁改造造加固方案案设计2005年1月49§3-2典型桥梁加固固方案评述述1．鞍千9号桥加固设设计设计单位：：原哈尔滨滨建筑工程程学院实施时间：：1987年（1）原桥的基基本情况和和加固设计计要求鞍千9号桥位于辽辽宁省鞍山山至千山公公路上见图3－1，原桥为跨跨径L=12m的单跨二梁梁式钢筋混混凝土简支支梁桥，设设计荷载为为汽—15，挂—80，桥面净空空为净—7，下部结构构为座落于于岩盘上的的沉井基础础，重力式式混凝土桥桥台。鞍千公路扩扩建为二级级路，路基基宽度为12m，行车道宽宽度为9m，在桥位处处道路双侧侧加宽，桥桥面净空为为净－9+2×1.5m，桥梁的设设计荷载提提高为汽—20，挂—100。第三章桥桥梁改造造加固方案案设计2005年1月50§3-2型型桥梁加加固方案评评述（2）桥梁现场场调查和承承载力检算算现场检测发发现，原梁梁混凝土质质量良好，，未有发现现可见裂缝缝，实测混混凝土强度度在26Mpa以上。经检检算原梁可可以满足原原设计荷载载汽—15，挂—80的要求。。但距汽汽—20，挂—100的要求，，正截面面承载力力相差约约15%。查阅原设设计图纸纸和现场场实际核核对，原原桥为座座落于岩岩盘上的的小沉井井基础，，桥台混混凝土质质量良好好，经检检算认为为原桥基基础具有有较大的的超载潜潜力。第三章桥桥梁梁改造加加固方案案设计2005年1月51§3-2型桥桥梁加固固方案评评述（3）加固设设计要点点①利用原原桥基础础的承载载潜力，，采用插插入锚固固钢筋，，加大桥桥台盖梁梁悬臂长长度。②新加宽宽部分与与原梁整整体工作作，适当当加大新新增主梁梁的截面面尺寸，，增加边边梁刚度度，调整整荷载横横向分布布系数，，减轻原原梁的负负担。为为了加强强新加宽宽部分与与原梁的的整体工工作，将将原梁悬悬臂混凝凝土凿掉掉50cm，露出悬悬臂钢筋筋与新加加宽部分分桥面板板钢筋焊焊接；在在支点和和跨中增增设连接接横梁。。③清除原原桥面铺铺装层，，全桥统统一加铺铺10cm厚的桥面面铺装混混凝土，，为了加加强新旧旧混凝土土之间的的连接，，将原桥桥面顶面面凿成齿齿槽，保保证新旧旧混凝土土共同工工作。计计入6cm桥面铺装装层参与与主梁工工作，即即梁的有有效高度度增加6cm。第三章桥桥梁梁改造加加固方案案设计2005年1月52§3-2型桥桥梁加固固方案评评述（4）方案评评述①该方案案充分利利用了原原桥沉井井基础的的承载潜潜力，采采用插入入锚固钢钢筋，接接长墩台台盖梁悬悬臂，节节省了大大量的下下部结构构工量费费用。②采用加加大新建建边梁刚刚度，调调整荷载载横向分分布系数数，减轻轻原梁负负担和桥桥面铺装装层参与与主梁工工作，增增加梁的的有效高高度等综综合措施施，使原原梁在不不增加配配筋的情情况下，，满足汽汽—20，挂—100的承载要要求。（5）改进建建议①盖梁悬悬臂接长长，若采采用体外外预应力力筋或预预应力锚锚筋技求求施工更更为方面面，结构构更为可可靠。②为保证证桥面铺铺装混凝凝土与桥桥面板的的共同工工作，加加强两者者之间的的连接，，应设置置锚固短短钢筋，，桥面铺铺装层应应设置钢钢筋网或或掺入高高强复合合纤维，，增强混混凝土的的抗裂能能力。第三章桥桥梁梁改造加加固方案案设计2005年1月53§3-2型桥桥梁加固固方案评评述2．洪洪河河1号桥桥设计计单单位位：：原原哈哈尔尔滨滨建建筑筑工工程程学学院院实施施时时间间：：1988年（1）原原桥桥的的基基本本情情况况和和加加固固设设计计要要求求洪河河1号桥桥位于于黑黑龙龙江江省省二二龙龙山山至至抚抚远远公公路路，，原原桥桥为为跨跨径径8m的单单跨跨装装配配式式钢钢筋筋混混凝凝土土简简支支板板梁梁桥桥，，全全桥桥由由7块宽宽度度为为100cm板组成。。设计荷荷载为汽汽—15，挂—80，桥面净净空为净净—7，下部结构构为混凝土土轻型桥台台，扩大基基础。二抚公路扩扩建为二级级公路，路路基宽度为为12m，行车道宽宽度为9m，在桥位处处道路双侧侧加宽，桥桥面净空为为净9+2×1.5m，桥梁的设设计荷载提提高为汽—20，挂—100。第三章桥桥梁改造造加固方案案设计2005年1月54§3-2型型桥梁加加固方案评评述（2）桥梁现场场调查和承承载力检算算现场检测发发现原梁的的混凝土质质量良好，，经回弹测测定混凝土土强度在28Mpa以上。经检检算原桥可可以满足汽汽—15、挂挂—80的承承载载要要求求，，但但距距汽汽—20，挂挂—100的要要求求正正截截面面承承载载力力相相差差的的18%。现场场调调查查发发现现，，原原桥桥桥桥台台前前墙墙混混凝凝土土质质量量良良好好，，未未发发现现基基础础不不均均匀匀沉沉降降现现象象。。第三三章章桥桥梁梁改改造造加加固固方方案案设设计计2005年1月55§3-2型型桥桥梁梁加加固固方方案案评评述述（3）加加固固设设计计要要点点①按按加加宽宽的的桥桥面面净净空空要要求求，，加加宽宽部部分分采采用用2××2块宽宽度度为为125cm的钢钢筋筋混混凝凝土土矩矩形形板板。。按按新新加加宽宽部部分分与与原原桥桥共共同同工工作作计计算算，，靠靠边边第第2、3块板板受受力力最最大大，，边边板板位位于于人人行行道道下下面面，，受受力力较较小小。。为为此此，，将将原原桥桥边边板板（（1号和和7号））块块分分别别移移至至新新加加宽宽部部分分的的最最外外侧侧位位置置，，中中间间空空出出250cm的空空隙隙，，布布置置新新制制作作的的2块125cm的钢钢筋筋混混凝凝土土矩矩形形板板（（A、B或C、D），，新新板板的的钢钢筋筋按按受受力力需需要要配配置置。。②将将原原桥桥面面铺铺装装混混凝凝土土凿凿除除，，全全桥桥统统一一加加铺铺10cm的C30陶砾砾混混凝凝土土。。为为了了加加强强新新旧旧混混凝凝土土之之间间的的联联系系，，在在原原桥桥面面应应凿凿成成齿齿槽槽。。③原原桥桥桥桥台台及及基基础础双双侧侧加加宽宽，，新新加加基基础础部部分分基基底底设设50cm的水水撼撼砂砂垫垫层层。。为为了了加加强强桥桥台台台台身身新新旧旧混混凝凝土土之之间间的的连连接接，，在在原原桥桥台台台台身身插插入入锚锚固固钢钢筋筋。。第三三章章桥桥梁梁改改造造加加固固方方案案设设计计2005年1月56§3-2型型桥梁加固方方案评述（4）方案评述①采用调换梁梁位的方法，，合理利用原原板的承载潜潜力，最大限限度地发挥新新板的作用。。②改用轻质陶陶砾混凝土桥桥面铺装，减减轻桥梁恒载载内力。采用上述综合合措施，在保保持原梁配筋筋不增加的前前提下，达到到了汽—20，挂—100的承载要求。。③陶砾混凝土土桥面铺装中中应设置钢筋筋网或掺入适适量的高强复复合短纤维，，提高桥面铺铺装的抗裂能能力。第三章桥桥梁改造加固固方案设计2005年1月57§3-2型型桥梁加固方方案评述3．坂头大桥设计单位：交交通部第一公公路工程总公公司设计所[4]厦门市公路局局[5]实施时间：第第一次加固1955年第二次加固1999年（1）原桥的基本本情况及承载载力评估板头大桥位于于国道324线厦门段，原原桥建于1953年，其结构为为四跨钢筋混混凝土变高度度连续T梁，外加一跨跨钢筋混凝土土简支梁，其其跨度划分及及桥梁横断面面如图3-3所示。第三章桥桥梁改造加固固方案设计2005年1月58§3-2型型桥梁加固方方案评述原桥的设计荷荷载为汽—13级。国道324线厦门段改扩扩建工程要求求将桥梁的设设计荷载提高高为汽—超20级。为了探讨讨原桥加固利利用的可行性性，1995年对原桥进行行详细的外观观检查和荷载载试验。试验验结果表明：：①桥梁主体结结构未发现明明显的破损和和裂缝，混凝凝土质量较好好，强度等级级均在C25以上；②连续梁各支支点截面抗弯弯承载较高可可以满足汽—超20的承载要求。。连续梁各跨跨中截面抗