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日志

当前桥梁维修加固三大误区(fwd)

已有 511 次阅读2015-3-7 17:51 |个人分类:structures| 加固, 维修

专家总结:当前桥梁维修加固三大误区

http://blog.zhulong.com/u1049387/blogdetail4789715.html

  1桥梁加固误区之一:加固设计忽略分阶段受力特点,机械套用新建桥梁设计程序

   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。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,桥梁加固设计必需考虑分阶段受力特点

  中交 一院西安瑞通路桥科技有限公司总经理许宏元以“一个应引起广泛重视的技术认识误区”为题,客观地分析了我国桥梁加固设计存在的问题,他指出:“《公路桥梁 加固设计规范》(JTG/T122-2008)己于2008年10月1日正式实施,,这本规范特别指出桥梁加固设计应考虑分阶段受力。----从笔者参与 审查的几个大型桥梁加固项目来看,加固设计者并沒有完全理解加固规范的基本原则。还是在沿用过去的设计理念,采用一阶段受力加固,”[1]-43页。

  1.1为什么要特别强调“桥梁加固设计应考虑分阶段受力特点”.

   桥梁加固设计特别强调应考虑分阶段受力特点的主要原因桥梁结构自重和恒载大,一般均采用带载加固,分阶段受力对结构承载力的影响大。北京公科固桥技术有 限公司副总经理李承昌介绍了一座跨径布置为20+25+20m钢筋混凝土连续空心板桥自荷载效组合情况,“不考虑荷载组合系数时,边跨跨中恒载产生的弯矩 占总弯矩的64%,墩顶恆载墩恒载产生的弯矩占总弯矩的78%,中跨跨中恒载产生的弯矩占总弯矩的63.4%”[1]-51-52页。

   以常用的中等跨径的桥梁为例,占总內力60%左右的恆载內力(又称一期荷载效应)是由原梁钢筋承担的,后加补强后强材料与原梁钢筋一起只承担占总内力 40%左右的活载內力(又称二期荷载效应)。换句话说,在进行加固时,原梁钢筋己承受了60%左右荷载内力,具有60%左右的初应变(或应力)。加固后在 活载(即二期荷载)作用下,后加?强材料开始受力,原梁钢筋的应变(或应力)继续增加,两者共同承担两40%左右的内力。在加固构件中原梁钢筋后加补强 材料的应力增长的起点不同,原梁钢筋的应变(或应力)超前,后加补强材料应变(或应力)滞后,这必将对结构破坏状态和承载力产生影响,其影响程度与一期荷 载效应占总荷载效应(或原钢筋初应变占总应变)的百分比有关,一期荷载效应(或初应变)占的比重越大,分阶段受力对对结构破坏状态和承载力产生影响越大。 一般认为,一期荷载效应(或初应变)占的比重小于15%时,可忽略分阶段受力的影响。常用的中等跨径的桥梁一期荷载效应(或初应变)占的比重己达60%左 右,隨着桥梁跨径的加大,结构自重和恒载引起的内力所占的比重还会加大,分阶段受力对结构破坏状态和承载力的影响是绝不能忽略。

  1.2桥梁加固构件的设计忽略分阶受力影响的危害是过高估计了后加补强材料的作用,设计是不安全的。

  许宏元总经理指出“对大部分桥梁来说,加固时并不可能完全卸载,加固设计按一阶段受力就欠合理,有可能导致加固后的桥梁产生新的危险”[1]-43页。

   笔者理解许总是从《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T122-2008)规定的极限状态设计法角度认识这一问题的.对桥梁加固构件而言,后加补强材料 只承担活载(车辆荷载)及后加恒载产生的内力,与原梁钢筋相比,其应变(应力)相对滞后,一般情况下,在极限状态时其应力达不到抗拉强度设计值。极限状态 下,后加补强材料的应力发挥程度受原梁的变形限制,与原梁的配筋率有关。计算结果表明,采用直接粘结高强复合纤维的被动加固方案,由于受分阶段受力的影 响,后加补强材料应变(应力)滞后,后加补强材料的高抗拉性能是很难发挥作用。若在设计忽略分阶段受力的影响,即相当于“取极限状态下后加?强材料的应力 取其抗拉强度设计值”,由此求得承载力显然是不安全的。

  重庆交通大学周建庭教授以“桥梁结构评定和力学分析型研究现状与展望”为题,对 忽略分阶受力影响的危害作了分析,“由于加固増强结构的二次受力特性,原结构在加固前应力水平很高,变形很大的情况下,很有可能在加固施工完成后所有荷载 作用下,加固层应力和应变始终处于一个较低的水平,材料强度不能充分发挥;如加固层自重较大,消耗了桥梁原有己剩不多的承载力,则加固后的原结构可能处于 一种以加固前更不利的状态,从而威胁加固后桥梁使用的安全性”[1]-68页

  北京公科固桥梁技术有限公司副总经理李承昌以“新技术、新 材料滥用”为题谈到“碳纤维布、不锈钢丝网功能被夸大”的问题时指出:碳纤维、不銹钢丝网虽然强度很高,但截面积很小,构件粘贴碳纤维布、不銹钢丝网时, 贴碳纤维布、不銹钢丝网折算为钢筋的面积并不大,…..增加的抗弯承载能力相对較小”[1]-54页

  理解李总是从弹性理论允许应力法角 度分析这一问题的。众所周知,按弹性理论允许应力法计算桥梁加固构件分阶段受力概念清晰,其基本原理是[4]:一期荷载(构件自重及恒载)由原梁承担,截 面应力(或应变)应根据按开裂截面计算的原梁换算截面几何特征值,由材料力学公式计算;二期荷载(活载)由加固后的组合截面承担,截面应力(或应变)应根 据按开裂截面计算的加固后组合截面的换算截面几何特征值,由材料力学公式计算。最后,将对应的应力直接叠加,并控制其小于规定的容许值。计算结果表明,按 弹性理论允许应力法计算桥梁加固构件,通常是原梁钢筋应力控制设计,后加补强材的应力很小,一般情况下不控制设计。换句话说,后加高度补强材料(碳纤维 布、不锈钢丝网等)的高抗拉性能根本无法充分发挥,对提高承载力的作用是有限的.

  1.3加深对桥梁加固构件分阶受力特点认识和理解是树立正确设计思想的前提[2]、[3]。

   桥梁加固构件的设计必须考虑带载加固分阶受力特点,是桥梁加固设计与新建桥梁设计的最大区别,加深对这一问题的认识和理解是树立正确设计思想的前提。只 有了解“桥梁加固构件分阶受力引起的后加补强材应变(应力)滞后”的受力特点,才能理解“极积推广预应力主动加固设计思想”的真实含义。

   桥梁加固构件后加补强材料应变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。

  1.4研究开发桥梁加固设计与计算软件是落实““桥梁加固设计应考虑分阶段受力特点”设计原则的当务之急.

   “桥梁加固构件的设计应考虑分阶段受力特点”是笔者和很多同行专家近几年反复宣传的基本观点[2]-[3][4],是编制桥梁加固设计规范的基本原则 [1]-54页,其力学概念清晰,特别是采用弾性理论允许应力法设计时是很容易理解的。这样一个简单的基本力学概念问题,为么在实际设计工作中迟迟不能推 广落实?笔者百思不解。北京公科固桥技术有限公司总工程师王国亮在分析“加固设计质量不高”的原因时指出:“公路桥梁加固专用设计计算软件缺乏,桥梁加固 的设计计算更为复杂,不但要根据桥梁现状,合理准硧地模拟出当前桥梁的受力状态,而且要兼顾新加结构、构件的应变滞后的计算,目前尚无专门的桥梁加固设计 计算软件,设计单位只能使用新建桥梁设计软件进行计算,其中的连接、约束、顺序等需要人为干预或调整,难于做到快速、准确”[1]-57-58页。“目前 尚无专门的桥梁加固设计计算软件,设计单位只能使用新建桥梁设计软件进行计算”点出了落实难的关鍵。因此,研制开发考虑分阶段受力特点和结构损伤影响桥梁 加固设计与计算软件是落实“桥梁加固设计应考虑分阶段受力特点”设计原则的当务之急。

  2桥梁加固误区之二:不分加固性质盲目乱贴碳纤维

   前些年,粘贴高强纤维复合材料加固法在我国曾盛行一时,对粘贴高强纤维复合材料加固效果也存在两种完全不同的看法,有人说粘贴高强纤维复合材料加固“将 我国桥梁加固提高到一个新的台阶”,有人说是“把我国桥梁加固引入了盲目乱贴碳纤维的加固误区”;有人把它吹捧为“医治百病的一贴灵”,有人把它贬低为 “一俊遮百丑的化装品”。这些看法虽有些偏激,但是如何科学的评价高强纤维复合材料加固的效果是无法回避的问题。

  2.1粘贴高强纤维复合材料加固效果分析[3]

   (1)采用粘贴高强纤维复合材料对钢筋混凝土受弯构件进行加固,可有限地提高梁的抗弯和抗剪承载力。但是,必须再次特别强调指出,从作用原理上讲,采用 在受拉区(或受剪薄弱区段)直接粘贴高强复合纤维加固的钢筋混凝土梁属被动加固范畴,极限状态下后加补强纤维的应力取决于原梁的配筋率。对于原梁高度较 小,配筋率较大的情况,后加补强纤维的高抗拉性能根本无法发挥作用.。

  以目前大量采用的直接粘贴碳纤维布(强度标准值为 3350Mpa,弹性模量为2.2×105Mpa)加固的钢筋混凝土T形梁为例:对于原梁的配筋率为4.5%(混凝土相对受压区高度)的情况,加固设计以 混凝土压应变达到极限值控制,极限状态下碳纤维的应力只有776.6Mpa,此值只相当于其抗拉强度标准值的23%。计算结果表明,采用直接粘结高强纤维 复合材料的被动加固方案,由于受分阶段受力的影响,后加补强材料应变(应力)滞后,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。特别是在倡导建设节约型社会的环境下,这种盲目的浪费是值得我们深思的。

  (2)采用粘贴高强纤维复合材料加固,对结构的刚度提高不大。因此,对于以控制结构变形为主要的使用功能加固是不适宜的。

   (3)后粘贴的高强纤维复合材料可以制约裂缝的发展,间接的提高了结构的抗裂能力。后粘贴的含有多层树脂胶和防护罩面胶的高强纤维层,可以提高混凝土的 抗腐蚀和碳化能力。因此,对于以延长结构使用年限为主要目的耐久性加固,采用粘贴高强纤维复合材料加固还是有一定效果的。但是,应该指出:·因此,单纯为 了提高耐久性的目的采用价格昂贵的碳纤维做粘结胶层的保护层的作法是不适宜的。

  2.2采用缠绕粘贴高强复合纤维复合材料对轴向受压构件进行加固,加固效果显著,有着广泛的应用前景[3]。

  缠绕粘贴高强复合纤维复合材料加固,从工作原理上讲属于约束加固,由于高强纤维复合材料层的约束作用,在纵向力的作用下,混凝土处于三向受压状态,可以较大幅度的提高结构的抗压承载力,增强结构的延性,可明显的提高结构的抗震性能,广泛用于抗震加固。

  笔者于2005年开展了缠绕芳纶纤维布短柱试验研究,並对遭受严重冻害的黑龙江省哈同公路蚂蚁河1号桥的墩柱,采用缠绕芳纶纤维布的方法进行加固补强,收到了明显的加固效果

  2.3高强复合纤维预应力加固的应用研究

   高强复合纤维预应力加固法是采用锚固、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条(或板条)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。

   深圳海川公司博士后课题《芳纶纤维(AFFP)加固技术》,研制开发了锚固芳纶纤维布条的平板式锚具,并修建了试验桥。湖南科技大学何利雄等[52]对 用于碳纤维布条的楔型变波纹夹片式锚具进行试验研究,并用于预应力混凝土箱梁加固。湖南大学尚守平教授开展了碳纤维预应力加固试验研究,并在湖南省浏阳市 金刚头桥加固工中应用,取得了较好地加固效果。

  应该指出,高强纤维复合材料的出现是材料工业的一大进步,但是这高强材料在土木工程中的 应用,特别是在加固工程中的合理应用还是一个值得商榷的问题。笔者认为分清加固性质,明确加固目的,在弄清加固作用机理的基础上,有针对性地合理应用这种 新材料是桥梁加固工程应解决的现实问题。

  3桥梁加固误区之三:发现裂缝就封堵

  中 交路桥技术有限公司总工程师鲍卫刚在谈到“注意各加固方法的使用环境和条件”时,指出“目前有一种值得进一步商榷的现象,即混凝土结构一旦出现一些裂缝, 不论其是结构性裂缝还是非结构性裂缝,就想方设法地优先考虑采用粘贴纤维复合材料方法将其封闭起来,实则留下了更大的安全隐患”[1]-36页。

   “发现裂缝就封堵”,犹如庸医看病“发现体温升高就吃退烧药”。体温升高是反映身体疾病的重要特征,引起体温升高的原因是极其复杂的,如果不分清红皂白 的“发现体温升高就吃退烧药”,不但治不好病,还可能误疹,严重时是会害死人的。裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表,引起裂缝原因是极其复杂的,如果不加 分析研究,“发现裂缝就封堵”不仅达不到预期的效果,还可能潜藏着突发性事故的危险。笔者认为:处理裂缝首先要了解裂缝,只有对裂缝的性质和危害有较深地 理解,才能做“对症下药”,有针对应地制定处理方案,达到预期加固效果。

  3.1混凝土结构裂缝类型和成因[4]

  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,可归纳为结构性裂缝(又称为荷载裂缝)非结构性裂缝(又称非荷载裂缝)两大类:

  (1)结构性裂缝

  结构性裂缝是由于结构受到外荷载的作用,导致混凝土内部产生的拉应力达

  到混凝土极限拉强度,使混凝土产生的裂缝。对于桥梁工程中大一量采用受弯构件而言,结构性裂缝主要表现为弯曲裂缝和剪切裂缝两种形式(图3.1.1-1):

  ①弯曲裂缝

  弯曲裂缝是指在弯矩作用下,因拉应力过大而产生的裂缝。一般出现在承受

   弯矩较大梁段的受拉区,如简支梁跨中梁段下缘受拉区,连续梁跨中梁段下缘和支座处上缘的受拉区。对纵向受力钢筋配置较少的个别部分,也有可能因拉应力过 大产生弯曲裂缝。对板梁桥(实心板梁,空心板梁)而言,由拉应力过大而产生的弯曲裂缝,一般表现为在板的跨中梁段底面出现若干条大致平行分布的横桥向裂 缝。对T梁桥(或箱梁桥)而言,由拉应力过大而产生的弯曲裂缝,一般表现为在梁的跨中梁段的腹板(梁肋)上出现若干条大致平行布置,且与底面贯通的竖直裂 缝.竖直裂缝在腹板(梁肋)上的延伸长度一般不超过梁高的一半。图中①所示的跨中截面附近下缘受拉区由拉应力引起的竖向裂缝,是最常见的结构性弯曲裂缝。 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。

  图3.1-1钢筋混凝土梁的结构性裂缝

  ②剪切裂缝

   剪切裂缝是指在剪力或剪力与弯矩共同作用下,因主拉应力过大在腹板(梁肋)两侧产生的斜裂缝,一般出现在承受剪力较大的支点附近截面及同时承受剪力和弯 矩均较大的梁段。另外,梁的抗剪配筋薄弱处也可能出现剪切斜裂缝。图1.2.1-1中②为简支T梁桥腹板出现的剪切斜裂缝。剪切斜裂缝的特征是在腹板(梁 肋)两侧基本上对称布置,倾斜角度为30~50°,倾斜方向与主压应力迹线方向一致(即与斜筋布置方向相垂直),大致在梁高一半处裂缝宽度最大。靠近支点 附近截面的斜裂缝向下延伸长度不大,一般不与底面贯通。跨径内梁段,受弯

  矩的影响较大,斜裂缝向下延伸长度较大,有可能与底面贯通,形成弯剪斜裂缝。

  (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 条件和使用环境等多种因素影响。工程中常见的非结构性裂缝有:收缩裂缝、温度裂缝、锈胀裂缝和碱骨料反应引起的裂缝等。

  调查资料表明[27],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%,有时两类裂缝融在一起两类裂缝有明显的区别,危害效果也不相同。


  3.2裂缝分析是裂缝危害性评定、裂缝修补和加固的依据。

  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,仅达不到预期的效果,还可能潜藏着突发性事故的危险。

   混凝土结构裂缝分析是非常复杂的问题。首先应区分结构性裂缝与非结构性裂缝,对结构性裂缝的判断,应以结构受力分析为基点,综合考虑结构设计、施工和养 护管理情况的影响,找出产生裂缝的受力机理;对非结构性裂缝的判断,应综合考虑结构施工和使用期间环境因素影响和材料组成分析及构造细节处理情况。在实际 工程中有些裂缝是由多种因素综合作用产生的,应特别注意综合考虑具体分析。

  (1)结构性裂缝的处理

  对结构性裂缝的处 理,首先应依据裂缝的危害程度,采取不同的处理方法。众所周知,对钢筋混凝土结构而言,在使用荷载作用下,出现规则的结构性裂缝是正常的,只要裂缝宽度小 于规范规定的限值是允许的,对于这种情况一般可不做处理。钢筋混凝土结构出现的结构性裂缝宽度过大,预示结构的承载力不足;预应力混凝土结构出现的结构性 裂缝,预示结构的预应力不足,结构抗裂性和承载力下降。对于这种情况,首要的问题是如何进行加固补強,提高结构承载力,确保结构的安全运营。对宽度较大的 结构性裂缝单纯采用粘贴碳纤维布方法进行封堵,对提高结构承载力的作用是十分有限的,解决不了承载力不足问题,更为严重的是后粘贴碳纤维布掩盖了裂缝的发 展,潜藏着生发突性事故的危险。

  (1)非结构性裂缝的处理

  加固工程中常见的非结构性裂缝有:收缩裂缝、锈胀裂缝和碱骨料反应引起的裂缝等。

  ①混凝土收缩裂缝处理

  混凝土收缩裂缝是不可避免的,但是其危害程度是可以通过采用构造和施工

   措施加以控制的。对己出现的收缩裂缝,应依据不同的裂缝宽度采用不同处理方法:对宽度大于0.4mm的裂缝和局部破损,可采用含有水泥基渗透结晶型防水 材料的半干料团(可添加适当的粒料)填满裂缝和局部缺陷空穴压,然后再在其上涂刷一遍防水涂料;对于裂缝宽度小于0.4mm的裂缝,可采用局部涂刷水泥基 渗透结晶型防水涂料的办法进行封堵。

  ②锈胀裂缝处理

  锈胀裂缝是指钢筋腐蚀后,由于腐蚀体积物体积膨胀作用产生的顺筋裂缝。对锈胀裂缝的处理,首先应对造成钢筋腐蚀的原因进行判断分析,应特别注意从造成钢筋腐蚀的源头上采取措施,预防此类问题的再发生。

   例如,高速公路和城市立交工程中大量采用的多跨连续箱梁桥过渡墩柱钢筋锈胀裂缝破坏带有普遍性。辽宁省大连市的金三角立交和沈大高速的营口立交,几乎所 有的设有伸缩缝的过渡墩的盖梁和墩柱都出现严重的纵向顺筋裂缝,个别裂缝宽度已达1~2mm,混凝土保护层局部胶落,钢筋外露,腐蚀严重,影响结构的耐久 性,危及桥梁的安全使用。分析认为:造成过渡墩钢筋严重腐蚀的根本原因是伸缩缝漏水、桥面排水不畅、冬季撒盐除冰、含有大量盐份的融化雪水顺伸缩缝下流, 在盖梁顶面积存,并向两边扩散,最后紧贴墩柱表面流敞,势必造成盖梁和墩柱钢筋的腐蚀,出现大量的锈胀裂缝。

  过渡墩柱和盖梁钢筋锈胀裂缝处理的基本思路是:从改进伸缩缝设计入手,采用综合措施,从源头上解决钢筋腐蚀问题。主要措施是:

  ①除锈封缝处理凿除裂缝周边的破损混凝土,清除钢筋上的浮锈,在钢筋上涂抹阻锈剂,然后用含有水泥基渗透结晶型防水材料的半干料团(可添加适当的粒料)填满裂缝和局部缺陷空穴.

  ②改进伸缩缝的结构设计,提高伸缩缝的止水性,必要时在伸缩缝的下面设置引水板,将漏水引到盖梁和墩柱的外面。

  ③过渡墩盖梁顶面设置防水层,并设置双向排水横坡,防止水份在盖梁顶面

  堆积。在盖梁台帽的底面设置“滴水”(或挡水板),防止漏水沿墩柱表面流敞。

  结束语

   上述桥梁加固中存在的三个问题带有普遍性,特别是担负大量中、小桥养护、维修与管理的基层单位,技术力量薄弱,存在的问题更为严重。解决这一问题,必须 从加强对桥梁加固设计特殊性的认识和加固作用机理分析入手,提高工程技术人员和领导决策层的理论认识水平。理性认识才能认清事物的本质,清晰而明确的解决 问题的思路是科学决策的基础。


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