桥梁加固方案设计与施工关键技术研究

-1-桥梁结构加固设计与施工关键技术研究3桥梁改造加固方案设计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法。3.1桥梁改造加固方案设计的原则1．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。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。2．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。3．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，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。例如：粘贴钢板、加焊钢筋，粘贴高强纤维复合材料，体外预应力加固。设计中应注意各种加固方法的综合利用，通过调整结构内力，尽量的减轻原梁-2-的负担，将加固补强工作量压到最少。3.2加固方案简介结构的一般加固方法：结构的加固方法可以分成两大类，即直接加固法和间接加固法。3.2.1直接加固法直接加固法是通过一些技术措施，直接提高构件的承载力和刚度等，目前常用的直接加固法有以下几种。1．加大截面加固法该方法可以用来提高构件的抗弯、抗压、抗剪、抗耐久等能力，同时也可以用来修复已经损伤的混凝土截面，提高其耐久性，可以广泛地用于各种构件的加固。但是这种加固方法一般对原有构件的尺寸有一定程度的增加，使原有的使用建筑空间变小。2．外包钢加固法外包钢加固可以大幅度提高构件的抗压和抗弯性能，由于采用型钢材料，施工周期相对较短，占用空间也不大，比较广泛地应用于不允许增大截面尺寸，而又需要较大幅度提高承载力的轴心受压和小偏心受压构件。外包钢加固也可以用于受弯构件或大偏心受压构件的加固，但宜采用湿式外包钢加固法。3．体外预应力加固法体外预应力加固法是采用高强钢筋或型钢等，在被加固构件体外增设预应力拉杆或撑杆，其拉杆加固广泛适用于受弯构件和受拉构件的加固，在提高构件承载力的同时，对提高截面的刚度、减少原有构件裂缝宽度和挠度、提高加固后构件截面的抗裂能力是非常有效的。4．外部粘贴加固法外部粘贴加固法是用粘结剂将钢板或纤维增强复合材料等粘贴到构件需要加固的部位上，以提高构件的承载力和刚度的一种加固方法。粘钢加固法是在构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，以提高结构构件承载力的一种加固方法。纤维增强复合材料是把高性能的纤维织物，如玻璃纤维、碳纤维和阿拉米德纤维等，放置在环氧树脂等基材上，经胶合凝固后形成的。近年来，已有将短纤维加入混凝土是制成纤维混凝土，将丝制成棒状代替钢筋，加工成束或绳状用于拉索，制作预制板，用于路面。在结构加固方面，1984年，瑞士国家实验室首先开始了外贴纤维复合材料加固的实验研究。使用其进行加固的优点是：它具有很高的抗化学腐蚀能力和支被加固结构的保护能力，提高了结构耐久性；材料强度高，外贴加固用量少(厚度小)等。5．辅助结构加固法辅助结构加固法是一种体外加固方法。它是直接用设置在被加固构件位置处的型钢、钢构架或其他预制构件(如桩等)分担作用在加固构件上的荷载。该方法适用于原有构件损伤严重，又需要大幅度提高承载力和刚度的构件的加固，也可以用于地基基础的加固。6．注浆加固法注浆加固法是采用压力，把具有较好粘接性能的材料注入被加固构件内部的空隙中，以提高被加固构件的完整性、密实性，提高材料的强度。该方法在混凝土或砌-3-体结构的裂缝等内部缺陷的修复加固，以及地基加固中广泛应用。3.2.2间接加固法间接加固法是根据原有结构体系的客观条件，通过一些技术措施，改变结构传力途径，减少被加固构件的荷载效应，目前常用的间接加固法有以下几种。1．增设构件加固法2．增设支点加固法3．增加结构整体性加固法由于整体结构破坏的概率明显小于单个构件，因此在不加固原有构件中任一构件的情况下，整体结构可靠度提高了，达到了结构的目的。4．改变结构刚度加固法该方法一般多用于提高结构抗水平作用的能力。5．卸载加固法表2维修加固方法汇总表维修加固方法适用性材料及工艺要点注意事项截面增强法简支T梁、空心板梁、箱梁等连续梁和连续刚构的局部材料：钢筋、混凝土、膨胀螺栓等主要工艺：表面凿除、钢筋布设、立模浇注、养生施焊钢筋时应避免烧伤原有混凝土；钢筋定位应准确；浇注混凝土应湿润；采用早强或膨胀混凝土；必要时对腹板和上托梁处的新老混凝土接触面增设压浆管压浆粘贴加固法钢板粘结加固法原则上适用于任何梁，但从经济的角度看，更适用于不希望增大恒载和短期要完成加固的跨度较大的连续结构材料：钢板、膨胀螺栓、环氧树脂粘结剂等主要工艺：混凝土表明磨平、钻孔安装膨胀螺栓、涂抹粘结剂、压贴钢板、拧紧膨胀螺栓、粘结剂固化养生、填塞缝隙、钢板涂漆钢板应平整；粘结剂按规定养护；采用的钢板应比计算需要的钢板厚些；钢板的形状和粘贴部位根据需要确定；作业中要防火、防毒碳纤维粘结加固法材料：碳纤维片、环氧树脂粘结剂等工艺：混凝土表明处理、粘贴碳纤维片、养护、表面涂装材料应符合设计要求；粘结剂应根据不同的温、湿度决定配比；混凝土表明处理要精细；避免出现空鼓，否则必须处理；粘结剂按规定养护；作业中要防火、防毒预应力加固法预应力度下降，挠度异常增大，并预留有孔道或可加设体外束的材料：预应力钢杆、钢筋、钢丝束、钢绞线等对大跨度预应力连续梁和连续刚构，应通过实测挠度和施工记录模拟反算原有预应力的损失情-4-预应力梁；钢筋混凝土梁况，确定新设预应力的布置和张拉值。在张拉时，除做好梁的挠度监测外，最好在梁体贴片监测其应力应变，指导施工。采用体外预应力补强时，应重视各着力点的设置，保证其牢固可靠、过渡圆顺，并采用严格的防锈措施；充分考虑预应力损失注浆法各类混凝土梁桥的裂缝修补。裂缝宽度小于0.3mm或表层裂缝采用表面封闭；缝宽0.3～0.5mm采用化学灌浆封闭；大于0.5mm的裂缝采用凿槽嵌补法修复材料：非受力产生的裂缝，可采用水泥浆封闭；一般用环氧树脂和丙烯酸酯类（甲凝）等化学材料。压浆工艺：裂缝检查及清理；钻孔埋嘴；嵌缝止浆；压水（气）试验；压力注浆；表面处理及检查裂缝较大时采用手压泵注浆；裂缝较细或灌浆量小时采用注射器注浆；封闭应严格；凿槽嵌补时应将槽内清除干净，用水泥砂浆填补时槽内应湿润，用环氧砂浆时槽内应干燥；作业中要防火、防毒改变结构体系加固法临时通过超载车辆；桥下增加的设施不影响交通或泄洪材料：钢筋、混凝土、钢构件等确定方案时应充分考虑当前和今后的桥下交通。对结构体系改变产生的支点负弯矩应认真验算并采取措施；采用加劲梁或叠合梁时应合理简化受力模式，应分清受力的主次结构3.3既有桥梁加固实例井冈山大桥位于江西省吉安市区东北井冈山大道东端，跨越赣江，是江西省南部地区的重要交通通道，也是通往革命圣地井冈山的门户。井冈山大桥始建于1969年，1970年10月交付使用，设计全长1090.26m，设计荷载为汽车－13级；拖车－60；人群－3.5kN/M2。上部构造为16孔预应力T型刚构，孔径组成为48.13+14x71+48.13，T型刚构的悬臂长为23.5m，钢筋混凝土挂梁跨径为21m，T构箱梁采用单箱双室变截面设计；下部结构采用柱式桥墩，沉井基础。由于大桥交通量增长迅速，已由建桥时的400辆/日发展到1991年的4439辆/日，拥挤度已超过设计通行能力的2倍以上。根据2002年《江西省吉安市井冈山大桥结构检查与现状评定报告》，该桥病害较严重，已危及大桥的运营安全，主要缺陷有：悬臂箱梁的预应力有效值受到一定的损失；桥面混凝土破坏严重、各挂梁跨中部位明显下沉，桥面成波浪形；人行道梁悬臂支点部位混凝土多数存在碎裂脱落，人行道板破坏严重；-5-伸缩缝、支座破坏严重、梁体裂缝较多，挂梁腹板在跨中产生竖向裂缝，翼板在横向接缝处开裂，T构箱梁主要在腹板上缘开裂，为纵向裂缝；两岸桥台变形较大（向前倾），溜坡及两侧挡土墙破坏较严重。2002年8月对大桥进行维修加固，加固设计荷载标准按汽车－15级、挂车－80（与原设计荷载相当）进行。针对该桥的具体病害情况，加固分为两部分：对桥梁病害部分进行维修整治和对桥梁的承载能力进行恢复。并根据当前技术发展，采用了化学灌浆/碳纤维布粘贴和体外预应力加固等措施。3.3.1桥梁病害的维修整治（1）对挂梁、箱梁的裂缝采用化学灌浆，并按裂缝宽度分别处理。工艺流程见图2，同时在挂梁边梁和T构箱梁的腹板部分，当裂缝宽度大于0.2mm时，采用粘图6化学灌浆工艺流程图贴碳纤维布对裂缝进行约束处理。（2）凿除原桥面铺装，全部重新浇筑40号钢纤维混凝土（加筋），由于钢纤维混凝土抗拉强度较高，并设有较强的钢筋网，不仅耐磨，抗冲击，而且对挂梁的横向刚度有较大提高。（3）重新更换支座和伸缩缝。（4）对箱梁预应力锚头进行防锈处理：在锚头上挂钢筋网，再浇筑15cm环氧树脂混凝土封锚。（5）对原人行道、栏杆进行全面的检查、查明病害情况，对有问题的进行维修整治。3.3.2恢复桥梁的承载能力部分在主墩上部凿开孔洞，在箱梁中采用植筋技术，设置齿板，用体外束（无粘结束）对箱梁进行加固。根据计算，箱梁每室中设置长、短束各4束，全桥共计240束。张拉控制力1094KN，其中长束采用可调式体外束锚具，用来考虑结构性能的不确定性，以方便调整索力，短束采用永久性体外束锚具。体外束布置如图3所示。齿板齿板体外束支架支架支架支架支架支架槽口箱梁翼板齿板齿板体外束长束体外束短束桥墩中心线墩线中心桥箱梁中心线槽口设计布嘴图清洗裂缝粘灌浆嘴封闭裂缝检查裂缝封闭情况配浆灌浆效果检查补漏气处-6-图7箱梁一室体外预应力束布置示意图（2）桥台的加固采用动态设计的原则，在台后加2根直径1.2m的钻孔灌注桩，再浇筑承台与原承台连接。加固完毕后即进行荷载试验和检查评定，各项指标均满足相关要求。并于2004年7月缺陷责任期满后进行再次检测，该桥的整体性能仍完好，说明加固效果理想。3.4混凝土受弯构件可加固性分析3.4.1各国规范对比分析“构件的破坏可能表现为脆性破坏或延性破坏，脆性破坏是设计中所不期望的，它意味着构件立刻丧失承载能力。必要的延性能力是避免脆性破坏的保证，其特点是在发生任何承载能力丧失之前呈现出较大的非弹性变形，提供结构失效的警告信号。”（摘译AASHTO）[154]。“必要的延性能力能够降低承载能力对混凝土材料强度变异性的敏感性，能够包容设计计算表达式中可能存在的错误，以及保证其具有必要的可靠性。”（摘译ACI318-2002）[155]。各国规范中极少有具体的延性指标规定，往往都是通过限制最大相对受压区高度、截面最大配筋率以及拉区钢筋最小应变等措施来间接的予以保证：1.AASHTO规范美国联邦公路设计规范1.3.2中规定，每种极限状态应满足：iirYQRiY、iQ——荷载系数、荷载效应；rR——乘有系数的抗力：nR；——＝DRI0.95，为关于延性D、超静定性R和重要性I的系数的乘积；规范1.3.3条例对强度极限状态的检算中，有关延性的系数的规定：D＝1.05，用于非延性的构件和连接件；D＝0.95，用于采用额外的措施提高其延性能力的构件和连接件；D＝1.00，用于符合规范有关规定的常规构件；5.7.3.3.1条例规定，对受