桥梁加固方案设计与施工关键技术研究32663.docx
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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桥梁梁改造加加固方案案设计的的原则1分清加加固的性性质根据桥梁病病害检测测分析和和鉴定评评估结果果,桥梁梁结构加加固设计计应分为为:承载载力加固固(强度度加固)、使使用功能能加固(刚刚度加固固)和耐耐久性加加固等三三种情况况。承载力加固固是确保保结构安安全工作作的基础础,是桥桥梁改造造加固设设计的核核心内容容,其内内容包括括正截面面抗弯承承载力加加固和斜斜截面抗抗剪承载载力两部部分。承承载力加加固应考考虑分阶阶段受力力的特点点,注意意新加
2、补补强材料料与原结结构的整整体工作作。使用功能加加固是确确保桥梁梁正常工工作的需需要,主主要是对对活载变变形或振振动过大大的构件件,加大大截面尺尺寸,增增加截面面刚度,以以满足结结构使用用功能要要求。耐久性加固固是指对对结构损损伤部位位进行修修复和补补强,以以阻止结结构损伤伤部分的的性能继继续恶化化,消除除损伤隐隐患,提提高结构构的可靠靠性,提提高结构构的使用用功能,延延长结构构使用寿寿命。2桥梁加加固与加加宽设计计相结合合在公路改造造设计中中,很多多情况下下桥梁加加固和加加宽是同同时进行行的。在在加宽宽宽度不大大的情况况下,尽尽量将加加宽部分分与原桥桥连为一一体,使使新旧桥桥共同工工作,利利
3、用新加加宽部分分,调整整原桥内内力,减减轻原梁梁负担,间间接达到到加固补补强的目目的。3注意各各种加固固补强方方法的综综合应用用。桥梁加固补补强的方方法很多多,但是是基本上上可以划划分为两两大类:第一类为改改变结构构体系,调调整结构构内力、减减轻原梁梁负担。例例如:加加斜撑减减少梁的的跨度、简简支梁改改为连续续结构、增增加纵梁梁数目、调调换梁位位、加大大新建边边梁,调调整横向向分布系系数,减减轻原梁梁负担等等。第二类为加加大截面面尺寸和和配筋,加加固薄弱弱构件。例例如:粘粘贴钢板板、加焊焊钢筋,粘粘贴高强强纤维复复合材料料,体外外预应力力加固。设计中应注注意各种种加固方方法的综综合利用用,通过
4、过调整结结构内力力,尽量量的减轻轻原梁的的负担,将将加固补补强工作作量压到到最少。3.2加固固方案简简介结构的一般般加固方方法:结结构的加加固方法法可以分分成两大大类,即即直接加加固法和和间接加加固法。3.2.11 直接接加固法法 直接加固法法是通过过一些技技术措施施,直接接提高构构件的承承载力和和刚度等等,目前前常用的的直接加加固法有有以下几几种。1 加大截面加加固法该方法可以以用来提提高构件件的抗弯弯、抗压压、抗剪剪、抗耐耐久等能能力,同同时也可可以用来来修复已已经损伤伤的混凝凝土截面面,提高高其耐久久性,可可以广泛泛地用于于各种构构件的加加固。但但是这种种加固方方法一般般对原有有构件的的
5、尺寸有有一定程程度的增增加,使使原有的的使用建建筑空间间变小。2 外包钢加固固法 外包包钢加固固可以大大幅度提提高构件件的抗压压和抗弯弯性能,由由于采用用型钢材材料,施施工周期期相对较较短,占占用空间间也不大大,比较较广泛地地应用于于不允许许增大截截面尺寸寸,而又又需要较较大幅度度提高承承载力的的轴心受受压和小小偏心受受压构件件。外包包钢加固固也可以以用于受受弯构件件或大偏偏心受压压构件的的加固,但但宜采用用湿式外外包钢加加固法。3 体外预应力力加固法法体外预应力力加固法法是采用用高强钢钢筋或型型钢等,在在被加固固构件体体外增设设预应力力拉杆或或撑杆,其其拉杆加加固广泛泛适用于于受弯构构件和受
6、受拉构件件的加固固,在提提高构件件承载力力的同时时,对提提高截面面的刚度度、减少少原有构构件裂缝缝宽度和和挠度、提提高加固固后构件件截面的的抗裂能能力是非非常有效效的。4 外部粘贴加加固法 外部部粘贴加加固法是是用粘结结剂将钢钢板或纤纤维增强强复合材材料等粘粘贴到构构件需要要加固的的部位上上,以提提高构件件的承载载力和刚刚度的一一种加固固方法。粘粘钢加固固法是在在构件表表面用特特制的建建筑结构构胶粘贴贴钢板,以以提高结结构构件件承载力力的一种种加固方方法。纤纤维增强强复合材材料是把把高性能能的纤维维织物,如如玻璃纤纤维、碳碳纤维和和阿拉米米德纤维维等,放放置在环环氧树脂脂等基材材上,经经胶合凝
7、凝固后形形成的。近近年来,已已有将短短纤维加加入混凝凝土是制制成纤维维混凝土土,将丝丝制成棒棒状代替替钢筋,加加工成束束或绳状状用于拉拉索,制制作预制制板,用用于路面面。在结结构加固固方面,119844年,瑞瑞士国家家实验室室首先开开始了外外贴纤维维复合材材料加固固的实验验研究。使使用其进进行加固固的优点点是:它它具有很很高的抗抗化学腐腐蚀能力力和支被被加固结结构的保保护能力力,提高高了结构构耐久性性;材料料强度高高,外贴贴加固用用量少(厚度小小) 等等。5 辅助结构加加固法辅助结构加加固法是是一种体体外加固固方法。它它是直接接用设置置在被加加固构件件位置处处的型钢钢、钢构构架或其其他预制制构
8、件(如桩等等)分担担作用在在加固构构件上的的荷载。该该方法适适用于原原有构件件损伤严严重,又又需要大大幅度提提高承载载力和刚刚度的构构件的加加固,也也可以用用于地基基基础的的加固。6 注浆加固法法注浆加固法法是采用用压力,把把具有较较好粘接接性能的的材料注注入被加加固构件件内部的的空隙中中,以提提高被加加固构件件的完整整性、密密实性,提提高材料料的强度度。该方方法在混混凝土或或砌体结结构的裂裂缝等内内部缺陷陷的修复复加固,以以及地基基加固中中广泛应应用。3.2.22间接加加固法 间接加固固法是根根据原有有结构体体系的客客观条件件,通过过一些技技术措施施,改变变结构传传力途径径,减少少被加固固构
9、件的的荷载效效应,目目前常用用的间接接加固法法有以下下几种。1 增设构件加加固法2 增设支点加加固法3 增加结构整整体性加加固法由于整体结结构破坏坏的概率率明显小小于单个个构件,因因此在不不加固原原有构件件中任一一构件的的情况下下,整体体结构可可靠度提提高了,达达到了结结构的目目的。4 改变结构刚刚度加固固法 该方方法一般般多用于于提高结结构抗水水平作用用的能力力。5 卸载加固法法表2维修修加固方方法汇总总表维修加固方方法适用性材料及工艺艺要点注意事项截面增强法法简支T梁、空空心板梁梁、箱梁梁等连续梁和连连续刚构构的局部部材料:钢筋筋、混凝凝土、膨膨胀螺栓栓等主要工艺:表面凿凿除、钢钢筋布设设
10、、立模模浇注、养养生施焊钢筋时时应避免免烧伤原原有混凝凝土;钢筋定位应应准确;浇注混凝土土应湿润润;采用早强或或膨胀混混凝土;必要时对腹腹板和上上托梁处处的新老老混凝土土接触面面增设压压浆管压压浆粘贴加固法法钢板粘结加加固法原则上适用用于任何何梁,但但从经济济的角度度看,更更适用于于不希望望增大恒恒载和短短期要完完成加固固的跨度度较大的的连续结结构材料:钢板板、膨胀胀螺栓、环环氧树脂脂粘结剂剂等主要工艺:混凝土土表明磨磨平、钻钻孔安装装膨胀螺螺栓、涂涂抹粘结结剂、压压贴钢板板、拧紧紧膨胀螺螺栓、粘粘结剂固固化养生生、填塞塞缝隙、钢钢板涂漆漆钢板应平整整;粘结剂按规规定养护护;采用的钢板板应比计
11、计算需要要的钢板板厚些;钢板的形状状和粘贴贴部位根根据需要要确定;作业中要防防火、防防毒碳纤维粘结结加固法法材料:碳纤纤维片、环环氧树脂脂粘结剂剂等工艺:混凝凝土表明明处理、粘粘贴碳纤纤维片、养养护、表表面涂装装材料应符合合设计要要求;粘结剂应根根据不同同的温、湿湿度决定定配比;混凝土表明明处理要要精细;避免出现空空鼓,否否则必须须处理;粘结剂按规规定养护护;作业中要防防火、防防毒预应力加固固法预应力度下下降,挠挠度异常常增大,并并预留有有孔道或或可加设设体外束束的预应应力梁;钢筋混凝土土梁材料:预应应力钢杆杆、钢筋筋、钢丝丝束、钢钢绞线等等对大跨度预预应力连连续梁和和连续刚刚构,应应通过实实
12、测挠度度和施工工记录模模拟反算算原有预预应力的的损失情情况,确确定新设设预应力力的布置置和张拉拉值。在在张拉时时,除做做好梁的的挠度监监测外,最最好在梁梁体贴片片监测其其应力应应变,指指导施工工。采用体外预预应力补补强时,应应重视各各着力点点的设置置,保证证其牢固固可靠、过过渡圆顺顺,并采采用严格格的防锈锈措施;充分考虑预预应力损损失注浆法各类混凝土土梁桥的的裂缝修修补。裂缝宽度小小于0.3mmm或表层层裂缝采采用表面面封闭;缝宽0.330.5mmm采用化化学灌浆浆封闭;大于0.55mm的的裂缝采采用凿槽槽嵌补法法修复材料:非受受力产生生的裂缝缝,可采采用水泥泥浆封闭闭;一般般用环氧氧树脂和和
13、丙烯酸酸酯类(甲甲凝)等等化学材材料。压浆工艺:裂缝检检查及清清理;钻钻孔埋嘴嘴;嵌缝缝止浆;压水(气气)试验验;压力力注浆;表面处处理及检检查裂缝较大时时采用手手压泵注注浆;裂裂缝较细细或灌浆浆量小时时采用注注射器注注浆;封闭应严格格;凿槽嵌补时时应将槽槽内清除除干净,用用水泥砂砂浆填补补时槽内内应湿润润,用环环氧砂浆浆时槽内内应干燥燥;作业中要防防火、防防毒改变结构体体系加固固法临时通过超超载车辆辆;桥下增加的的设施不不影响交交通或泄泄洪材料:钢筋筋、混凝凝土、钢钢构件等等确定方案时时应充分分考虑当当前和今今后的桥桥下交通通。对结结构体系系改变产产生的支支点负弯弯矩应认认真验算算并采取取措
14、施;采用加劲梁梁或叠合合梁时应应合理简简化受力力模式,应应分清受受力的主主次结构构3.3既有有桥梁加加固实例例井冈山大桥桥位于江江西省吉吉安市区区东北井井冈山大大道东端端,跨越越赣江,是是江西省省南部地地区的重重要交通通通道,也也是通往往革命圣圣地井冈冈山的门门户。井井冈山大大桥始建建于19969年年,19970年年10月月交付使使用,设设计全长长10990.226m,设设计荷载载为汽车车133级;拖拖车660;人人群33.5kkN/MM2。上部部构造为为16孔孔预应力力T型刚刚构,孔孔径组成成为488.133+144x711+488.133,T型型刚构的的悬臂长长为233.5mm,钢筋筋混凝
15、土土挂梁跨跨径为221m,TT构箱梁梁采用单单箱双室室变截面面设计;下部结结构采用用柱式桥桥墩,沉沉井基础础。由于于大桥交交通量增增长迅速速,已由由建桥时时的4000辆/日发展展到19991年年的44439辆辆/日,拥拥挤度已已超过设设计通行行能力的的2倍以以上。根根据20002年年江西西省吉安安市井冈冈山大桥桥结构检检查与现现状评定定报告,该该桥病害害较严重重,已危危及大桥桥的运营营安全,主主要缺陷陷有:悬悬臂箱梁梁的预应应力有效效值受到到一定的的损失;桥面混混凝土破破坏严重重、各挂挂梁跨中中部位明明显下沉沉,桥面面成波浪浪形;人人行道梁梁悬臂支支点部位位混凝土土多数存存在碎裂裂脱落,人人行
16、道板板破坏严严重;伸伸缩缝、支支座破坏坏严重、梁梁体裂缝缝较多,挂挂梁腹板板在跨中中产生竖竖向裂缝缝,翼板板在横向向接缝处处开裂,TT构箱梁梁主要在在腹板上上缘开裂裂,为纵纵向裂缝缝;两岸岸桥台变变形较大大(向前前倾),溜溜坡及两两侧挡土土墙破坏坏较严重重。2002年年8月对对大桥进进行维修修加固,加加固设计计荷载标标准按汽汽车115级、挂挂车880(与与原设计计荷载相相当)进进行。针针对该桥桥的具体体病害情情况,加加固分为为两部分分:对桥桥梁病害害部分进进行维修修整治和和对桥梁梁的承载载能力进进行恢复复。并根根据当前前技术发发展,采采用了化化学灌浆浆/碳纤纤维布粘粘贴和体体外预应应力加固固等
17、措施施。3.3.11桥梁病病害的维维修整治治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(1)对挂挂梁、箱箱梁的裂裂缝采用用化学灌灌浆,并并按裂缝缝宽度分分别处理理。工艺艺流程见见图2,同同时在挂挂梁边梁梁和T构构箱梁的的腹板部部分,当当裂缝宽宽度大于于0.22mm时时,采用用粘图66 化化学灌浆浆工艺流流程图贴碳纤维布布对裂缝缝进行约约束处理理。(22)凿除除原桥面面铺装,全全部重新新浇筑440号钢钢纤维混混凝土(加加筋),由由于钢纤纤维混凝凝土抗拉拉强度较较高,并并设有较较强的钢钢筋网,不不仅耐磨磨,抗冲冲击,而而且对挂挂梁的横横向刚度度有较大大提高。(3
18、3)重新新更换支支座和伸伸缩缝。(44)对箱箱梁预应应力锚头头进行防防锈处理理:在锚锚头上挂挂钢筋网网,再浇浇筑155cm环环氧树脂脂混凝土土封锚。(55)对原原人行道道、栏杆杆进行全全面的检检查、查查明病害害情况,对对有问题题的进行行维修整整治。3.3.22恢复桥桥梁的承承载能力力部分在主墩上部部凿开孔孔洞,在在箱梁中中采用植植筋技术术,设置置齿板,用用体外束束(无粘粘结束)对对箱梁进进行加固固。根据据计算,箱箱梁每室室中设置置长、短短束各44束,全全桥共计计2400束。张张拉控制制力10094KKN,其其中长束束采用可可调式体体外束锚锚具,用用来考虑虑结构性性能的不不确定性性,以方方便调整
19、整索力,短短束采用用永久性性体外束束锚具。体体外束布布置如图图3所示示。图7 箱箱梁一室室体外预预应力束束布置示示意图(2)桥台台的加固固采用动动态设计计的原则则,在台台后加22根直径径1.22m的钻钻孔灌注注桩,再再浇筑承承台与原原承台连连接。加固完毕后后即进行行荷载试试验和检检查评定定,各项项指标均均满足相相关要求求。并于于20004年77月缺陷陷责任期期满后进进行再次次检测,该该桥的整整体性能能仍完好好,说明明加固效效果理想想。3.4混凝凝土受弯弯构件可可加固性性分析3.4.11各国规规范对比比分析“构件的破破坏可能能表现为为脆性破破坏或延延性破坏坏,脆性性破坏是是设计中中所不期期望的,
20、它它意味着着构件立立刻丧失失承载能能力。必必要的延延性能力力是避免免脆性破破坏的保保证,其其特点是是在发生生任何承承载能力力丧失之之前呈现现出较大大的非弹弹性变形形,提供供结构失失效的警警告信号号。”(摘译译AASSHTOO)1154。“必要的的延性能能力能够够降低承承载能力力对混凝凝土材料料强度变变异性的的敏感性性,能够够包容设设计计算算表达式式中可能能存在的的错误,以以及保证证其具有有必要的的可靠性性。” (摘摘译ACCI3118-220022)1155。各国规范中中极少有有具体的的延性指指标规定定,往往往都是通通过限制制最大相相对受压压区高度度、截面面最大配配筋率以以及拉区区钢筋最最小应
21、变变等措施施来间接接的予以以保证:1. AASHTTO规范范美国联邦公公路设计计规范11.3.2中规规定,每每种极限限状态应应满足:、荷载载系数、荷荷载效应应;乘有系系数的抗抗力:;00.955,为关关于延性性、超静静定性和和重要性性的系数数的乘积积;规范1.33.3条条例对强强度极限限状态的的检算中中,有关关延性的的系数的的规定: 1.055,用于于非延性性的构件件和连接接件;0.955,用于于采用额额外的措措施提高高其延性性能力的的构件和和连接件件; 1.000,用于于符合规规范有关关规定的的常规构构件;5.7.33.3.1条例例规定,对对受弯构构件(包包括预应应力和非非预应力力两种状状况
22、),其其截面最最大配筋筋应满足足:混凝土土受压区区高度,中中和轴至至混凝土土最大受受压边缘缘的距离离; 截面有有效高度度,拉区区纵筋中中心至混混凝土最最大受压压边缘的的距离;2. ACI3118规范范ACI3118-220022中100.3.3条例例及其说说明规定定:受弯弯构件的的破坏形形式分为为受拉控控制破坏坏和受压压控制破破坏两种种,其中中受拉控控制破坏坏为极限限状态时时拉区最最外层钢钢筋净应应变大于于等于00.0005(极极限状态态以受压压区混凝凝土最大大应变达达到0.0033),如如图所示示,钢筋筋净应变变是指除除去预应应力、松松弛以及及蠕变应应变的应应变;受受压控制制破坏的的界限为为
23、极限状状态时最最外层钢钢筋小于于等于屈屈服应变变,对GGradde600钢筋()和预应力钢筋则取0.002;在受拉控制破坏与受压控制破坏两者之间则为过渡状态。ACI3118-220022采用承承载力折折减系数数来考虑虑不同破破坏状态态的影响响,对不不同延性性能力的的构件采采用不同同的折减减系数,以以实现“延性不不足,强强度来补补”的思想想:承载能能力折减减系数;名义极极限承载载能力;基于系系数组合合的承载载力需求求;9.3.22条例规规定,由由受拉控控制破坏坏至受压压控制破破坏状态态,折减减系数采采用线性性过渡,如如图9所示示,其中中图中虚虚线所示示为采用用螺旋箍箍筋的情情况。图8 净应变示意
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