橋梁結(jié)構(gòu)病害分析與改造加固設(shè)計(jì)
2015-04-28
目 錄
橋梁結(jié)構(gòu)病害分析與改造加固設(shè)計(jì) 1
第一章 橋梁病害診斷 2
§1-1 環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞 2
§1-2混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫分析 4
第二章 混凝土結(jié)構(gòu)承載能力及耐久性評(píng)估 7
§2-1 在役混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力與耐久性評(píng)估的基本概念 7
§2-2考慮鋼筋腐蝕影響的承載能力評(píng)估方法 8
第三章 橋梁改造加固方案設(shè)計(jì) 12
§3-1橋梁改造加固方案設(shè)計(jì)的原則 12
§3-2 典型橋梁加固方案評(píng)述 13
第四章 橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算 20
§4-1 橋梁加固薄弱構(gòu)件分階段受力特點(diǎn) 20
§4-2 橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計(jì)算 20
一、直接加筋類加固薄弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計(jì)算 20
二、加砼類加固簿弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計(jì)算特點(diǎn) 23
§4-3 橋梁加固薄弱構(gòu)件斜截面抗剪承載力計(jì)算 24
§4-4體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件實(shí)用設(shè)計(jì)方法 26
一、活荷載作用下體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量計(jì)算 26
二、體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算 27
三、體外預(yù)應(yīng)力加固的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件承載力計(jì)算 31
四、體外預(yù)應(yīng)力加固的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件變形計(jì)算 33
參考文獻(xiàn) 34
正文
我國(guó)橋梁改造加固任務(wù)繁重，據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)至2003年底，全國(guó)公路網(wǎng)中尚有危橋10443座，378439延米。要實(shí)現(xiàn)交通部規(guī)劃的2005年底基本消滅國(guó)、省干線公路危橋的目標(biāo)，所需資金約為90億元。中國(guó)橋梁改造加固市場(chǎng)的巨大潛力，吸引了國(guó)內(nèi)外眾多有遠(yuǎn)見卓識(shí)的工程技術(shù)人員和企業(yè)家把注意力轉(zhuǎn)移到這方面來(lái)，國(guó)外的先進(jìn)加固技術(shù)大量涌進(jìn)中國(guó)加固市場(chǎng)，各種加固公司像雨后春筍相應(yīng)而生，成功地創(chuàng)建了一批橋梁改造加固的優(yōu)秀范例，推進(jìn)了我國(guó)橋梁改造工作的發(fā)展。
提高橋梁改造加固設(shè)計(jì)質(zhì)量，是確保加固工程質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)。橋梁改造加固設(shè)計(jì)是比新建橋梁設(shè)計(jì)復(fù)雜得多的系統(tǒng)工程。我國(guó)目前的狀況是“有實(shí)力的大設(shè)計(jì)院無(wú)暇顧及，不愿意干，技術(shù)力量較差的小型設(shè)計(jì)單位又干不了”，橋梁改造加固設(shè)計(jì)基本上由科研單位、高等院校和各類專業(yè)公司來(lái)承擔(dān)。各類專業(yè)公司的技術(shù)水平差異較大，值得慶幸的是，近幾年來(lái)我國(guó)確已出現(xiàn)一批技術(shù)能力較高的專業(yè)化加固公司，完成一批橋梁加固工程的優(yōu)秀范例，他們代表了中國(guó)橋梁改造加固的主導(dǎo)方向。但是，有些專業(yè)公司以銷售加固材料為主，業(yè)務(wù)單一，對(duì)橋梁加固設(shè)計(jì)不熟悉。橋梁改造加固設(shè)計(jì)審核制度不規(guī)范，沒(méi)有明確的加固設(shè)計(jì)資質(zhì)要求，橋梁加固設(shè)計(jì)市場(chǎng)管理混亂。整頓和規(guī)范橋梁加固市場(chǎng)，提高橋梁改造加固設(shè)計(jì)質(zhì)量是提高橋梁改造加固工程質(zhì)量的重要措施之一。
從技術(shù)角度分析，目前我國(guó)橋梁改造加固設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題是：
?。?）基層養(yǎng)護(hù)管理和設(shè)計(jì)部門，橋梁病害診斷技術(shù)力量薄弱，橋梁檢測(cè)手段落后。橋梁病害診斷是進(jìn)行橋梁加固設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，只有診斷清楚，才能對(duì)癥下藥。橋梁檢測(cè)是橋梁病害診斷與分析的重要手段，檢測(cè)應(yīng)重在分析，并應(yīng)與橋梁加固設(shè)計(jì)相結(jié)合。
?。?）考慮結(jié)構(gòu)損傷影響的承載力評(píng)估方法還不夠完善。
?。?）橋梁改造加固總體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)思路不夠開闊，應(yīng)用技術(shù)單一，設(shè)計(jì)深度不夠。
?。?）個(gè)別橋梁加固設(shè)計(jì)生搬硬套國(guó)外或國(guó)內(nèi)其他行業(yè)的設(shè)計(jì)方法，忽略了橋梁帶載加固分階段受力的特點(diǎn)。有些加固設(shè)計(jì)只做宏觀的定性分析，缺少科學(xué)地定量分析計(jì)算，設(shè)計(jì)帶有很大的隨意性。
針對(duì)我國(guó)目前橋梁改造加固加固市場(chǎng)的混亂局面，加強(qiáng)橋梁養(yǎng)護(hù)、管理及設(shè)計(jì)與施工技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)是整頓橋梁加固市場(chǎng)的重要內(nèi)容之一。特別是在全國(guó)基層的橋梁養(yǎng)護(hù)、管理及設(shè)計(jì)與施工人員中，普通橋梁病害診斷與加固設(shè)計(jì)知識(shí)是十分必要的。
第一章 橋梁病害診斷
混凝土結(jié)構(gòu)的病害表現(xiàn)形式多種多樣，引起病害的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，從引起病害的原因來(lái)分析，可以將其劃分為兩大類：
第一類為由環(huán)境作用引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷與破壞。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），環(huán)境中的水及侵蝕性介質(zhì)就可能滲入混凝土內(nèi)部，與混凝土中某些成份發(fā)生化學(xué)、物理反應(yīng)，引起混凝土損傷，影響結(jié)構(gòu)的受力性能和耐久性。
第二類為由荷載作用或設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)造成的混凝土結(jié)構(gòu)損傷。例如，由于超載作用引起的裂縫，動(dòng)力沖擊作用引起疲勞破壞。構(gòu)造措施和施工方法不當(dāng)引起結(jié)構(gòu)裂縫等。
§1-1 環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞
1 混凝土的碳化
混凝土的碳化是指混凝土中氫氧化鈣與滲透進(jìn)混凝土中的二氧化碳或其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。一般情況下混凝土呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護(hù)鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到了“鈍化”保護(hù)作用。碳化的實(shí)質(zhì)是混凝土的中性化，使混凝土的堿性降低，鈍化膜破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。
2 氯離子的侵蝕
氯離子對(duì)混凝土的侵蝕是氯離子從外界環(huán)境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯離子的主要來(lái)源，北方寒冷地區(qū)冬季道路、橋面撒鹽化雪除冰都有可能使氯離子滲入混凝土中。氯離子對(duì)混凝土的侵蝕屬于化學(xué)侵蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)的危害是多方面的，但最終表現(xiàn)為鋼筋的銹蝕。
3 堿—骨料反應(yīng)
堿—骨料反應(yīng)一般指水泥中的堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應(yīng)，生成堿—硅酸鹽凝膠，并吸水產(chǎn)生膨脹壓力，造成混凝土開裂。
堿—骨料反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞程度，比其他耐久性破壞發(fā)展更快，后果更為嚴(yán)重。堿—骨料反應(yīng)一旦發(fā)生，很難加以控制，一般不到兩年就會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開裂，所以有時(shí)也稱堿骨料反應(yīng)是混凝土結(jié)構(gòu)的“癌癥”。
堿—骨料反應(yīng)破壞的最重要特征之一是混凝土表面開裂，裂縫的形態(tài)與結(jié)構(gòu)中鋼筋形成的限制和約束狀態(tài)有關(guān)：鋼筋限制、約束力強(qiáng)的混凝土形成順筋裂縫；鋼筋限制約束作用弱的混凝土形成網(wǎng)狀或地圖狀裂縫，在裂縫處有白色凝膠物滲出。堿—骨料反應(yīng)裂縫與其他原因裂縫的主要區(qū)別是：
?、賶A—骨料反應(yīng)引起混凝土局部膨脹，裂縫的兩個(gè)邊緣出現(xiàn)不平（錯(cuò)臺(tái)）；是堿—骨料反應(yīng)裂縫的特有現(xiàn)象；
?、趬A—骨料反應(yīng)與環(huán)境濕度有關(guān)，在同一工程中潮濕部位出現(xiàn)裂縫，而干燥部位卻安然無(wú)恙，是堿—骨料反應(yīng)裂縫區(qū)別與其他原因裂縫的外觀特征差別之一。
③從裂縫出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)判斷，堿—骨料反應(yīng)裂縫出現(xiàn)的時(shí)間較晚，多在施工后5~10年內(nèi)出現(xiàn)，而混凝土收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間較早，一般在施工后若干天內(nèi)出現(xiàn)。
4 凍融循環(huán)破壞
滲入混凝土中的水在低溫下結(jié)冰膨脹，從內(nèi)部破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次凍融循環(huán)后，損傷積累將使混凝土剝落酥裂，強(qiáng)度降低。凍融循環(huán)破壞的混凝土剝落，開始時(shí)在混凝土表面出現(xiàn)粒徑為2-3mm的小片剝落，隨著使用年限的增加，剝落量及剝落塊直徑增大，剝落由表及里，發(fā)展速度很快。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)凍融引起的混凝土剝落，必需密切注意剝落的發(fā)展情況，及時(shí)采取修補(bǔ)措施。
北方地區(qū)采用撒鹽除冰，由于鹽類與凍融循環(huán)的共同作用引起的鹽凍破壞是凍融循環(huán)破壞的一種特殊形式。鹽凍破壞是靜水壓及鹽溶液的滲透壓和結(jié)晶壓共同作用的結(jié)果，因此，鹽凍破壞要比單純的凍融破壞嚴(yán)酷得多。
鹽凍破壞區(qū)別于其他破壞形式的主要特征是：
?、俦砻娣謱觿兟?，骨料暴露，但剝落層下面的混凝土完好；
?、谄茐乃俣瓤欤瑢?duì)未采用防鹽凍措施而使除冰鹽者，少則一冬，多則幾冬，即可產(chǎn)生嚴(yán)重鹽凍破壞；
?、墼跊](méi)有干擾的剝蝕表面或裂縫中可見到白色鹽結(jié)晶體；
5 鋼筋銹蝕
混凝土中鋼筋腐蝕的首要條件是鈍化膜壞，混凝土的碳化及氯離子侵蝕都會(huì)造成覆蓋鋼筋表面的堿性鈍化膜的破壞，加之有水分和氧的侵入，就可能引起鋼筋的腐蝕。鋼筋腐蝕伴有體積膨脹，使混凝土出現(xiàn)沿鋼筋的縱向裂縫，造成鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力破壞，鋼筋截面面積減少，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時(shí)間的推移，腐蝕會(huì)逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。
值得注意的是，上述所有侵蝕混凝土和鋼筋的作用都需要有水作介質(zhì)。另一方面，幾乎所有的侵蝕作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞都與侵蝕作用引起的混凝土膨脹，最終導(dǎo)致混凝土的開裂有關(guān)。而且當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)開裂后，腐蝕速度將大大加快。形成導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)一步退化的惡化循環(huán)。因此，對(duì)新建結(jié)構(gòu)而言，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本途徑是增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，防止和控制混凝土開裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保護(hù)層的厚度，防止由于混凝土保護(hù)層碳化引起鋼筋鈍化膜破壞。對(duì)于在役結(jié)構(gòu)而言，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本思路是在清除病害根源的基礎(chǔ)上，封堵裂縫，修補(bǔ)破損混凝土；增設(shè)防水層，防止水分的侵入。
§1-2混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫分析
實(shí)踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫，裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表。所以，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，首先應(yīng)從對(duì)結(jié)構(gòu)的裂縫調(diào)查、檢測(cè)與分析入手。
混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴(kuò)展而引起的。引起裂縫的原因很多，但可歸納為兩大類：
第一類：由外荷載引起的裂縫，稱為結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱為受力裂縫），其裂縫的分布及寬度與外荷載有關(guān)。這種裂縫的出現(xiàn)，預(yù)示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在其他嚴(yán)重問(wèn)題。
第二類：由變形引起的裂縫，稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結(jié)構(gòu)變形受到限制時(shí)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，即會(huì)引起混凝土裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)，變形得到釋放，拉應(yīng)力也就消失了。
兩類裂縫有明顯的區(qū)別，危害效果也不相同，有時(shí)兩類裂縫融在一起。調(diào)查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫占主導(dǎo)的約占80%；以荷載引起的裂縫占主導(dǎo)的約占20%。對(duì)裂縫原因的分析是裂縫危害性評(píng)定，裂縫修補(bǔ)和加固的依據(jù)，若對(duì)裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進(jìn)行處理，不僅達(dá)不到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險(xiǎn)。
