橋梁結(jié)構(gòu)病害分析與改造加固設(shè)計
2015-04-28
目 錄
橋梁結(jié)構(gòu)病害分析與改造加固設(shè)計 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估 7
§2-1 在役混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力與耐久性評估的基本概念 7
§2-2考慮鋼筋腐蝕影響的承載能力評估方法 8
第三章 橋梁改造加固方案設(shè)計 12
§3-1橋梁改造加固方案設(shè)計的原則 12
§3-2 典型橋梁加固方案評述 13
第四章 橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件設(shè)計計算 20
§4-1 橋梁加固薄弱構(gòu)件分階段受力特點 20
§4-2 橋梁加固薄弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計算 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算 20
二、加砼類加固簿弱受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力計算特點 23
§4-3 橋梁加固薄弱構(gòu)件斜截面抗剪承載力計算 24
§4-4體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件實用設(shè)計方法 26
一、活荷載作用下體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量計算 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)件變形計算 33
參考文獻 34
正文
我國橋梁改造加固任務(wù)繁重，據(jù)交通部統(tǒng)計至2003年底，全國公路網(wǎng)中尚有危橋10443座，378439延米。要實現(xiàn)交通部規(guī)劃的2005年底基本消滅國、省干線公路危橋的目標，所需資金約為90億元。中國橋梁改造加固市場的巨大潛力，吸引了國內(nèi)外眾多有遠見卓識的工程技術(shù)人員和企業(yè)家把注意力轉(zhuǎn)移到這方面來，國外的先進加固技術(shù)大量涌進中國加固市場，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，推進了我國橋梁改造工作的發(fā)展。
提高橋梁改造加固設(shè)計質(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)計是比新建橋梁設(shè)計復(fù)雜得多的系統(tǒng)工程。我國目前的狀況是“有實力的大設(shè)計院無暇顧及，不愿意干，技術(shù)力量較差的小型設(shè)計單位又干不了”，橋梁改造加固設(shè)計基本上由科研單位、高等院校和各類專業(yè)公司來承擔。各類專業(yè)公司的技術(shù)水平差異較大，值得慶幸的是，近幾年來我國確已出現(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，他們代表了中國橋梁改造加固的主導方向。但是，有些專業(yè)公司以銷售加固材料為主，業(yè)務(wù)單一，對橋梁加固設(shè)計不熟悉。橋梁改造加固設(shè)計審核制度不規(guī)范，沒有明確的加固設(shè)計資質(zhì)要求，橋梁加固設(shè)計市場管理混亂。整頓和規(guī)范橋梁加固市場，提高橋梁改造加固設(shè)計質(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，目前我國橋梁改造加固設(shè)計存在的主要問題是：
?。?）基層養(yǎng)護管理和設(shè)計部門，橋梁病害診斷技術(shù)力量薄弱，橋梁檢測手段落后。橋梁病害診斷是進行橋梁加固設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，只有診斷清楚，才能對癥下藥。橋梁檢測是橋梁病害診斷與分析的重要手段，檢測應(yīng)重在分析，并應(yīng)與橋梁加固設(shè)計相結(jié)合。
?。?）考慮結(jié)構(gòu)損傷影響的承載力評估方法還不夠完善。
?。?）橋梁改造加固總體設(shè)計方案的設(shè)計思路不夠開闊，應(yīng)用技術(shù)單一，設(shè)計深度不夠。
?。?）個別橋梁加固設(shè)計生搬硬套國外或國內(nèi)其他行業(yè)的設(shè)計方法，忽略了橋梁帶載加固分階段受力的特點。有些加固設(shè)計只做宏觀的定性分析，缺少科學地定量分析計算，設(shè)計帶有很大的隨意性。
針對我國目前橋梁改造加固加固市場的混亂局面，加強橋梁養(yǎng)護、管理及設(shè)計與施工技術(shù)隊伍建設(shè)是整頓橋梁加固市場的重要內(nèi)容之一。特別是在全國基層的橋梁養(yǎng)護、管理及設(shè)計與施工人員中，普通橋梁病害診斷與加固設(shè)計知識是十分必要的。
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，引起病害的原因錯綜復(fù)雜，從引起病害的原因來分析，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、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、施工不當造成的混凝土結(jié)構(gòu)損傷。例如，由于超載作用引起的裂縫，動力沖擊作用引起疲勞破壞。構(gòu)造措施和施工方法不當引起結(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混凝土中的二氧化碳或其它酸性氣體發(fā)生化學反應(yīng)的過程。一般情況下混凝土呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到了“鈍化”保護作用。碳化的實質(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，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。
2 氯離子的侵蝕
氯離子對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。氯離子對混凝土的侵蝕屬于化學侵蝕，對結(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，一般不到兩年就會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開裂，所以有時也稱堿骨料反應(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，裂縫的兩個邊緣出現(xiàn)不平（錯臺）；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。
?、蹚牧芽p出現(xiàn)的時間來判斷，堿—骨料反應(yīng)裂縫出現(xiàn)的時間較晚，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，強度降低。凍融循環(huán)破壞的混凝土剝落，開始時在混凝土表面出現(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，及時采取修補措施。
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ξ床捎梅利}凍措施而使除冰鹽者，少則一冬，多則幾冬，即可產(chǎn)生嚴重鹽凍破壞；
?、墼跊]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，并隨著時間的推移，腐蝕會逐漸惡化，最終可能導致結(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，最終導致混凝土的開裂有關(guān)。而且當混凝土結(jié)構(gòu)開裂后，腐蝕速度將大大加快。形成導致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進一步退化的惡化循環(huán)。因此，對新建結(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混凝土的密實度，防止和控制混凝土開裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保護層的厚度，防止由于混凝土保護層碳化引起鋼筋鈍化膜破壞。對于在役結(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，對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測，首先應(yīng)從對結(jié)構(gòu)的裂縫調(diào)查、檢測與分析入手。
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重問題。
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，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當此應(yīng)力達到混凝土抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫，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的約占80%；以荷載引起的裂縫占主導的約占20%。對裂縫原因的分析是裂縫危害性評定，裂縫修補和加固的依據(jù)，若對裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進行處理，不僅達不到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險。
