淺析橋梁加固常用方法機理和計算理論

1、淺析橋梁加固常用方法機理和計算理論1、前言隨著歲月的消逝，任何一座新建的橋梁經過若干年大自然的侵蝕和使用，終將成為一座舊橋；橋梁的加固與修理同重建新橋相比具有更高的經濟效益，對橋梁的加固以及如何提高其承載力問題的研究實驗與推廣，已經引起世界性的關注。橋梁的加固利用和改造是一個永遠性的技術課題，已成為橋梁工程建設中既古老、又衰老的新興學科，是一項既綜合繁雜，又在不斷進展創(chuàng)新、逐步完美的技術；也是橋梁建設可持續(xù)進展的一個重要組成部分和關鍵技術之一。近年來，橋梁加固工程越來越多，但目前橋梁加固的設計計算理論還不夠成熟和完美，至今未有特地的橋梁加固規(guī)范。2、橋梁加固常用方法和計算理論2.1轉變受力體系

2、加固法2.1.1 轉變受力體系加固機理轉變結構的受力體系能大幅度減小計算彎矩，提高結構構件的承載力，達到加強原結構的目的。包括在梁的中間部位增設支點，增設托梁（架），拆除墩柱（簡稱托梁拔柱），將多跨簡支梁變?yōu)槔^續(xù)梁等方法。如當有大件車輛通過橋梁時，為避開短期的過載給橋梁造成永遠的損傷，可用增設支點的方法加固。按增設支點的支撐剛度，轉變受力體系可分為剛性支點和彈性支點兩種；按支撐時的受力狀況，可分為預應力支撐和非預應力支撐。所謂剛性支點，是指增設的支撐件剛度較大，以致被加固結構構件的新支點在外荷載的作用下，豎向位移小到可以忽視；有時盡管新支座由較大的豎向位移，但因為在外荷載作用下，原結構支座也同

3、樣有變位，新舊支座的相對位移很小，這種新支點也屬于剛性支點。所謂預應力撐桿，是指在施工時，對支撐桿件施加預壓應力，使其對被加固的結構構件施加預頂力，它不僅可保證支撐桿件良好的參與工作，而且調整被加固結構構件的內力。2.1.2 轉變受力體系加固計算轉變受力體系加固法的一般計算步驟如下：（1）計算并繪制加固時原構件在剩余的那部分荷載作用下的內力圖；（2）若施加預頂力，按照所設時的加固后的內力圖，決定預頂力的大小，按原結構的計算繪制在支點預頂力作用下梁的內力圖；（3）按加固后的計算簡圖，計算并繪制在新增荷載及加固時卸除荷載作用下的內力圖；（4）將上述三項內力迭加，繪制梁各截面的內力包絡圖；（5）計算

4、梁各截面的實際承載力，并繪制梁的材料圖；（6）調整預頂力值，使梁的內力圖小于梁的材料圖；（7）按照支點的最大支承反力，設計支撐構件，其多為軸心受力構件，可按鋼筋混凝土規(guī)范與鋼結構規(guī)范舉行設計；（8）計算預應力撐桿的頂撐控制量。 當用縱向壓縮法對預應力撐桿系統(tǒng)施加預升力時，其預升量L=L+a（2-1）式中,L撐桿長度；a 撐桿端部與被加固構件混凝土間的壓縮量,可取24mm。撐桿在預應力作用下引起的應變；2.2增大截面加固法2.2.1增大截面加固機理及適用范圍增大截面加固法通常稱為外包混凝土加固法,它是增大構件的截面和配筋率,用以提高構件的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，也可用來修補裂縫等，梁式橋和拱

5、式橋等橋梁均可采用該方法加固。按照被加固構件的受力特點和加固目的要求、構件部位與尺寸、施工便利等可設計為單側、雙側或三側加固,以及周圍外包加固。按照不同的加固目的和要求,又可分為加大截面為主加固和加配鋼筋為主加固,或者兩者同時采用的加固。加大截面為主的加固,為了保證補加的混凝土正常工作,亦需適當配置構造鋼筋。加配鋼筋為主的加固,為了保證配筋的正常工作,需按鋼筋的間距和庇護層等構造要求確定適當增大截面尺寸。加固中應將新舊鋼筋焊接,或用錨桿聯(lián)結補強鋼筋和原構件,同時將舊混凝土表面鑿毛清洗整潔,確保新舊混凝土良好結合。增大截面加固法使用平凡混凝土,強度等級不低于C20,當加固層較薄,鋼筋較密時,可用

6、細石子混凝土,在條件許可的狀況下亦可采用鋼纖維混凝土加固,配置的鋼材除平凡混凝土外還可采用型鋼和鋼板等。增大截面加固法的缺點是現(xiàn)場濕作業(yè)工作量大,養(yǎng)護期較長,并對結構外觀和凈空有一定的影響。2.2.2增大截面加固計算采用增大截面加固橋梁,其承載力計算受到原構件應力應變的影響,不能容易地作為整體截面用有關公式計算。在加固計算中,首先應決定加固前構件的實際應力應變水平,并考慮新混凝土與原結構協(xié)同工作的程度,然后舉行合理的計算。2.2.2.1 受彎構件加固計算要點受彎構件外包混凝土加固設計,應按照現(xiàn)場結構的實際狀況,分離采用受壓區(qū)或受拉區(qū)兩種不同的加固形式。（1）受壓區(qū)外包混凝土加固一般用剛架拱、桁

7、架拱等拱橋的斜腿、斜撐或弦桿的加固。采用受壓區(qū)加固的受彎構件,其承載力、抗裂度、鋼筋應力、裂縫寬度及變形計算和演算可按現(xiàn)行國家標準混凝土結構設計規(guī)范（GB J10-89）中關于疊合構件的規(guī)定舉行。試驗研究表明,在相同彎矩作用下,二次受力疊合梁的受拉筋應力、撓度和曲率都比相同截面和配筋的一次受力整澆梁的相應值大得多。第二,二次受力疊合梁在第一次受力時是由疊合前的原混凝土承受壓力。而在二次受力時,主要由后澆混凝土承受壓力。這使后澆混凝土受壓應變比相應整澆梁小,因此,加固計算務必考慮疊合梁二次受力的特點舉行較復雜的計算。（2）受拉區(qū)外包混凝土加固受拉區(qū)外包混凝土加固方法,一般用于梁式橋跨中部位、拱式

8、橋的拱頂?shù)酌婧凸澳_頂面等受拉區(qū)。對于在受拉區(qū)采用外包混凝土,增強鋼筋加固的受彎構件,其截面受力可按規(guī)范中一般受彎構件的規(guī)定計算。但應考慮以下不同點:新加部分承載力應乘以共同工作系數(shù)舉行折減,對于正彎矩截面受彎構件=0.9;對于斜截面受剪構件=0.70.9；加固結構截面受壓區(qū)高度與一般受彎構件是不同的；當新加鋼筋與原鋼筋相距較遠時,受拉區(qū)混凝土可能會消失較大裂縫,應實行適當措施,滿意使用要求。2.2.2.2 偏心受壓構件加固計算要點當用外包混凝土法加固鋼筋混凝土偏心受壓構件時,應按整體截面以現(xiàn)行國家標準中有關公式舉行其正截面承載力計算。其中,新增混凝土和縱向鋼筋的強度設計值應按下列規(guī)定予以折減。

9、（1） 受壓區(qū)新增混凝土和縱向鋼筋的抗壓強度設計值乘以0.9的系數(shù)；（2） 受拉區(qū)新增縱向鋼筋的抗拉強度設計值乘以0.9的系數(shù)。2.2.2.3 增大截面加固加固計算在澆筑疊合層之前，構件上作用有彎矩M1，截面上的應力如圖b所示，稱為第一階段受力。待疊合層中。的混凝土達到設計強度后，構件進入整體工作階段，新增荷載在構件上產生的彎矩為M2，由疊合構件的全高h擔當，截面應力如圖c，稱為其次階段受力，在總彎矩Mz=M1+M2的作用下，截面應力如圖d所示。2.3碳纖維布加固法2.3.1碳纖維布加固機理工程材料的長進及新材料的消失歷來是土木結構工程進展的先驅和動力。碳纖維材料的消失和勝利應用于土木工程的加

10、固和補強上，使土木工程加固技術研究更上一個臺階。碳纖維是一種新型材料,因其質輕、耐腐蝕、片材很薄、抗拉強度高而被廣泛應用。碳纖維布（片）加固法亦被視為梁式橋加固補強、提高承載能力,尤其是當高度受限制時的首選加固方法,其施工工藝也很容易。2.3.2碳纖維布加固法受力分析與設計計算2.3.2.1 加固受力特點分析（1）與傳統(tǒng)的其它加固方法相比，采用碳纖維布加固橋梁能最小程度的轉變原有結構的應力分布，保證在設計荷載范圍內與原結構共同受力；（2）將抗拉性能優(yōu)良的碳纖維布用粘結材料粘貼到梁體底面或箱梁內壁上，使其與原結構一起參加受力，即碳纖維布可以與原結構內布置的鋼筋共同承受拉力，以提高橋梁的承載能力；

11、（3）沿橋梁的主拉應力方向（或與裂縫正交方向）粘貼碳纖維布，兩端分離設置錨固端；據(jù)此可約束混凝土表面裂縫、防止裂縫再擴展，從而達到提高構件抗彎剛度、削減構件撓度、改善梁體受力狀態(tài)的目的；（4）目前可用于橋梁結構加固用的碳纖維布、單向碳纖維交織布、雙向碳纖維交織布及單向碳纖維層壓材料等，可按照不同的結構部位和受力特點與方向等，抉擇相應的碳纖維布舉行加固；（5）碳纖維布加固混凝土構件，在提高其受彎承載力的同時還可能影響受彎構件的破壞形態(tài)。當碳纖維布用量過多時，構件的破壞形態(tài)將由碳纖維被拉斷引起的破壞改變?yōu)榛炷帘惑E然壓碎破壞。與此同時，因為碳纖維為徹低彈性材料，它與鋼筋的共同工作會削弱鋼筋塑性性能

12、對構件延性的影響。碳纖維布用量過多，構件的延性將有所降低。因此，碳纖維布用于鋼筋混凝土梁式橋加固補強時，應按照實際狀況合理使用；（6）因為碳纖維布加固后在最后破壞時的驟然性（拉斷或剝離等脆性破壞），其承載力極限狀態(tài)不能按平凡鋼筋混凝土的定義，一般應按碳纖維抗拉強度的2/3舉行抗彎承載力計算；（7）實驗研究證明，碳纖維布能夠提高混凝土梁抗剪承載力，其作用機理與箍筋類似，同時還能顯然改善構件的變形性能，增加構件的變形能力；（8）碳纖維布與混凝土基層界面，可分為兩個界面區(qū)，即混凝土層與粘結樹脂界面區(qū)、粘結樹脂與碳纖維布界面區(qū)。粘結性能的本質是接觸面間的互相作用，宏觀上表現(xiàn)為液態(tài)聚合物浸潤表面后形成的

13、機械鎖結，微觀上表現(xiàn)為分子蔓延后互相纏結作用，或化學鍵作用，或靜電吸引作用，或其復合作用。2.3.2.2 碳纖維布加固計算要點（1）采用碳纖維布加固橋梁，目前一般的計算方法是將碳纖維布根據(jù)一定的標準（例如強度或容許應力）近似換算成一定用量的鋼筋，然后根據(jù)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型舉行理論分析。雖然是近似計算方法，但理論分析結果與試驗數(shù)據(jù)吻合得很好，因此在一般狀況下是適用的。（2）碳纖維布加固用量，可按式（2-3）估算。Acf=As（Ry/Rcf） （2-3）式中，Acf 碳纖維布用量（面積）；As為抵擋不足彎矩所需的鋼筋面積；Ry鋼筋的抗拉設計強度；Rcf 碳纖維布抗拉設計強度。（3）除按上

14、式估算的碳纖維布加固用量（面積）外，還務必考慮須要的錨固長度和搭接長度所需面積，以及須要的邊、角廢料等裁減損耗等。2.3.2.3 碳纖維布加固橋梁特點（1）不增強恒載及斷面尺寸碳纖維布的自重僅為200300g/m2，設計厚度為0.1110.167mm，加上環(huán)氧樹脂系列的粘結材料的自重也很輕，對囫圇結構分量及橋下凈空的影響很小，可忽視不計。同時，碳纖維布可以多層粘結。按照加固的要求，碳纖維布可以在一個部位重疊粘貼，充分滿意加固的要求。這一優(yōu)點是傳統(tǒng)加固補強方式所難以比擬的。（2）可適應不同構件樣子，成型很便利斜、彎、坡及異型結構的補強，采用傳統(tǒng)的方法，施工難度大。采用碳纖維布補強法，因碳纖維布的

15、隨型性極強的特點，可以隨結構外形變化隨意施工，從而降低施工難度，削減施工成本，縮短施工工期，產生極大的社會及經濟效益。（3）施工簡便特殊是當箱梁內部的作業(yè)空間受到限制時，碳纖維布加固法是可抉擇的一種方法。該法工藝簡便，無需大型設備、模板、夾具及支撐，操作起來容易易行，因而施工所需工作面小，在作業(yè)空間受限制時，該優(yōu)點是其它加固方法無法比擬的。（4）采用碳纖維布加固補強，對原結構不產生新的損傷碳纖維布加固補強系采用環(huán)氧樹脂系列的粘結材料舉行粘貼，不需要設置錨固螺栓及開鑿混凝土等，因而不會對已經損傷的結構產生新的破壞，更可避開鉆孔時與結構內原有鋼筋和預應力索發(fā)生矛盾而引起新的問題。（5）能有效地封閉

16、混凝土的裂縫碳纖維布（片）粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，其高強高模量的特性還約束了混凝土結構裂縫的產生和擴展，轉變了裂縫的形態(tài)，使寬而深的裂縫變成凝聚的微小的裂縫，從而提高了混凝土構件的整體剛度。（6）碳纖維布（片）具有良好的耐化學腐蝕性碳纖維布（片）一種復合材料，幾乎無腐蝕性和磁性，具有良好的耐熱性，不僅能經得起水泥堿性的侵蝕，而且當應用于常常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時，其壽命也較長。因而碳纖維布加固法，在不利環(huán)境下較其它方法更顯出其優(yōu)越性。（7）不影響結構的外觀碳纖維布（片）的厚度很薄，粘貼固化后其表面還可以涂刷一層與原結構外觀色彩全都的涂料，而不影響結構的外觀。2.4粘貼鋼板

17、加固法2.4.1粘貼鋼板法加固機理貼鋼法加固橋梁一般采用環(huán)氧樹脂或建造結構膠將鋼板、鋼筋或玻璃鋼等抗拉強度較高的材料粘貼在鋼筋混凝土受彎構件表面，使之與結構物形成整體，從而取得提高構件的抗彎能力，以及削減裂縫擴展的效果。該加固方法具有施工簡便，粘鋼所占空間小，不削減橋梁凈空，加固施工周期短，消耗材料少，粘鋼加固部位、范圍與強度可視設計構造需要靈巧設置，并可在不影響或少影響交通的狀況下施工。所以，貼鋼法是常用的加固方法。2.4.2粘貼鋼板法計算理論2.4.2.1 受彎構件的計算受彎構件截面強度不足時在受拉區(qū)加固，可實行在受拉區(qū)表面粘貼鋼板的方法，如圖3。此時，按截面受彎承載力計算，可根據(jù)現(xiàn)行國家

18、標準混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定舉行，其受壓區(qū)高度和截面受彎承載力。式中，fy0 原結構縱向鋼筋抗拉強度設計值；As0原結構縱向受拉鋼筋截面面積；fay加固鋼板抗拉強度設計值；Aa加固鋼板截面面積；原結構縱向受壓鋼筋抗拉強度設計值；Aso原結構縱向受壓鋼筋截面面積；fcm0原結構混凝土彎曲抗壓強度設計值；X混凝土受壓區(qū)高度；b0原構件的寬度；h0原構件的有效高度；原構件的受壓區(qū)庇護層厚度；0.9考慮加固鋼板的應力滯后、以及撕脫力影響等強度折減系數(shù)。2.4.2.2 鋼板錨固長度計算（1） 受拉鋼板在其加固點外的錨固粘結長度L1 ,按式（2-6）決定。 L12fayta/fcv （2-6）式中，Ta受拉

19、加固鋼板厚度; fcv被粘混凝土抗剪強度設計值。公式中數(shù)值2為錨固區(qū)剪應力分布不勻稱系數(shù),近似按三角形考慮。（2） 若鋼板粘結長度無法滿意上述要求,可在鋼板的端部錨固區(qū)粘結U型箍板，此時，錨固區(qū)的長度應滿意下列規(guī)定：當fvb12fcvLu時 f0.5f（2-7）cvb1L1+0.7nfvbbb1 ayAa當fvb12fcvLu時 f ayAa（0.5b1L1+ nbuLu） fcv （2-8） 式中，n每端箍板數(shù)量; bu箍板寬度;Lu箍板單肢的梁側混凝土的粘結長度;fv鋼與鋼粘結抗剪強度設計值。2.4.2.3 斜截面粘結鋼板加固計算當構件斜截面受剪承載力不足時,按下圖所示方法粘結并聯(lián)U型箍板舉行加固。如圖5，此時斜截面受剪承載力 VVo+2fayAalLu /S （2-9）同時，務必滿意以下條件： L（2-10） 1.5 u /S式中，V斜截面剪力設計值; V0原構件斜截面受剪承載力設計值;Aal單肢箍板截面面積; S箍板軸線間距。2.5錨噴混凝土加固法2.5.1錨噴混凝土的定義錨噴混凝土實際上由兩部分組成，首先是將錨桿錨入擬補強部位結構內，掛設補強鋼筋網(wǎng)，然后再噴射一定厚度的混凝土，形成與本來結構共同承受外載作用的組合結構。所以，錨噴混凝土是借助噴射機械，利用壓縮空氣將新混凝土混合料，通過管道高速噴射到已錨固好鋼筋網(wǎng)的受噴面上，待其凝固硬化形成一種鋼筋混凝土。錨噴混凝土不需