橋梁加固設計理念的再思考解析

橋梁加固設計理念的再思考《橋梁》雜志2012年第一期發(fā)表了筆者所寫的《橋梁加固設計理念的再思考》一文,現(xiàn)轉發(fā)供參考。編者按：本文作者張樹仁教授曽相繼發(fā)表了《從被動加固到主動加固的思考一一橋梁加固設計思想之我見》和《橋梁加固設計理念剖析與商榷》兩篇文章。他提出的“堅持橋梁帶載加固必須考慮分階段受力特點的基本觀點，從解決后加補強材應變滯后，提高材料利用效率的根本目的出發(fā)，積極倡導預應力主動加固技術的推廣應用”的橋梁加固設計思想，已逐漸被同行專家所認同，就全國范圍而言，己有越來越多的從事橋梁維修加固設計與施工的工程技術人員和管理工作者,從“不分加固性質(zhì)，盲目亂貼碳纖維布”的橋梁加固誤區(qū)解脫出來，在認真思考和積極實踐“預應力主動加固技術”設計思想的真實含義和實用價值，這是我國橋梁加固事業(yè)逐步走向理性化的良好開端。加深對橋梁加固分階段受力特點的認識是樹立正確設計思想的前提,橋梁加固設計是比新建橋梁設計更為復雜的系統(tǒng)工程，應充分考慮在役橋梁結構的實際情況和加固受力特點。橋梁結構自重和恒載大，一般均采用帶載加固，即在不卸除結構自重和恒載的情況下對結構進行加固補強，待后加補強材料與原結構粘結為整體后，開放交通允許車輛通行。圖1-1橋梁加固鋼筋混凝土受彎構件分階段受力示意圖橋梁加固薄弱構件的承載力計算，必須考慮分階段受力特點。圖1-1所示為橋梁加固鋼筋混凝土受彎構件分階段受力示意圖。構件自重和不拆除的恒載由原梁承擔，車輛荷載及后加恒載由加固后的組合截面承擔。與原梁鋼筋相比，后加補強材料應變（應力）相對滯后，一般情況下，在極限狀態(tài)時其應力是達不到抗拉強度設計值。計算結果表明，考慮分階段受力的影響，加固構件以原梁鋼筋的拉應力控制設計，后加補強材料拉應力較小，不能充分發(fā)揮作用。特別是采用的直接粘貼高強碳纖維布（板片）的被動加固方案，后加補強材料的高抗拉性能是很難發(fā)揮作用，“大馬拉小車”是一種極大的浪費。佃政圖—期荷載作二雅佃政圖—期荷載作二雅用下的曲團用下的曲團橋梁加固構件的設計與計算，應考慮帶載加固分階受力特點，這是橋梁加固設計與新建橋梁設計的最大區(qū)別，與一般房屋結構加固設計相比，橋梁加固構件受分階段受力的影響程度更為突出。預應力加固的根本目的是解決后加補強材料應變滯后橋梁帶載加固后加補強材料應變（應力）滯后是影響加固構件工作性能、制約后加補強材料利用效率和控制加固工程成本的瓶頸。解決后加補強材料應變（應力）滯后的根本途徑是變被動加固為主動加固，對后加補強材料施加預應力，做成預應力加固體系，正截面抗彎加固要加預應力，斜截面抗剪加固更要加預應力?？款A應力的主動受力，從根本上解決后加補強材料的應變（應力）滯后，提高后加補強材料的利用效益，以最少的成本創(chuàng)造最佳的加固效果。由于預加力的作用改善了原梁的應力狀態(tài)，可以提高原梁的承載力和抗裂性能。預應力技術是20世紀最具革命性的結構構思，已廣泛用于土木和建筑工程。針對橋梁帶載加固后加補強材料應變（應力）滯后的先天不足，預應力加固技術在橋梁加固中的應用具有更為特殊的意義。用于橋梁結構加固的預應力體系主要有四種：體外預應力加固體系體外預應力加固是把具有防腐保護的預應力筋布置在梁體的外部（或箱內(nèi)），對梁體施加預加力，靠后增設的轉向裝置調(diào)整體外預應力筋的方向，以適應內(nèi)力沿梁長方向的變化，以預加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，達到提高承載力的目的。體外預應力加固是目前橋梁加固采用較多的方法之一。特別適用于大跨徑預應力混凝土連續(xù)箱梁和連續(xù)T構箱梁橋的加固。其關鍵技術是體外預應力筋的錨固、轉向和防腐保護問題。無粘結預應力加固體系無粘結預應力技術是將具有防腐保護的預應力筋布置在梁體的內(nèi)部，待混凝土硬化后張拉預應力筋，對梁體施加預加力。將無粘結預應力技術推廣用于橋梁加固，其核心問題是解決為錨固無粘結預應力筋而增設的混凝土支承保護層與被加固梁體的可靠粘結問題。無粘結預應力加固，特別適用于中、小跨徑鋼筋混凝土T形梁的加固，構造簡單，施工方便。高強復合纖維預應力加固體系采用錨固、粘貼在梁體外部（或箱內(nèi)）的高強復合纖維布條（或板條）對梁體施加預加力。這種加固體系目前尚處于試驗研究階段，其關鍵技術是解決適應于橋梁加固現(xiàn)場施工的預應力纖維布（板）的張拉、錨固和張拉后纖維布條（或板條）與被加固梁體的可靠粘結問題。有粘結預應力加固體系有粘結預應力加固體系是采用錨固于被加固梁體上的23股鋼絞線、小直徑精軋螺紋鋼或普通熱軋鋼筋，對梁體施加預加力，然后噴注具有較高抗拉強度的復合砂漿，將預應力筋與被加固梁體粘結為一體，構成有粘結預應力加固體系。有粘結預應力加固體系特別適用于中、小跨徑的鋼筋混凝土T形梁和空心板梁的加固，尤其是對高速公路和城市立交工程中大量采用的中等跨徑的鋼筋混凝土及預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，采用在箱梁底部增設預應力筋，然后噴注高性能復合砂漿的有粘結預應力加固體系是理想的加固方案之一。有粘結預應力加固構造要點和關鍵技術采用錨固于被加固梁體上的小直徑鋼絞線或普通熱軋鋼筋，對梁體施加預加力，然后噴注高性能抗拉復合砂漿的有粘結預應力加固體系是筆者于2004年在總結韓國SRAF技術的基礎上提出的加固設計新構思,其關鍵技術是預應力筋張拉與錨固和高強復合砂漿的合理選擇與噴注預應力鋼筋種類、張拉與錨固用于有粘結預應力加固體系的預應力鋼筋，可采用2股或3股鋼絞線、小直徑精軋螺紋鋼等國產(chǎn)鋼材。由于用于舊橋梁加固的預應力筋應力損失較小，張拉控制應力較低，對某些情況下甚至可以采用小直徑的普通熱軋鋼筋（HRB40C或HRB335作預應力筋。小直徑精軋螺紋鋼采用廠家配套的螺帽錨固，采用小型液壓測力扳手進行張拉，張拉控制應力可取0.7-0.8fPk。小直徑鋼絞線（3股或2股鋼絞線）采用夾片錨具錨固，采用小型千斤頂進行張拉，張拉控制應力可取0.5-0.6fpk小直徑鋼絞線和精軋螺紋鋼預應力筋采用錨固于梁體上的支承角鋼固定，支承角鋼與被加固梁體的錨固方式因原梁鋼筋布置的情況而異，可以采用膨脹螺栓（或植筋），亦可采用膨脹螺栓與膠結（或焊接）相結合的方式。小直徑的熱軋鋼筋（HRB40C或HRB335可采用焊接連接錨固。將鋼筋的兩端焊接在固定于被加固梁體上的錨固鋼板條上，采用橫向拉緊變形法進行張拉，張拉控制應力可取與一期荷載作用下原梁鋼筋應力大致相同的水平，一般取0.4-0.6fpko高性能抗拉復合砂漿的選擇和噴注有粘結預應力加固體系依靠后噴注的高性能抗拉復合砂漿，將預應力筋與被加固梁體粘結為一體，復合砂漿的高粘結強度是保證兩者共同工作的基礎，復合砂漿的高抗拉性能是控制結構抗裂性、保護后加預應力鋼筋免于腐蝕的前提。目前國內(nèi)生產(chǎn)的高性能復合砂漿種類很多，尚無統(tǒng)一的生產(chǎn)標準，生產(chǎn)廠家給出的性能指標也不盡相同。筆者建議用于橋梁加固的高性能復合砂漿，應滿足表3.2-1規(guī)定的性能要求。橋梁加固用高性能復合砂漿主要性能要求表3.2-1砂漿性能抗壓抗拉強度粘結面抗剪標準碳化氯離分級強度標準強度標準值深度子標準值值(Mpa)(Mpa)(mm)滲透性(Mpa)(庫倫)一級<35<8<3>5很低(100-1000)<30玄6<2.5>8很低(100-1000)二級三級<30<4<2>10低(1000-2000)四級<30<3TT5>15低(1000-2000)注：①抗壓強度采用GB-18445-2001標準試驗測；抗拉強度采用劈裂試驗測定；粘結面抗剪強度采用純剪試驗測定，并應標明所用界面劑和界面處理情況；碳化深度采用GBJ82-85標準試驗測定；氯離子滲透性采用ASTMC1202-97標準試驗測定，根據(jù)測得的電量,判斷氯離子滲透性,>4000庫倫，滲透性高;2000-4000庫倫，滲透性中等;1000-2000庫倫，滲透性低;100-1000庫倫，滲透性低;<100庫倫；上述強度標準值應具有95%的保的保證率。復合砂漿的選擇應綜合考慮橋梁的使用環(huán)境、加固設計抗裂性要求和加固施工情況的影響，建議按下列意見處理：(1)用于梁底受拉區(qū)正截面抗彎加固采用小直徑鋼絞線、高強鋼絲和精軋螺紋鋼筋的有粘結預應力加固：對處于I、U類環(huán)境的橋梁，可采用二級復合砂漿；對處于類環(huán)境的橋梁宜采用一級復合砂漿。②采用普通熱軋鋼筋（HRB335HRB400）的有粘結預應力加固：對處于I、U類環(huán)境的橋梁可采用三級復合砂漿；對處于川、W類環(huán)境的橋梁宜采用二級復合砂漿。（2）用于腹板（梁肋）側面的斜截面抗剪加固采用普通熱軋鋼筋（HRB335HRB400）的有粘結預應力加固'可采用三級復合砂漿注：橋梁使用環(huán)境類別按《橋規(guī)JTGD62-2004》的規(guī)定劃分，I類環(huán)境系指溫暖或寒冷地區(qū)的大氣環(huán)境，與無侵蝕性水或土接觸的環(huán)境；U類環(huán)境系指嚴寒地區(qū)的大氣環(huán)境、使用除冰鹽環(huán)境、濱海環(huán)境；川類環(huán)境系指海水環(huán)境；W類環(huán)境系指受侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境。復合砂漿的保護層的厚度（砂漿表面至鋼筋表面的距離）應根據(jù)材料抗碳化性能和抗化學腐蝕能力，由耐久性要求確定，一般?。?0~15）mm復合砂漿的噴注厚度與鋼筋布置情況有關，一般為（30~40）mm布置支承角鋼（錨墊板）的梁段的噴注厚度較大，應分層噴注。筆者近年開展試驗研究和工程實踐表明有粘結預應力加固體系以其加固效果顯著、結構耐久性好和施工方便的綜合技術優(yōu)勢，受到土木工程界的重視,己在黑龍江省哈同公路螞蟻河2號橋、曲家屯橋，河北省京滬高速漳衛(wèi)新河岔河大橋，山西省太舊高速宿武立交樞紐工程，山東省煙臺開發(fā)區(qū)夾河大橋，遼寧省鶴大公路丹東大洋河大橋，沈陽環(huán)城高速后丁香大橋和蘇北大橋等多座橋加固中應用，取得了良好的加固效果。但就全國范圍而言，有粘結預應力加固技術推廣應用進展不快，其主要原因是由于后噴注的高性能抗拉復合砂漿（或聚合物砂漿）的價格較貴，加固成本較高，限制了這一先進加固技術的進一步推廣應用。因此，從我國橋梁加固工程的實際需求出發(fā)，研究開發(fā)施工更為方便、加固成本相對較低的有粘結應力加固應用技術是十分必要的。橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力加技術的研制與開發(fā)筆者在總結近年來有粘結預應力加固技術推廣應用經(jīng)驗和問題的基礎上，于2010年開展了橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力加固新技術的研制與開發(fā)，并申報了國家發(fā)明專利。橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力加固技術的核心內(nèi)容是：采用具有防腐保護的環(huán)氧涂層鋼筋，替代高強鋼絞線或普通熱軋鋼筋做預應力筋，這樣，可降低對后噴的復合砂漿的抗裂性要求（甚至可允許加固后構件出現(xiàn)不大于0.2mm的裂縫），可以用抗拉強度相對較低的復合砂漿（或混凝土）替代價格昂貴的高性能抗拉復合砂漿（或聚合砂漿），使加固成本大幅度降低。環(huán)氧涂層鋼筋的母材可采用普通熱軋鋼筋（HRB355或HRB400。（1）用于橋梁加固的預應力筋預應力損失小，這為采用強度相對較低的普通熱軋鋼筋（HRB355或HRB400作預應力筋提供了可能。⑵采用普通熱軋鋼筋（HRB355或HRB400作預應力筋的優(yōu)點是：普通熱軋鋼筋的可焊性好，可以采用焊接連接；普通熱軋鋼筋的塑性好，可以防止材料的脆性破環(huán)；普通熱軋帶肋變形鋼筋與砂漿的粘結強度高。4.1橫向張拉控制應力的選擇與控制橋梁加固中對后加補強材料施加預應力的主要目的是解決變（應力）滯后，施加的張拉控制應力，應與一期荷載作用下原梁鋼筋應力處于大致相同的水平—般取張拉控制應力0?5-0?6fpk,式中fpk為后加預應力筋的抗拉強度標準值。施工時張拉控制應力用可橫向張拉后鋼筋的傾斜角（或鋼筋轉折點的坐標）來測量和標定其數(shù)值可由下式計算。式中：Li---張拉前兩焊接錨固點間鋼筋長度；L2張拉后鋼筋的長度；9---張拉后鋼筋的傾斜角；EP預應力筋的彈性模量。復合砂漿（或混凝土）保護層材料選擇及施工方法根據(jù)加固部位的抗裂要求和工作條件，選擇復合砂漿（或混凝土）保護層材料和施工方法。板、梁的正截面抗彎加固，補強預應力筋布置在梁的底面受拉區(qū)，可選擇三、四級復合砂漿，采用噴射法施工。T形梁和箱梁橋的斜截面抗剪加固，補強預應力鋼筋布置在腹板的兩側（或箱內(nèi)），可選擇四級復合砂漿（或混凝土），采用抹壓法施工。橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力加固技術的應用橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力加固技術是有粘結預應力加固設計思想的重大突破，將以加固工作原理先進、加固效果顯著、加固施工方便、材料利用效率高和加固成本低的綜合技術經(jīng)濟優(yōu)勢，成為橋梁加固最具有競爭力的方案。橫向張拉環(huán)氧涂層有粘結預應力加固技術適用鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁加固，亦可用于房屋建筑等其他結構的加固，主要用于下列情況：鋼筋混凝土及預應力混凝土板、梁橋的正截面抗彎承載力加固；鋼筋混凝土及預應力混凝土T形梁、箱形梁橋的斜截面抗剪承載力加固;IIII多跨簡支板、梁橋的簡支轉連續(xù)加固；曲線型匝道橋的正截面抗彎承載力加固。(1)橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力正截面抗彎承載力加固±J圖±J圖4.3-1.aLr1Lr1n圖4.3-1.b對空心板橋梁正截面加固示意圖圖4.3-1為采用橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力體系對空心板橋梁進行正截面加固示意圖。在板底增設平行布置的小直徑（012?16）環(huán)氧涂層普通熱軋鋼筋（HRB355或HRB400），鋼筋間距為（100?200）mm（具體間距應按正截面抗彎承載力要求確定），鋼筋兩端焊接在固定于原梁底板兩端的錨固鋼板條上（錨固鋼板條的厚度應不小于5mm。在鋼筋的中部位置，對相鄰兩根鋼筋施加橫向拉緊力，將鋼筋拉緊并固定呈折線形（圖4.3-1a）,用橫向卡緊器固定。對于較長的鋼筋應根據(jù)施加預應力的需要（即張拉后折線形預應力筋傾斜角），在相鄰兩根鋼筋之間設置若干橫向撐板（或錨固鋼筋）將鋼筋分段，在每段的中部位置，對相鄰兩根鋼筋施加橫向拉緊力，將鋼筋拉緊并固定為多段折線形（圖4.3-1.b）,用橫向卡緊器固定。然后，在板的底面噴注（30?40）mm的復合砂漿，將預應力筋與原梁粘結為一體，構成有粘結預應力加固體系。圖4.3-2為采用橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力加固體系對預應力混凝土連續(xù)箱橋進行斜截面抗剪加固的構造示意圖。該橋為頂推法施工的跨徑40m的預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，已使用10年，調(diào)查與檢測發(fā)現(xiàn)，在靠近支點梁段的箱梁腹板均出現(xiàn)多條大致為45度方向的斜裂縫,裂縫寬度為0.1—0.4mm預示斜截面抗剪承載力不足。眾所周知,頂推法施工的預應力混凝土連續(xù)箱梁為適應頂推施工過程產(chǎn)生的正、負彎矩和剪力的反復作用，箱梁頂層和底層配置縱向水平預應力筋束較多，一般情況下正截面抗彎承力是足夠的，但是由于無法配置彎曲預應力筋束,斜截面的抗剪承力不足，導致大量斜裂縫的出現(xiàn)的病害帶有普遍性經(jīng)多方案對比分析，推薦采用橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結預應力加固