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1、桥梁结构病害分析与改造加固设计（讲授提纲）哈尔滨工业大学 张树仁我国桥梁改造加固任务繁重，据交通部统计至2003年底，全国公路网中尚有危桥10443座，延米。要实现交通部规划的2005年底基本消灭国、省干线公路危桥的目标，所需资金约为90亿元。中国桥梁改造加固市场的巨大潜力，吸引了国内外众多有远见卓识的工程技术人员和企业家把注意力转移到这方面来，国外的先进加固技术大量涌进中国加固市场，各种加固公司像雨后春笋相应而生，成功地创建了一批桥梁改造加固的优秀范例，推进了我国桥梁改造工作的发展。提高桥梁改造加固设计质量，是确保加固工程质量的前提和基础。桥梁改造加固设计是比新建桥梁设计复杂得多的系统工程。
2、我国目前的状况是“有实力的大设计院无暇顾及，不愿意干，技术力量较差的小型设计单位又干不了”，桥梁改造加固设计基本上由科研单位、高等院校和各类专业公司来承担。各类专业公司的技术水平差异较大，值得庆幸的是，近几年来我国确已出现一批技术能力较高的专业化加固公司，完成一批桥梁加固工程的优秀范例，他们代表了中国桥梁改造加固的主导方向。但是，有些专业公司以销售加固材料为主，业务单一，对桥梁加固设计不熟悉。桥梁改造加固设计审核制度不规范，没有明确的加固设计资质要求，桥梁加固设计市场管理混乱。整顿和规范桥梁加固市场，提高桥梁改造加固设计质量是提高桥梁改造加固工程质量的重要措施之一。从技术角度分析，目前我国桥梁
3、改造加固设计存在的主要问题是：（1）基层养护管理和设计部门，桥梁病害诊断技术力量薄弱，桥梁检测手段落后。桥梁病害诊断是进行桥梁加固设计的前提和基础，只有诊断清楚，才能对症下药。桥梁检测是桥梁病害诊断与分析的重要手段，检测应重在分析，并应与桥梁加固设计相结合。（2）考虑结构损伤影响的承载力评估方法还不够完善。（3）桥梁改造加固总体设计方案的设计思路不够开阔，应用技术单一，设计深度不够。（4）个别桥梁加固设计生搬硬套国外或国内其他行业的设计方法，忽略了桥梁带载加固分阶段受力的特点。有些加固设计只做宏观的定性分析，缺少科学地定量分析计算，设计带有很大的随意性。针对我国目前桥梁改造加固加固市场的混乱局
4、面，加强桥梁养护、管理及设计与施工技术队伍建设是整顿桥梁加固市场的重要内容之一。特别是在全国基层的桥梁养护、管理及设计与施工人员中，普通桥梁病害诊断与加固设计知识是十分必要的。第一章 桥梁病害诊断混凝土结构的病害表现形式多种多样，引起病害的原因错综复杂，从引起病害的原因来分析，可以将其划分为两大类：第一类为由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部，与混凝土中某些成份发生化学、物理反应，引起混凝土损伤，影响结构的受力性能和耐久性。第二类为由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤。例如，由于超载作用引起
5、的裂缝，动力冲击作用引起疲劳破坏。构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等。1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏1 混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。2 氯离子的侵蚀氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷的冬季向道路、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝
6、土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。3 碱骨料反应碱骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。碱骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。碱骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂，裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关：钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝；钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状或地图状裂缝，在裂缝处有白色凝
7、胶物渗出。碱骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别是：碱骨料反应引起混凝土局部膨胀，裂缝的两个边缘出现不严状态（锚台）；是碱骨料反应裂缝的特有现象；碱骨料反应与环境湿度有关，在同一工程中潮湿部位出现裂缝，而干燥部位却安然无恙，是碱骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一。从裂缝出现的时间来判断，碱骨料反应裂缝出现的时间较晚，多在施工后510年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一般在施工后若干天内出现。4 冻融循环破坏渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。冻融循环破坏的混凝土剥落，开始时在混凝土表面出现粒
8、径为2-3mm的小片剥落，随着使用年限的增加，剥落量及剥落直径增大，剥落由表及里，发展速度很快。一经发现冻融引起的混凝土剥落，必需密切注意剥落的发展情况，及时采取修补措施。北方地区采用撒盐除冰，由于盐类与冻融循环的共同作用引起的盐冻破坏是冻融循环破坏的一种特殊形式。盐冻破坏是静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用的结果，因此，盐冻破坏要比单纯的冻融破坏严酷得多。盐冻破坏区别于其他破坏形式的主要特征是：表面分层剥落，骨料暴露，但剥落层下面的混凝土完好；破坏速度快，对未采用防盐冻措施而使除冰盐者，少则一冬，多则几冬，即可产生严重盐冻破坏；在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见到白色盐结晶体；5 钢筋锈蚀
9、混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜坏，混凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面的碱性钝化膜的破坏，加之有水分和氧的侵入，就可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。值得注意的是，上述所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。另一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，最终导致混凝土的开裂有关。而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快。形成导致混凝土结构的耐久
10、性进一步退化的恶化循环。因此，对新建结构而言，提高混凝土结构耐久性的基本途径是增强混凝土的密实度，防止和控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。对于在役结构而言，提高混凝土结构耐久性的基本思路是在清除病害根源的基础上，封堵裂缝，修补破损混凝土；增设防水层，防止水分的侵入。1-2混凝土结构的裂缝分析实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以，对混凝土结构的损伤检测，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析入手。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引
11、起裂缝的原因很多，但可归纳为两大类：第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生自应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，自应力也就消失了。两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融在一起。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%；以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。对裂缝原因的分析是裂缝危害
12、性评定，裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。1结构性裂缝（受力裂缝）众所周知，混凝土的抗拉强度很低，抗拉极限应变大约为。换句话说，混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力只有 。事实上，在正常使用阶段钢筋的应力远大于此值，所以说在正常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是避不可免的。因而，习惯上又将这种裂缝称为正常裂缝。实践证明，在正常条件下，裂缝宽度小于0.3mm时，钢筋不致生锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应小一些。新颁布的JTG D62-2004（以下简称）规定：钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值：类及类环境
13、0.2mm类及类环境 0.15mm结构性裂缝可根据构件的受力特征判断。图1-1所示为钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图。图1-1 钢筋混凝土梁结构裂缝图1-1中所示的跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝，是最常见的结构性裂缝。在正常设计和使用情况下，裂缝宽度不大，间距较密，分布均匀。若竖直裂缝宽度过大，预示结构正截面承载力不足；图1-1中所示为支点（或腹板宽度变化处）附近截面由主拉应力引起的斜裂缝。在正常设计和使用情况下很少出现斜裂缝，即使出现裂缝宽度也很小。若斜裂缝宽度过大，预示结构的斜截面承载力不足，存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险，应引起足够的重视。另外，钢筋混凝土墩柱受压构件由于纵
14、向压力过大引起的纵向裂缝、预应力筋锚固区由于局部应力过大引起的劈裂裂缝等都属于结构性裂缝。有些结构性裂缝（受力裂缝）是由设计错误和施工方法不当所造成的。例如：钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。在超静结构中基础不均匀沉降，将引起结构的内力变化，可能导致结构出现裂缝。基础不均沉降引起的上部结构的裂缝，实质上是属于结构性裂缝（受力裂缝）范畴，裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均沉降情况及大小等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大，应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能进行上部结构的裂缝处理。2非结构性裂缝混
15、凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为：混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法，养护条件和使用环境等等多种因素影响。（1）收缩裂缝在混凝土凝固过程中，由于多余水分蒸发，引起的混凝土体积缩小称为干缩。同时，水泥与水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，引起的混凝土体积缩小称为凝缩。收缩中以干缩为主，占总收缩量的8/109/10。收缩量随时间增长而不断加大，初期收缩较快，尔后日趋缓慢。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为(34)104。当混凝土成形后，表面水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐步发展，截面，内外温度不等，内外收缩量不一
16、样。混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。尤其是混凝土早期养护不当，混凝土表面直接受到风吹日晒的影响，表面水份蒸发过快，产生较大的拉应力，混凝土早期强底低，很容易出现收缩裂缝。收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在0.050.2mm之间。对板类构件多沿短边方向，均匀分布于相邻两根钢筋之间，方向与钢筋平行。对高度较大的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大，在腰部（或腹板）产生竖向收缩裂缝，但多集中在构件中部，中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有裂缝。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。收缩裂缝对构件
17、承载力影响不大，主要影响影响结构外观和耐久性。（2）温度裂缝钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型：截面均匀温差裂缝一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，只考虑沿梁长度方向的温度变形，当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。例如：连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工时散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝，或堆集
18、于支座处没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当温度急剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝，严重者还可能造成墩台的破坏。截面上、下温差裂缝以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度骤然变化时，会造成箱内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿水平横向没有温差。将三维热传等问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定，一般假设梁的截面高度方向、温差呈线性变化。在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束存在，还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混
19、凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。截面内外温差裂缝水泥在水化过程产生一定的水化热，其大部分热量是在水泥浇筑后3天以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用蒸气养护时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，也会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面温差作用下，结构将产生弯曲变形，截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束，产生温度自应力。对超静定结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是相当大的，尤其是混凝土早期强度比较较低，很容易造成混凝土
20、裂缝。混凝土温度裂缝有以下特点：裂缝发生在板上时，多为贯穿裂缝；发生在梁上多为表面裂缝。梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边。大面积结构（例如桥面铺装）裂缝多是纵横交错。裂缝宽度大小不一，且沿结构全长没有多大变化。预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝，在混凝土组成材料中掺入适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护，严格控制升温和降温速度。第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2-1 在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念混凝土结构受到损伤后，需要对结构损伤的原因和程度进行分析，对损伤对结构承载能力及耐久性的影响进行评估，其主要内容是：考虑结构损伤影响的承载能力评估在
21、役结构剩余使用寿命评估在评估分析的基础上，根据经济技术条件，制定科学的维修加固方案，提出结构处理措施。评估现有结构的安全可靠性的核心问题是确定考虑结构病害损伤后的结构承载能力。桥梁结构的承载能力评定通常采用以下三个途径：根据相关规范要求对照桥梁的存在的缺陷及病害进行综合评定例如我国中对桥梁技术状态标准和裂缝宽度，都做了规定。依此标准将桥梁技术状况划分为四类。公路养护管理部门推广使用的也属于综合评估方法，这种评估方法只能给出宏观的分析结果。现场荷载试验评估方法通过现场荷载试验（静载试验和动载试验）可直接检算结构的实际承载力。荷载试验与理论计算分析相结合是比较符合实际的承载力评定方法，但试验设备复
22、杂，技术难度高，经费支出大，目前尚难以大规模推广应用。理论计算分析评估方法在现场调查和病害检测分析的基础上，考虑结构病害、损伤的影响，按现行规范计算结构承载力是国内采用的承载力评估的主要方法。结构的剩余使用寿命预测是耐久性评估的核心内容。结构的剩余寿命系指在不加维修或正常维修及正常使用条件下，结构可能继续使用的年限。钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素，因此， 一般将钢筋锈蚀作为判断混凝土结构使用寿命终结的标准。混凝土结构剩余寿命评估是个目前尚未很好解决的科研课题，它涉及到钢筋锈蚀破坏机理和钢筋锈蚀胀力模型的研究和耐久性终结标准的确定。目前，对在役结构的耐久性评估和剩余寿命预测，
23、大多还是依赖有经验的工程技术人员作出经验性评价和处理意见。2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法1、钢筋锈蚀对结构承载力的影响混凝土中的钢筋腐蚀是造成混凝土结构损伤，影响结构承载能力的最主要因素，其主要表现是：钢筋腐蚀后，使钢筋的有效截面面积减少；钢筋腐蚀后，力学性能劣化，强度降低；钢筋腐蚀后，混凝土保护层开裂甚至脱落，使混凝土的有效断面减少；钢筋腐蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结性能退化，影响钢筋与混凝土的共同工作。（1）腐蚀钢筋的屈服强度和极限强度钢筋腐蚀对其力学性能的影响取决于腐蚀程度。试验研究表明，腐蚀钢筋的屈服强度与相应的截面损失率之间的关系，基本上服从线性关系。牛荻涛 在综合分析试验
24、资料的基础上，给出了腐蚀钢筋实际屈服强度和极限强度计算表达式为 （2-1） （2-2）式中：腐蚀钢筋的截面损失率；未腐蚀钢筋的屈服强度；未腐蚀钢筋的极限强度。并建议，当0.15时，按公式（2-1）计算腐蚀钢筋的屈服强度，当0.15时，则按无屈服点的热扎钢筋处理。（2）腐蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能退化对承载力的影响。混凝土中的钢筋腐蚀后，在钢筋与混凝土接口上生成疏松的锈层，破坏钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力，并降低了钢筋与混凝土之间的摩擦力；对变形钢筋、横肋的锈损将降低钢筋和混凝土之间的机械咬合力，保护层混凝土锈胀开裂甚至脱落，则降低外围混凝土对钢筋的约束，所有这些因素都将导致钢筋与混凝土之
25、间的粘结性能退化。钢筋腐蚀引起的钢筋与混凝土之间粘结性能退化，将导致钢筋与混凝土不能很好的协同工作。钢筋发生严重腐蚀时，钢筋与混凝土之间的粘结力显著降低，钢筋与混凝土之间共同工作能力减弱，梁的受力特征接近于无粘结预应力拉杆或配有普通钢筋的无粘结预应力梁。由于目前人们对钢筋腐蚀引起的粘结力退化规律及其对受拉钢筋强度发挥的影响程度还不十分清楚，因此，现今只能用一个协同工作降低系数来考虑粘结退化的影响。协同工作系数与钢筋锈蚀量或锈胀裂缝宽度有关。冶金建筑科学研究院的试验研究表明，钢筋的截面损失率大于10%时，钢筋与混凝土之间的粘着力显著降低，应考虑钢筋与混凝土协同工作降低系数的影响，建议将其承载力乘
26、以0.80.9的系数。2、考虑钢筋腐蚀影响的承载能力计算（1）正截面抗弯承载力按规定，构件承载能力极限状态的基本方程式为： （2-3）式中 Sd荷载效应组合设计值；结构重要性系数；fcd混凝土抗压强度设计值；fsd钢筋抗拉强度设计值；与结构尺寸有关的计算参数；结构抗力函数。对使用多年的在役结构进行承载能力评估时，应考虑钢筋腐蚀的影响。其承载力计算基本方程与一般钢筋混凝土构件基本相同，只是在计算钢筋应力项时，应采用腐蚀钢筋的实际屈服强度和腐蚀后的有效截的面积，并计入协同工作系数，考虑钢筋与混凝土之间粘结性能退化的影响。考虑钢筋锈蚀影响的受弯构件正截面承载力计算的基本方程可由内力平衡条件求得（以的
27、T形截面为例）（见图2-1）。图2-1 考虑钢筋腐蚀影响的受弯构件正截面承载力计算简图由得 （2-4）由得 （2-5）公式的适用条件是 （2-6）式中 fcd混凝土抗压强度设计值，其数值应按实际混凝土强度等级，参照采用，混凝土的实际强度等级应在综合分析设计文件、施工材料检测试验记录和现场测试资料的基础上确定；fsd钢筋抗拉强度设计值（MPa）；Asi第i根受拉钢筋的截面面积设计值（mm2）；综合考虑腐蚀钢筋截面面积减少和屈服强度降低影响的第i根受拉钢筋屈服强度折减系数，其数值按下式计算， （2-7）第i根钢筋的截面损失率，其数值应根据取样检查法确定；kis第i根钢筋的协同工作系数，其数值与钢筋
28、截面损失率有关：时，取；时，取；腐蚀钢筋的混凝土界限受压区高度系数，其数值应按腐蚀钢筋的实际屈服强度由界限破坏时的变形条件确定；未腐蚀钢筋的混凝土受压区高度系数，其数值，按规定采用。由，故将公式适用条件简化为。应该指出，公式（2-4）和（2-5）是针对受拉钢筋腐蚀的单筋T形截面导出的，由于计算中不考虑受拉区混凝土的抗拉作用，因此，在公式中未计入钢筋腐蚀引起的混凝土截面损伤。如果受压区混凝土截面损失较大时，则应考虑其对承载力的影响。2、斜截面抗剪承载力对在役结构的斜截面抗剪承载力计算，应考虑斜裂缝对混凝土抗剪承载力的影响，及钢筋锈蚀对箍筋和弯起钢筋抗剪承载力的影响。斜截面抗剪承载力计算表达式可改
29、写为下列形式。 （2-8）（KN） （2-9）（KN） （2-10）式中 考虑斜裂缝对混凝土抗剪承载力影响的修正系数，根据笔者的试验研究结果7，建议：斜裂缝宽度小于0.2mm者，取=0.835；斜裂缝宽度大于0.2mm者，取=0.78。、分别为箍筋和弯起钢筋屈服强度折减系数，其数值按公式（2-7）计算。公式（28）（2-10）中其他符号的意义与给出一般钢筋混凝土斜截面抗剪承载力公式相同。在考虑结构病害损伤的基础上，按桥规的有关公式，求得现有构件所能承担的正截面抗弯承载力Mdu和斜截面抗剪承载力Vdu，并将其与按拟提高的荷载等级计算的弯矩组合设计值和剪力组合设计值加以比较，则得：正截面抗弯承载力
30、检算系数 斜截面抗弯承载力检算系数 若，说明正截面抗弯承载力可以满足要求，若，说明正截面抗弯承载力不足，应予加固补强。若，说明斜截面抗弯承载力可以满足要求，若，说明正截面抗弯承载力不足，应予加固补强。第三章 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案。3-1桥梁改造加固方案设计的原则1分清加固的性质根据桥梁病害检测分析和鉴定评估结果，桥梁结构加固设计应分为：承载力加固（强度加固）、使用功能加固（刚度加固）和耐久性加固等三种情况。承载力加固是确保结构安全工作的基础，是桥梁改造加固设计的核心内容，其内容包括正截面抗弯承载力加固
31、和斜截面抗剪承载力两部分。承载力加固应考虑分阶段受力的特点，注意新加补强材料与原结构的整体工作。使用功能加固是确保桥梁正常工作的需要，主要是对活载变形或振动过大的构件，加大截面尺寸，增加截面刚度，以满足结构使用功能要求。耐久性加固是指对结构损伤部位进行修复和补强，以阻止结构损伤部分的性能继续恶化，消除损伤隐患，提高结构的可靠性，提高结构的使用功能，延长结构使用寿命。2桥梁加固与加宽设计相结合在公路改造设计中，很多情况下桥梁加固和加宽是同时进行的。在加宽宽度不大的情况下，尽量将加宽部分与原桥连为一体，使新旧桥共同工作，利用新加宽部分，调整原桥内力，减轻原梁负担，间接达到加固补强的目的。3注意各种
32、加固补强方法的综合应用。桥梁加固补强的方法很多，但是基本上可以划分为两大类：第一类为改变结构体系，调整结构内力、减轻原梁负担。例如：加斜撑减少梁的跨度、简支梁改为连续结构、增加纵梁数目、调换梁位、加大新建边梁截面尺寸，调整横向分布系数，减轻原梁负担等。第二类为加大截面尺寸和配筋，加固薄弱构件。对薄弱构件进行加固补强的方法很多，从作用原理可分为两大类： 在受拉区直接增设抗拉补强材料，例如：补焊钢筋，粘贴钢板，粘贴高强复合纤维（碳纤维、芳纶纤维）等。这种加固方法，设计时，必须考虑桥梁带载加固分阶段受力特点。后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下是达不到其抗拉强度设计值。特别是采用直
33、接粘贴高强复合纤维加固时，在极限状态下，复合纤维的高强抗拉性能根本无法充分发挥作用，“大马拉小车”是一种极大的浪费。若不考虑分阶段受力特点，过高的估计了后加补强材料的作用，设计是不安全的。 采用预加力原理进行加固补强，例如：体外预应力加固，韩国M.S公司的SRAP加固工艺等。由于预加力的作用，改善了原梁的应力状态，提高了原梁的承载能力和抗裂性能。采用预加力加固，可以充分发挥加固补强材料的力学性能，提高了材料的利用效率。应该指出，在进行桥梁加固方案设计时，应特别注意的是：在保持原梁截面尺寸不变的前提下，采用上述对受拉区进行补强的方法，加固后截面所能承担的最大承载力是有限的。承载力提高的幅度取决于
34、原梁的配筋率，与所采用的加固方法无关。在某些情况下，由于原梁的高度较小，相对配筋率较大，单纯采用受拉区加固补强，仍不能满足设计荷载要求时（例如：设计荷载由汽15，提高到公路级），可采用加厚桥面的方法同时对梁的受压区加固，增加梁的有效高度，亦可达到提高原梁承载力的目的。通常的作法是综合桥面铺装层维修，采取有效的构造措施，加强桥面铺装层与原梁翼板的整体连接，设计中可考虑部分桥面铺装层混凝土参与主梁共同工作。此外，桥梁加固设计应注意各种加固方法的综合利用，通过调整结构内力，尽量地减轻原梁的负担，将加固补强工作量压缩到最少。3-2 型桥梁加固方案评述1鞍千9号桥加固设计设计单位：原哈尔滨建筑工程学院实
35、施时间：1987年（1）原桥的基本情况和加固设计要求鞍千9号桥位于辽宁省鞍山至千山公路上，原桥为跨径L=12m的单跨二梁式钢筋混凝土简支梁桥，设计荷载为汽15，挂80，桥面净空为净7，下部结构为座落于岩盘上的沉井基础，重力式混凝土桥台。鞍千公路扩建为二级路，路基宽度为12m，行车道宽度为9m，在桥位处道路双侧加宽，桥面净空为净9+21.5m，桥梁的设计荷载提高为汽20，挂100。（2）桥梁现场调查和承载力检算现场检测发现，原梁混凝土质量良好，未有发现可见裂缝，实测混凝土强度在26Mpa以上。经检算原梁可以满足原设计荷载汽15，挂80的要求。但距汽20，挂100的要求，正截面承载力相差约15%。
36、查阅原设计图纸和现场实际核对，原桥为座落于岩盘上的小沉井基础，桥台混凝土质量良好，经检算认为原桥基础具有较大的超载潜力。（3）加固设计要点利用原桥基础的承载潜力，采用插入锚固钢筋，加大桥台盖梁悬臂长度。新加宽部分与原梁整体工作，适当加大新增主梁的截面尺寸，增加边梁刚度，调整荷载横向分布系数，减轻原梁的负担。为了加强新加宽的部分与原梁的整体工作，将原梁悬臂混凝土凿掉50cm，露出悬臂钢筋与新加宽部分桥面板钢筋焊接；在支点和跨中增设连接横梁。清除原桥面铺装层，全桥统一加铺10cm厚的桥面铺装混凝土，为了加强新旧混凝土之间的连接，将原桥面顶面凿成齿槽，保证新旧混凝土共同工作。计入6cm桥面铺装层参与
37、主梁工作，即梁的有效高度增加6cm。图3-1 鞍千9号桥加固方案示意图（4）方案评述该方案充分利用了原桥沉井基础的承载潜力，采用插入锚固钢筋，接长墩台盖梁悬臂，节省了大量的下部结构工量费用。采用加大新建边梁刚度，调整荷载横向分布系数，减轻原梁负担和桥面铺装层参与主梁工作，增加梁的有效高度等综合措施，使原梁在不增加配筋的情况下，满足汽20，挂100的承载要求。（5）改进建议盖梁悬臂接长，若采用体外预应力筋或预应力锚筋技求施工更为方面，结构更为可靠。为保证桥面铺装混凝土与桥面板的共同工作，加强两者之间的连接，应设置锚固短钢筋，桥面铺装层应设置钢筋网或掺入高强复合纤维，增强混凝土的抗裂能力。2洪河1
38、号桥设计单位：原哈尔滨建筑工程学院实施时间：1988年（1）原桥的基本情况和加固设计要求洪河1号桥位于黑龙江省二龙山至抚远公路，原桥为跨径8m的单跨装配式钢筋混凝土简支板梁桥，全桥由7块宽度为100cm板组成。设计荷载为汽15，挂80，桥面净空为净7，下部结构为混凝土轻型桥台，扩大基础。二抚公路扩建为二级公路，路基宽度为12m，行车道宽度为9m，在桥位处道路双侧加宽，桥面净空为净9+21.5m，桥梁的设计荷载提高为汽20，挂100。（2）桥梁现场调查和承载力检算现场检测发现原梁的混凝土质量良好，经回弹测定混凝土强度在28Mpa以上。经检算原桥可以满足汽15、挂80的承载要求，但距汽20，挂10
39、0的要求正截面承载力相差的18%。现场调查发现，原桥桥台前墙混凝土质量良好，没发现基础不均匀沉降现象。（3）加固设计要点按加宽的桥面净空要求，加宽部分采用22块宽度为125cm的钢筋混凝土矩形板。按新加宽部分与原桥共同工作计算，靠边第2、3块板受力最大，边板位于人行道下面，受力较小。为此，将原桥边板（1号和7号）块分别引至新加宽部分的最外侧位置，中间空出250cm的空隙，布置新制作的2块125cm的钢筋混凝土矩形板（A、B或C、D），新板的钢筋按受力需要配置。将原桥面铺装混凝土凿除，全桥统一加铺10cm的C30陶砾混凝土。为了加强新旧混凝土之间的联系，在原桥面应凿成齿槽。原桥桥台及基础双侧加宽
40、，新基础部分基底设50cm的水撼砂垫层。为了加强桥台台身新旧混凝土之间的连接，在原桥台台身插入锚固短筋。图3-2 洪河1号桥加固方案示意图(图中尺寸单位为cm)（4）方案评述采用调换梁位的方法，合理利用原板的承载潜力，最大限度地发挥新板的作用。改用轻质陶砾混凝土桥面铺装，减轻桥梁恒载内力。采用上述综合措施，在保持原梁配筋不增加的前提下，达到了汽20，挂100的承载要求。陶砾混凝土桥面铺装中应设置钢筋网或掺入适量的高强复合短纤维，提高桥面铺装的抗裂能力。3坂头大桥设计单位：交通部第一公路工程总公司设计所4厦门市公路局5实施时间：第一次加固1955年第二次加固1999年（1）原桥的基本情况及承载力
41、评估板头大桥位于国道324线厦门段，原桥建于1953年，其结构为四跨钢筋混凝土变高度连续T梁，外加一跨钢筋混凝土简支梁，其跨度划分及桥梁横断面如图3-3所示。图3-3 坂头大桥的一般构造图原桥的设计荷载为汽13级。国道324线厦门段改扩建工程要求将桥梁的设计荷载提高为汽超20级。为了探讨原桥加固利用的可行性，1995年对原桥进行详细的外观检查和荷载试验。试验结果表明：桥梁主体结构未发现明显的破损和裂缝，混凝土质量较好，强度等级均在C25以上；连续梁各支点截面抗弯承载较高可以满足汽超20的承载要求。连续梁各跨中截面抗弯承载力较低，不能满足汽超20的要求，必需进行加固补强。各跨中截面的实测挠度值，
42、均小规范规定允许值。（2）加固设计要点针对原桥为变高度连续梁的特点和只需对跨中正截面抗弯承载力进行加固补强的要求，采用沿桥梁全长布置的直线型体外预应力束加固。在每个梁肋两侧跨中截面下缘处对称布置515.2钢绞线，钢绞线束在梁端张拉，采用OVM锚锚固，钢绞线束采用钢套管保护。（见图3-4）图3-4 坂头大桥加固方案示意图该桥第一次加固于1995年完成，据文献5介绍，桥梁加固后使用情况良好，但1999年4月检查发现有一根钢绞线束下垂，进一步调查发现有一根钢绞线在桥头端断裂，有二根钢绞线在游动锚板处断裂。应该指出文献5介绍的桥梁加固施工的情况与文献4介绍的加固设计方案（图3-4）略有不同。实际实施时
43、，体外预应力筋束张拉改为采用自行设计的游动锚板在中间张拉的方案，钢绞线束在桥梁的端部用墩头锚固。文献5认为施工中采用的锚具选型不当，游动锚板固定差，钢绞线防护钢套筒空隙过大是造成钢绞线束下垂和断裂的原因。在第二次加固时，做了以下改进：取消中间的游动锚板，仍采用通常布置的直线钢绞线束，钢铰线束在一端桥台张拉，另一端为固定端，采用OVM锚具。取消钢铰线束外面的防护钢套管，改为聚乙烯塑料包裹，并做好固定措施。1999年按上述改进方案对所有8根体外预应力筋束进行了更换。到目前使用情况良好。（3）方案评述该加固设计巧妙地利用了原桥为变高度连续梁的纵向布置特点和只需对跨中截面抗弯承载力加固的设计要求，采用
44、靠近跨中截面下边缘通常布置的直线型体外预应力筋加固补强的原设计方案基本上是合理的。施工中采用游动锚中间张拉方案，构造不够合理。，中间游动锚板的双向锚具变形损失过大是造成钢绞线束下垂，有效预应力值降低的直接原因。为了避免在桥台端进行张拉的施工不便，可在连续梁支点截面下方设置锚固装置，预应力钢筋分段设置，分段张拉。体外预应力筋锚固的可靠性是保证全桥安全工作的基础。应用采用具有防松动装置的专用OVM锚具，锚孔端部应扩孔为喇叭型，以防止钢筋振动时，卡紧断丝。为了减少体外预应力筋束的振动影响，对于较长的体外预应力筋束，每隔610m，应设置一个固定装置。体外预应力筋应采用专门生产的具有防腐蚀保护钢绞线，我
45、国一般采用PE管外套，内装黄油保护层。4安徽五河淮河大桥加固加宽设计11（1）加固加宽设计与施工要点五河淮河公路大桥于1978年建成，60m+490m+60m带挂孔T形刚构。悬臂长度30m，横断面为变高度单箱双室箱梁，挂孔30m简支T梁5片，高1.9m，间距2.0m，顶宽同箱梁，见图3-5。设计荷载汽车15级，挂80，人群荷载2.5kN/m2，设计行车速度60km/h。该桥使用状态良好，只是T构悬臂挠度略大。营运23年之后，2001年计划利用旧桥，加宽到4车道桥面总宽17.8m，荷载标准提高到汽车超20级，挂车120，人群荷载3.5kN/m2，设计车速100km/h。几经研究，拟采用在箱梁两侧
46、将悬臂板加厚并加宽到4.72m，T构墩顶设一矮塔，两边张拉斜拉索加固的方法，如图3-6所示。a)一个T构侧视；b)主梁原断面和加宽断面图3-5 安徽五河淮河桥（1978） 方案1：索塔两边各拉两根绕过矮塔的斜拉索，每根拉索由22束415.2mm外包PE防护层钢绞线组成，OVM5-4夹片锚。 方案2：采用一根绕过矮塔的斜拉索，由2束OVM200-15-37型拉索组成，LSM15-37素锚具。a)矮塔斜拉桥，两对索；b)矮塔斜拉桥，一对索图3-6 五河淮河桥改造方案该桥采用部分卸载加固，主要施工步骤如下： 拆除原桥的人行道、栏杆及桥面铺装混凝土； 拆除原桥挂孔T梁的横向联系，卸下T梁； 凿除原桥T构箱梁的部分断面，在箱内增设用于锚固斜拉索的钢筋混凝土锚固横梁，加大箱梁翼缘板悬臂长度，加大T构悬臂端支承横梁（牛腿）的长度。浇筑T构墩顶主塔； 安装和张拉悬臂端斜拉索； 安装挂孔T梁； 浇筑桥面铺装混凝土，设置防水层和沥青混凝土面层，安装