《桥梁结构常见病害》PPT课件.ppt

2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,1,桥 梁 结 构 常 见 病 害及其 FRP防护、加固、修复新技术,张 锡 祥 重庆交通大学复合材料桥梁研究所 代 彤 林同棪国际（重庆）工程咨询有限公司,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,2,摘 要,系统介绍桥梁结构的常见病害及其纤 维增强聚合物复合材料（FRP）防护、加固、修复新技术 研究指出FRP技术是未来桥梁结构病害处治的发展方向,1,2,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,3,主 要 内 容,桥道梁常见结构病害及其FRP防护、加固、 修复新技术 桥梁墩柱常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术 桥梁索杆结构常见病害及其FRP防护、加固、修复新技术 结论,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,4,1. 桥道梁常见结构病害及其 FRP防护、加固、修复新技术,1.1 混凝土(RC)梁式、板式桥 1.2 钢箱梁桥 1.3 钢桁架桥,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,5,1.1 混凝土（RC）梁式、板式桥,1.1.1 RC梁式、板式桥桥道梁、板常见 结构病害 1.1.2 RC梁式、板式桥桥道梁、板FRP 防护、加固修复新技术,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,6,1.1.1 RC梁式、板式桥桥道梁、板常见结构病害,a）非自然病害：设计、施工缺陷及超载、改变用途、不可抗力破坏等作用 结构强度、刚度不足，裂缝宽度超限，延性降低 结构承载能力极限状态 及正常使用极限状态的安全条件不满足； b) 自然病害：自然环境及老化影响 混凝土表面碳化、破碎、腐蚀剥落 结构耐久性、安全性降低 1.1.2 RC梁式、板式桥桥道梁、板FRP防护、加固、修复 新技术 1.1.2.1 RC梁、板FRP防护、加固、修复构造 1.1.2.2 RC梁、板FRP防护、加固、修复技术性能 1.1.2.3 RC梁、板FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,7,1.1.2.1 RC梁、板FRP防护、加固、修复构造 RC -FRP复合梁、板结构构造,a) RC梁、板受拉区外缘粘贴（满面粘贴或条带间隔粘贴）FRP层合板抗弯及 延性加固型RC-FRP复合梁、板构造（图1 a）； b）RC梁、板受剪区侧面粘贴（满面粘贴或条带间隔粘贴）FRP层合板抗剪及 延性加固型RC-FRP复合梁、板构造（图1 b）； c） RC梁、板截面周边包覆（横向连续包覆）FRP层合壳抗弯抗剪及延性、 耐久性加固 型RC-FRP复合梁、板构造（图1 c）；,a）型RC-FRP梁,b）型RC-FRP梁,c）型RC-FRP梁,图1 FRP加固RC梁截面构造,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,8,1.1.2.2 RC梁、板FRP防护、加固、修复技术性能 RC FRP复合梁板技术性能,结构性能 a)以梁中钢筋（适筋梁）达到屈服极限作为比较标准；型RC-GFRP复合梁 及型RC-CFRP复合梁的极限承载能力可分别提高20及40左右，型RC-CFRP 复合梁的极限承载能力可提高50以上（承载能力极限状态比较）； b)以梁的最大裂缝宽度作为比较标准，型RC-GFRP复合梁荷载达到桥规 规定的时，裂缝宽度减小3040；以桥规规定的裂缝宽度来确定梁的承载 能力，型RC-GFRP复合梁比RC梁的承载能力可提高1530左右（正常工作极 限状态比较）； c)以梁的挠度控制作为比较标准，在RC梁破坏前，型RC-GFRP复合梁的挠 度比RC梁的挠度减小不多，型RC-CFRP复合梁的挠度可减小1030，型RC- GFRP复合梁的挠度可减小2030，并且，型RC-GFRP复合梁破坏前RC比梁具 有更大的挠度，使RC梁的延性增加，但应注意，型RC-CFRP复合梁的延性比RC 梁降低（正常工作极限状态比较）；,d)以梁的抗剪承载能力作为比较标准；型RC-GFRP复合梁及 型RC-CFRP复合梁的极限承载力比RC梁可分别提高1030及20 40；型RC-CFRP复合梁的极限承载力可提高3070； e)以梁的动态疲劳性能作为比较标准，型RC-GFRP梁随着疲劳 次数的增加，加固增强的效果愈明显。疲劳循环50万次后，型RC- GFRP复合梁与RC梁相比，钢筋最大应变减小约15，跨中挠度减小 约40，开裂高度减小约15，裂缝宽度减小约70，疲劳循环200 次的寿命增大约2倍。 防护性能 FRP材料自身耐腐蚀、耐老化，在对RC梁、板进行修复和抗弯、 抗剪、抗裂、抗振、抗疲劳加固的同时，能对RC梁、板表面进行封 闭防护，阻止有害气体和雨水进入裂缝腐蚀钢筋，还能防止混凝土 表面碳化，提高结构的耐久性。,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,10,1.2 钢箱梁桥,1.2.1 钢箱梁常见结构病害 a)自然病害：主要表现为钢箱锈蚀造成的壁厚减薄、强度、 刚度、稳定性及耐久性下降； b)非自然病害：主要表现为设计施工缺陷及结构超载、改 变用途，不可抗力等因素作用造成的结构强度、刚度、稳定性、 耐久性缺陷 1.2.2 钢箱梁FRP防护、加固、修复新技术 1.2.2.1 钢箱梁FRP防护、加固、修复构造 1.2.2.2 钢箱梁FRP防护、加固、修复技术性能 1.2.2.3 钢箱梁FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,11,1.2.2.1 钢箱梁FRP防护、加固、修复构造,集钢箱梁（S箱梁）防护、加固、修复为一体的有效方法，是沿 钢箱梁的截面周边包覆FRP层合壳构成S-FRP复合箱梁（图2）,图2 S-FRP复合箱梁截面构造,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,12,1.2.2.2 钢箱梁FRP防护、加固、修复技术性能,a） S-FRP复合箱梁的强度、刚度由S箱梁的剩余强度、刚度及新增FRP箱 壳的补充强度、刚度合成，决定复合箱梁的承载、跨越能力； b） FRP箱壳既是复合箱梁的承力结构之一，又是复合箱梁的围护结构， 二者既能连接牢固、变形协调、共同工作并提高箱梁的抗振、抗疲劳性能， 还能一劳永逸地解决S箱梁的防锈问题并提高结构的耐久性； c） FRP箱壳壁厚较薄，自重较轻，对原S箱梁的结构自重及截面尺寸增 加可忽略不计，但其阻止了S箱梁因锈蚀导致的壁厚继续减薄、强度、刚度下 降的结构病害发生，实际提高了S箱梁的结构安全性； d） CFRP的强度是结构钢材的10倍，弹性模量与其相当，GFRP的强度是 结构钢材的8倍，弹性模量为其1/3左右，二者的耐疲劳性能均优于钢材，故 FRP箱壳对S箱梁既不会构成附加约束而增加约束内力，也不会先于S箱梁破坏 而使结构防护、加固、修复失效。,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,13,1.3 钢桁架桥,1.3.1 钢桁架桥常见结构病害 a) 自然病害：主要表现为桁架固锈蚀造成的桁架杆件截面尺寸减小、 结构强度、刚度、稳定性、耐久性下降； b) 非自然病害：主要表现为设计、施工缺陷及结构超载、改变用途、 不可抗力破坏等因素作用造成的桁架局部或整体结构强度、刚度、稳定性、 耐久性缺陷 1.3.2 钢桁架桥FRP防护、加固、修复新技术 1.3.2.1钢桁架FRP防护、加固、修复构造 1.3.2.2钢桁架FRP防护、加固、修复技术性能 1.3.2.3钢桁架FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,14,1.3.2.1钢桁架桥FRP防护、加固、修复构造,a) 桁架杆件防护、加固、修复技术构想（图3） b) 桁架整体封闭防护、加固、修复构造（图4）,图4 复合桁箱梁截面构造,图3 复合桁架杆件截面构造,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,15,1.3.2.2 钢桁架FRP防护、加固、修复技术性能,a) 复合桁架杆件构造，基于单根桁架杆件的防护、加固和修复，以提高单 根桁架杆件的刚度增大桁架结构的总刚度，修复后桁架的外轮廓形状不变、结构 受力方式不变，仍是通过结点传力的杆件受力体系； b)复合桁箱梁构造，基于整体桁架的防护、加固和修复，以新增FRP外箱壳 补充原桁架的强度、刚度、稳定性并兼作围护结构，修复后的桥梁外形、结构受 力方式有较大改变，由通过结点传力的杆件受力体系变为以杆件为加劲肋的肋板 复合箱梁结构； c)两种构造都能很好地封闭桁架杆件，防止水、气介质腐蚀钢桁架，避免其 截面尺寸锈蚀减小，强度、刚度消弱的结构隐患，还能省却钢桁架日常养护的除 锈蚀刷漆繁重工作和大量费用； d)复合桁架杆件构造设计简单，施工复杂、费用较高，仍处于研究试验阶 段，效果有待于实践检验； e)复合桁箱梁构造设计复杂、施工简单、费用较低，已用于桥梁防护、加固、 修复工程、效果较好。,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,16,2. 桥梁墩柱常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术,2.1 桥梁墩柱常见结构病害 主要表现为振动时易发生剪切脆性破坏，混凝土易压 碎、劈开和剪切裂缝较多。 2.2 桥梁墩柱FRP防护、加固、修复新技术 2.2.1 RC墩柱FRP防护、加固、修复构造 2.2.2 RC墩柱FRP防护、加固、修复技术性能 2.2.3 RC墩柱FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,17,2.2.2 RC墩柱FRP防护、加固、修复技术性能,结构性能 a) 墩柱受压时，FRP层合壳约束阻止RC墩柱横向膨胀，可以提高混凝土的抗 压强度，并改善混凝土的变形性能，从而提高墩柱的极限承载力（提高1080 ），并减缓墩柱的破坏过程； b) 墩柱受剪时，FRP外壳可防止RC柱中纵向钢筋切断截面周围的剪切破坏， 对混凝土的约束作用比箍筋对混凝土的约束作用更为直接和有效，同时使墩柱的 延性显著改善（提高30以上），从而对减轻地震引发的桥梁墩柱剪切脆性破坏 具有明显的改善作用。 防护性能 a) FRP外壳既是RC-FRP复合墩柱的外层承力结构，又是RC墩柱的外层围护结 构； b) FRP外壳对RC墩柱构成密贴封闭防护，可防止RC墩柱混凝土表面碳化和腐 蚀介质渗入裂缝锈蚀钢筋，提高结构的耐久性。,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,18,2.2.1 RC墩柱FRP防护、加固、修复构造,a) 先对RC墩柱裂缝压注EP修复，再根据墩柱的受力特点采用环向包覆FRP层 合壳或环向包覆FRP层合壳加纵向粘贴FRP层合板构成RC-FRP复合墩柱； b)对于环向包覆FRP层合壳的矩形截面RC墩柱的柱角要先倒圆角再缠包，以 减小角点应力集中。,拱桥立柱CFRP抗压、抗剪加固实例,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,19,3. 桥梁索杆结构常见病害及其FRP防护、加固、修复新技术,3.1 桥梁索杆结构常见病害 主要表现为结构受力和环境腐蚀造成的索、杆表面防护失效， 危及结构安全使用。 3.2 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复新技术 3.2.1 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复构造 3.2.2 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复技术性能 3.2.3 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,20,3.2.1 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复构造,a) 新桥索杆的表面防护构造 在张紧的高强钢丝束或高强粗钢筋束的外围直接挤拉成型与钢丝、钢筋束连 成结构整体的FRP索杆外壳构成表面防护； b) 旧桥索杆的防护、加固、修复构造 在桥梁使用状态下，现场缠绕成型与索杆已损伤的PE护壳连成整体的FRP外 壳，对索杆进行防护、加固和修复。,吊桥吊索的GFRP防护外壳构造,GRP防护套管,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,21,3.2.2 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复技术性能,a) FRP吸振、消能、抗断裂、耐疲劳的性能优于高强钢筋、钢丝和 PE，故比PE更能与索杆钢筋、钢丝共同工作、协调变形，即使在长期疲劳 振动状态下，也不易开裂和疲劳失效，不会发生PE那种在高应力状态和动 态疲劳下的界面剥离及表面龟裂现象，从而杜绝水、气渗入索杆钢筋、钢 丝的通道，一劳永逸地解决桥梁拉索、吊索、吊杆的防锈问题； b)FRP与高强钢丝束或高强粗钢筋复合而成的复合索杆，因钢丝束或 粗钢筋与FRP外壳之间加有纵向FRP纤维，一方面增大了索杆的纵向强度和 刚度，另一方面还增大了钢丝束或粗钢筋与FRP外壳之间的连接效果，故 在复合索杆中起着 承力与防护的双重作用； c)对于受损的桥梁索杆，可在桥梁运营状态下对索杆外包纵横向增强 的FRP外壳对索杆进行补强加固和修复。,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复工程示例,2019/5/20,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,23,4. 结论,4.1 FRP用于混凝土桥的防护、加固和修复，不仅可封闭裂缝和提高极限承 载能力，更重要的是使原桥的延性增大，开裂减弱，下挠征兆明显，动态疲劳性 能提高，避免混凝土桥因超载、地震等因素造成的突发脆性破坏等灾难性事故； 4.2 FRP用于钢桥的防护、加固和修复，不仅可防止结构尺寸因锈蚀减薄、 强度、刚度下降的