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桥梁加固的研究与应用 摘要 随着国民经济的发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来 越大，尤其是推行拖挂运输和集装箱运输后，重型车辆日益增多，现有相当一 部分公路桥梁已满足不了使用要求，这是世界各国所面临的严峻问题。近2 0 年来，我国公路建设事业蓬勃发展，公路网络日趋完善，新建桥梁逐渐减少， 已建桥梁的维修、养护、加固、改造已成为公路交通部门的工作重心。文章着 重研究了常用的四种桥梁加固的方法( 碳纤维加固、粘贴钢板加固、体外预应 力加固、增大截面加固) ，介绍了常见的桥梁病害及其产生的原因，对桥梁的 加固方法进行系统的归纳、总结、分析、提炼，提出了在加固方案比选时应该 遵循的原则。在加固实例中通过运用有限元分析软件对三种加固方案( 粘贴钢 板加固、碳纤维加固、体外预应力加固) 进行分析比较，同时综合考虑其他影 响因数，进行桥梁加固方案的比选，对所采用的桥梁加固方案在实例中的应用 进行剖析说明。希望文章对桥梁加固工程的设计、施工起到一定的借鉴作用， 能为以后桥梁的加固设计提供合理的建议。 关键词：桥梁；病害；加固；比选；应用 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nb r i d g er e i n f o r c e m e n t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，s i g n i f i c a n tg r o w t hi nt r a f f i c v o l u m e ，t r a f f i cd e n s i t ya n dt r a f f i cl o a di n c r e a s e s ，i np a r t i c u l a rt h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h et r a n s p o r tt r a i l e ra n dc o n t a i n e rt r a n s p o r t ，h e a v yv e h i c l e si n c r e a s i n ga c o n s i d e r a b l ep o r t i o no ft h ee x i s t i n gr o a db r i d g ec a nn o tm e e tt h eu s er e q u i r e m e n t s ， t h i si sas e r i o u sw o r l dp r o b l e mf a c i n g t h ep a s t2 0y e a r s ，v i g o r o u sd e v e l o p m e n to f c h i n e s er o a dc o n s t r u c t i o n ，r o a dn e t w o r k sa r em a t u r i n g ，g r a d u a l l yr e d u c et h en e w b r i d g e ，b u i l t ab r i d g er e p a i r ，m a i n t e n a n c e ，s t r e n g t h e n i n ga n dt r a n s f o r m i n gt h er o a d t r a n s p o r ts e c t o rh a sb e c o m et h ef o c u so ft h ew o r k t h ep a p e rf o c u s e so nf o u r c o m m o nm e t h o d so fs t r e n g t h e n i n gt h eb r i d g er e i n f o r c e m e n t( c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e d ，p a s t es t e e lr e i n f o r c e m e n t ，p r e s t r e s s i n gr e i n f o r c e m e n t ，i n c r e a s i n gt h e c r o s s s e c t i o nr e i n f o r c e m e n t ) ，i n t r o d u c e dt h ec o m m o nd i s e a s e sa n dc a u s e so ft h e b r i d g e ，o nt h eb r i d g er e i n f o r c e m e n tm e t h o d ss y s t e mo fi n d u c t i o n ，s u m m a r i z e ， a n a l y z e ，r e f i n e ，p u t f o r w a r dt h es c h e m es e l e c t i o n p r i n c i p l e s s h o u l db e f o l l o w e d i n s t a n c ei nt h er e i n f o r c e m e n tt h r o u g ht h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r eo nt h et h r e ek i n d so fr e i n f o r c e m e n t ( s t i c ks t e e lr e i n f o r c e m e n t ，c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e m e n t ，p r e s t r e s s i n gr e i n f o r c e m e n t ) w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ， w h i l et a k i n gi n t oa c c o u n to t h e ri n f l u e n c i n gf a c t o r s ，f o rb r i d g es t r e n g t h e n i n g s c h e m es e l e c t e df o r t h eu s eo fb r i d g es t r e n g t h e n i n gp r o g r a mi nt h ei n s t a n c eo ft h e a p p l i c a t i o no fa n a l y s i ss h o w s ih o p et h i sb r i d g es t r e n g t h e n i n gw o r k s o nt h ed e s i g n a n dc o n s t r u c t i o np l a yac e r t a i nr o l e ，f o rf u t u r eb r i d g es t r e n g t h e n i n gd e s i g n e dt o p r o v i d er e a s o n a b l er e c o m m e n d a t i o n s k e yw o r d s ：b r i d g e ；d e f e c t ；r e i n f o r c e m e n t ；c o m p a r i s o na n ds e l e c t i o n ；a p p l i c a t i o n 插图目录 图2 - 1 桥梁加固工作的流程图5 图4 - 1 桥梁结构缺陷图9 图4 - 2 桥梁缺陷原因分析图9 图4 3 粘贴纤维的矩形截面正截面受弯承载力计算图1 1 图4 - 4 粘贴碳纤维材料抗剪加固计算图1 3 图4 - 5 粘贴纤维复合材料施工工艺流程1 4 图4 - 6 正截面受弯承载力计算1 6 图4 - 7 钢板粘贴工艺流程2 0 图4 - 8 矩形、t 形截面梁正截面抗弯承载力计算图式2 1 图4 9 截面梁的抗剪承载力计算图式2 3 图4 - 1 0 预应力加固流程图2 6 图4 - il受弯构件的抗弯承载力计算2 7 图4 1 2t 形截面受弯构件正截面承载力计算2 7 图5 一l 立交桥整体照3 l 图5 2 立交桥病害图3 6 图5 - 3 跨中、墩顶截面布置图3 7 图5 - 42 0 + 2 x 2 5 + 1 8 2 6 m 连续箱梁离散模型示意3 8 图5 5 原结构承载能力计算图3 8 图5 6 在正常使用极限状态下原结构上翼缘裂缝计算图3 9 图5 7 在正常使用极限状态下原结构下翼缘裂缝计算图3 9 图5 8 原结构挠度计算图4 0 图5 - 9 钢板加固构造图4 1 图5 - 1 0 钢板加固承载能力极限状态下箱梁弯矩图4 1 图5 - 1 1 在正常使用极限状态下钢板加固上翼缘裂缝计算图4 2 图5 - 1 2 在正常使用极限状态下钢板加固下翼缘裂缝计算图4 2 图5 一1 3 钢板加固挠度计算图4 3 图5 一1 4 粘贴碳纤维构造图4 4 图5 - 1 5 碳纤维加固承载能力极限状态下箱梁弯矩图4 4 图5 1 6 在正常使用极限状态下碳纤维加固上翼缘裂缝4 5 图5 1 7 在正常使用极限状态下碳纤维加固下翼缘裂缝4 5 图5 - 1 8 碳纤维加固挠度计算图4 6 图5 一1 9 体外预应力剖面图4 7 图5 2 01 一l 横截面图4 7 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 - 2 4 图5 - 2 5 图5 - 2 6 图5 2 7 2 _ 2 横截面图4 7 3 3 横截面图4 8 体外预应力加固承载能力极限状态下箱梁弯矩图4 8 在正常使用极限状态下体外预应力上翼缘裂缝计算图4 9 在正常使用极限状态下体外预应力加固下翼缘裂缝计算图4 9 体外预应力加固挠度计算图5 0 立交桥加固工程过程5 7 表4 - i 表4 - 2 表4 - 3 表5 - i 表5 - 2 表5 - 3 表5 - 4 表5 - 5 表5 - 6 表5 - 7 表5 - 8 表5 - 9 表5 - 1 0 表5 - 1 1 表5 - 1 2 表5 - 1 3 表5 - 1 4 表5 - 1 5 表5 - 1 6 表格清单 纤维复合材料环境影响折减系数1 2 钢板与混凝土之间的粘结强度设计值1 7 相对界限受压区高度2 3 立交桥概况3 2 原结构承载能力极限状态验算表3 8 原结构裂缝宽度验算表3 9 原结构梁体跨中最大挠度验算4 0 钢板加固承载能力极限状态验算表4 1 钢板加固裂缝宽度验算表4 3 钢板加固梁体跨中最大挠度验算4 3 碳纤维加固承载能力极限状态验算表4 4 碳纤维加固裂缝宽度验算表4 6 碳纤维加固梁体跨中最大挠度验算4 6 体外预应力加固承载能力极限状态验算表4 8 体外预应力裂缝宽度验算表4 9 体外预应力梁体跨中最大挠度验算5 0 粘贴碳纤维加固方式经济分析表5 1 粘贴钢板加固方式经济分析表5 1 体外预应力加固方式经济分析表5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金壁王些太堂 或者其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做储躲螂签字魄州口年铲月加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 蝴 签字日期：如o 年牛月姗 ， 。 导师签名： 拗 签字日期：为口年争月刊咱 烹要：哒l s 啦 邮编： 致谢 本论文从选题到撰写都是在导师杨树萍副教授的精心指导下完成的，在此 致以深深的谢意。 杨老师知识渊博、治学严谨、工程经验丰富、为人正直大方，是我以后所 追求的。在攻读硕士期间，杨老师在学习和生活上给予了诸多指导和关怀，并 让我参加工程实践，本文的写作，杨老师更是倾注了大量的心血。再一次表示 深深的谢意。 感谢提供实习机会的合肥工大建设监理有限责任公司，实习期间公司领导 不仅在工作上给予指导，还给予了生活上的关怀，在此深表谢意。 感谢所有关心、帮助我的同学和朋友，希望我们在学习及实习期间建立的 友谊长青。 感谢即将为本文的审阅付出辛勤劳动的各位专家。 最后，向远在家乡的父母致以深深的谢意! 感谢您们在我的求学生涯中给 予的无微不至的关怀! 感谢父母无私的奉献! 二十多年来，您们教给了我做人 的道理和处世的原则，您们的牵挂和鼓励催我奋进。祝愿父母身体健康! 作者：史迎青 2 0 1 0 年3 月3 0 日 1 1引言 第一章绪论 1 9 7 8 年十一届三中全会确定了我国改革开放的基本政策，这也使我国的桥 梁建设获得了飞速的发展。截止至2 0 0 4 年底，我国桥梁达3 2 16 万座、l3 3 7 6 4 万延米【l 】。经过快速发展的几十年，建设了数量庞大的公路桥梁，现如今大量 的旧桥暴露出来许多缺陷，有的甚至存在安全隐患。这些桥梁已经不能满足现 阶段交通发展的需要，亟需改造。 近些年随着我国现代化建设的需要与发展，交通量的增加非常迅猛，车辆 的载重量不断提高尤其是工业建设的需要，特大型工业设备、集装箱运输的超 重车辆通过桥梁的现象时有发生，这对原来按旧标准规定的荷载等级设计建造 的桥梁带来新的考验。据统计大部分按旧规范、低等级设计的桥梁已不能满足 现代交通的要求。桥梁在多年的使用过程中多受到风、雨、水流等自然界的侵 蚀，温度、湿度的变化也会对桥梁结构产生影响，还可能遭受地震、洪水等特 大自然灾害而受到严重损坏。一些人为地原因如质量事故、意外的撞击也会使 桥梁产生缺陷。通过我国交通部的调查，2 0 0 4 年我国存在安全性与耐久性不足 的桥梁约有1 0 0 0 多座。在国外，由美国国家桥梁分类目录( n b i ) 2 0 0 3 年的统计， 美国全国共有公路桥梁约5 8 8 9 3 0 座桥梁，其中1 5 8 8 5 9 座桥梁处于非健康状态。 日本和德国等国也都全面调查过本国桥梁的安全与耐久性，都发现很大一部分 的桥梁存在一定的病害【2 】【3 1 。从上述可知桥梁的损害在全世界各个国家里都有 相当一部分的存在。所以，对这些危桥、旧桥的研究已成为现代交土人的重要 课题，需要从各个角度入手，全方位论证。如果仅是对那些年久失修，存在病 害，现有承载能力不能满足运营要求的桥梁，全部拆除重建，不仅需要较大的 投资，还不利于环境保护，对现有交通存在影响等。而另一种思路是首先对这 些桥梁进行检测评定，对其结构性能给出结论，而后运用加固、改造的手段来 恢复提高桥梁的工作能力。这样做既节约了大量的人力、物力、财力，又满足 了桥梁的运营要求，符合我国可持续发展的要求【4 j1 5 j 。世界各国都把延长桥梁 的使用年限保障其安全、适用性作为本国的桥梁建设的重要方面。因此，无论 是从世界范围内看待桥梁加固还是从我国实际国情出发，桥梁的加固改造在我 国肯定是大有可为1 6 j 7 1 。 1 2 国内外桥梁加固概况 全世界范围内，即使是发达国家桥梁因结构损伤，材料老化等原因而不能 满足使用要求的问题也格外突出，亟待加固提高。并且愈是经济发达和历史较 久的国家，旧桥改造的问题愈多。美、英等国家拥有以旧桥的演算、监测和改 造为主的许多中小咨询公司，可以看出桥梁加固的研究与应用在欧美国家已经 非常普遍。而例如印度这样的发展中国家，也在近二十年里对道路上承载能力 不能满足要求的梁都进行了加固，并对有重要地位运营负荷较大的桥梁进行了 加宽。在l9 8 2 年召开的“国际桥梁与结构会议”和第二年召开的“第十七界 国际道路会议 上，提出了桥梁养护、桥梁承载能力的鉴定、桥梁检查 等多篇有较高理论价值和实用价值的论文报告，涉及桥梁的维修加固、检查与 安全性评价等多方面1 8 】【9 1 。 对于桥梁维修加固的研究在国外一直没有停止，许多桥梁结构方面的专家 都把桥梁的维修保养加固作为自己终生奋斗的目标，写出了许多关于维修加固 的文献。例如外文文献j o u r n a l p r e s t r e s s e d c o n c r e t ei n s t i t u t e ) ) 把欧美国 家近年来对桥梁结构裂缝的修补做出了详细的阐述，介绍了裂缝修补在世界范 围内最前沿的动态。这些技术有：( 1 ) 对斜截面由于剪切作用而产生的裂缝可通 过增设竖向预应力的方法进行修补：( 2 ) 由于桥梁挠度过大，使结构下缘产生裂 缝，可通过施加体外预应力和调节支座标高的方法进行修补；( 3 ) 桥梁开裂导致 水汽进入结构，使结构中的钢筋产生锈蚀这样可以应用压灌灰浆或环氧树脂胶 的方法进行修补。文献桥梁加固实例把德国近年来做过的桥梁加固实例做 出了说明，介绍了德国这样的欧洲国家在桥梁加固方面做出的研究。这部文献 由三个部分组成：( 1 ) 桥梁病害是由于环境等因素作用引起的，这类桥梁的维修 加固工程；( 2 ) 桥梁病害是由于质量事故而引发的，这类桥梁的维修加固工程； ( 3 ) 桥梁缺陷是因结构缺陷引发的，这类维修加固工程【1 0 】【1 1 】。 从上述中可知，全世界都已在关注对旧桥、危桥的加固维修，以及如何改 善桥梁的通行能力，提高其承载力满足交通的需要。在一些欧美发达国家，新 建桥梁的任务已经逐渐减少，桥梁建设已经转移到桥梁的维修加固方面，可见 全世界都已对桥梁的加固提高到一个非常重要的地位。 我国从二十世纪七十年代以来就开始了对旧桥加固改造的研究。在“六五 计划期间，全行业对旧桥的加固改造研究出现了一个高峰，进行了大量的工程 实践，实现了社会效益和经济效益的双丰收。交通部积极组织推广旧桥检测、 评价、加固技术的应用，在“七五”期间，将此列为l9 8 9 19 9 0 年科技进步“通 达计划”项目。通过此项举措有力地推动了旧桥加固、改造技术的研究，全国 桥梁建设者对桥梁加固改造的认识有了新的提高，同时在众多公路桥梁的加固 改造的具体工程中都积累了许多宝贵经验，使我国的桥梁加固改造技术也在不 断地提高，已经完成的许多旧桥加固的工程实践也已成为经典案例【1 2 】。 1 3 本文所做的工作 本文主要对桥梁结构加固方法进行研究、评析，旨在为桥梁的加固设计提 出合理化建议，主要研究内容包括以下内容： 2 1 桥梁维修加固的概念、特点及目的要求。明确了桥梁加固的概念，对桥 梁加固的特点从与新建桥梁的对比入手，以加固设计的标准、施工难度等多方 面详细阐述了桥梁加固自身的特征，提出了桥梁加固的目的要求。 2 加固设计方案的比选原则。加固设计的内容及范围，应根据评估结论和 委托方提出的要求确定，设计方案应与施工方法紧密结合。对于桥梁加固方案 应不少于2 个，进行方案比选，本文就此提出了加固方案的比选原则。 3 桥梁加固技术的研究分析。分析桥梁结构缺陷及其产生的原因，对桥梁 加固的常用方法从各方面进行认真分析比较。 4 结合具体工程实例，进行加固方案的比选。本文就某立交桥加固工程的 实例，对三种加固方案进行评析，找出此案例最合理的方案，对选用的加固方 案具体施工工艺进行阐述，明确施工要求。 5 结论与展望。总结本文所做的工作，对未来加固方法进行展望，希望 本文能对桥梁加固理论的丰富和发展也能有一定的帮助，能为以后桥梁的加固 设计提供合理的建议。 第二章桥梁加固的概念、特点及目的要求 2 1 桥梁加固的概念及特点 加固是通过技术改造加强或增加桥梁构件，来提高整座桥梁通行能力的措 施。加固可以通过不同的技术手段进行，视桥梁的其荷载承受能力的降低程度、 结构型式及使用要求而定【l3 1 。加固有自身的特点： 1 桥梁加固的经济效果往往优于新建桥梁 新建桥梁施工费时、费力，且造价较高，而加固所需费用节约很多。但要 求加固时应尽量减少对原有交通的影响。 2 桥梁的加固应使原有结构发挥最大功效 桥梁的加固，首先应进行原桥的检测评定，合理利用原有结构，使原有桥 梁的经济效益发挥到最大化。 3 桥梁加固涌现出许多新的施工工艺 桥梁加固工作也是在前些年才兴起的，有许多新型的工艺。所以，其工艺 的科学性、合理性、耐久性等必须经过大量的工程实践的检验。也必须通过实 践才能进一步的认识、了解加固的机理，为新型的加固工艺的涌现打下基础。 4 加固改造的标准与原设计时所采用的标准不同 加固由于旧桥设计时受时代限制，所采用的标准只能满足当时的需要，而 不能满足未来使用的要求，所以加固时采用标准一般比原设计时采用的荷载标 准提高一个等级。为保证桥梁的安全性与耐久性，我们应该正确地掌握加固时 有关荷载标准要求【1 4 】【”】。 2 2 桥梁加固的目的要求 由于社会主义现代化建设的需要，我国的交通量是在不断的增加、汽车荷 载也在不断加大，这就需要对原有桥梁进行有效地加固，满足不断发展的交通 要求【1 6 j 【1 7 j 。桥梁加固的目的要求如下： ( 1 ) 了解桥梁结构状态，为加固提供基础性资料 对桥梁进行日常的养护管理，需要掌握相关的使用阶段的资料、施工记录 以及桥梁设计方面的资料。有些旧桥的基础性资料很难找到，这就需要工作人 员在日常的维护管理中多积累，采用各种技术手段建立档案资料。基础性资料 为日后可能进行的加固提供必要的条件【l 引。 ( 2 ) 加固能确保桥梁的安全、耐久性 桥梁结构物在运营使用过程中经常遭受风、雨等自然因素的影响，遭到机 械车辆的撞击等，使桥梁发生大大小小不同程度的损伤或病害，此时要及时发 现损伤早做处理，防止损伤病害扩大，确保构造物的安全与耐久。如果，产生 4 病害后没有及时发现采取措施，伴随病害的逐渐扩大，有可能使桥梁过早的结 束其使用寿命，严重时造成大的安全事故。保证桥梁的安全性与耐久性，能给 国家与人民节约大量的人力、物力、财力。 ( 3 ) 加固是为了提高老桥的承载能力满足使用要求 由于交通量的增加，原有桥面的宽度成为制约交通的瓶颈，可以通过拓宽 桥面的措施提高汽车的通行能力。原有桥梁的设计荷载不能满足日常的使用要 求，对旧桥应采用各种加固技术手段加以改造。改造后，提高原有桥梁承载能 力发挥老桥潜力。通过加固改造能提高原桥的通过能力，因此加固工作是大有 发展潜力的 1 9 1 2 0 】。 桥梁加固工作的流程图如下： 加 加 固 加其 固 桥 工 固中 工 梁 程 工包 程 施 现 可 程含 施 工 工组 状 行 施加 织 施验 评 性 工固 监设 工收 价 研 图方 究 设案 理计 报 计比 招 匕 选 标 口 图2 - 1 桥梁加固工作的流程图 第三章加固设计方案的比选原则 进行桥梁加固，首先判断桥梁是否需要加固，应从以下几个方面考虑： ( 1 ) 桥梁局部产生裂缝、露筋等破损病害，如果通过检测发现破损严重， 已不能满足正常使用要求时，应立即组织相关部门对个别受损严重的构件进行 加固。 ( 2 ) 在正常使用过程中桥梁局部或整体刚度不足，挠度或裂缝过大已影 响正常使用时，为保证桥梁能满足车辆通过的需要，应立即组织相关部门对桥 梁进行加固。 ( 3 ) 随着我国经济持续快速的发展，交通量也在不断提高。有些桥面的 宽度不足，影响车辆通过能力制约了交通的发展，应立即组织相关部门对桥梁 进行拓宽加固。 ( 4 ) 为保证载重量过大的车辆临时安全通过桥梁，需对桥梁进行临时加 固；以及因自然灾害或机械撞击，桥梁出现破损需进行抢修加固。 ( 5 ) 桥梁承载能力不能满足要求，随着经济的发展按照现行需要通行的 一般车辆进行验算桥梁不能满足承载力要求；有个别承载能力较低的桥梁成为 整条路线上的瓶颈，为使车辆能顺畅的通过整条路线，应对这种限制整个路线 承载力的桥梁进行加固，提高其承载能力；或者由于车辆的载重量不断提高尤 其是工业建设的需要，特大型工业设备、集装箱运输的超重车辆通过桥梁，原 有桥梁承载力不够而发生损坏现象，应组织有关部门对桥梁进行加固处理。 对不同的桥梁进行加固，我们提出了加固的基本原则。加固的基本原则如 下： ( 1 ) 桥梁结构通过检测给出评估报告( 公路旧桥承载能力评定方法) 其 承载能力不能满足现阶段车辆通行要求时，必须对桥梁进行加固。有些构件已 经失效损坏必须进行更换。对所涉及的加固设计内容和范围，可以对整座桥梁 进行加固，也可以指定区域或桥梁特定的构件，这都是根据评定办法作出的评 估结论和委托方自行提出的要求来确定。 ( 2 ) 在具体的加固施工过程中，采取有效的措施，减小对周围环境的污 染，还要注意尽量减少对桥面和桥下交通的影响。 ( 3 ) 桥梁加固施工中，应对桥梁进行密切的安全监测，确保桥梁加固的 工作人员及桥梁结构的安全。 ( 4 ) 对于体量较大的桥梁，对其主要承重构件进行加固设计时，加固设 计方案应不少于2 个，并进行方案比选，形成加固方案可行性研究报告。 ( 5 ) 加固设计应按照下列原则计算： 1 如果加固后桥梁的恒载增加，应计算被加固的相关结构和基础，以保证 结构能适应新的荷载变化； 6 2 加固结构的计算截面积，新增构件采用实际有效截面积，确定加固构件 与原结构协同工作的情况，并考虑结构在加固后的实际受力情况、加固部分的 应变滞后特点； 3 桥梁结构内力应以加固后桥梁的实际边界条件和实际受力情况进行计 算。 ( 6 ) 对原有结构能利用的尽量利用，避免不必要的浪费，设计方案及施 工实行时尽量不对原结构产生新的伤害。 ( 7 ) 加固设计和施工工艺应同步考虑，使加固的施工在实际工程中能够 较为便捷的实现。在加固施工阶段，施工方若发现原桥梁结构或相关工程隐蔽 部位存在重大缺陷时，应立即向有关部门做出汇报并暂停施工，与相关加固参 与方讨论研究，对缺陷部位进行有效处理后，才能进行下一阶段的施工。 ( 8 ) 加固设计时应充分考虑新老结构协同工作的问题，施工时应采取必 要措施，使新老结构连接可靠有效。加固后的桥梁结构整体使用年限应不少于 原桥设计时的使用年限。 我们应充分考虑具体桥梁的特殊性，按照桥梁加固、改造工作的共性，在 实践中发挥参与各方的聪明才智，勇于探索积极进取，应用最先进的材料和最 前沿的技术，把科技进步的成果应用到对原有桥梁的利用、加固、改造工作中， 创新和总结出更多更好的方法。加固设计方案的确定，首先加固设计方案应由 设计人员提出至少两种以上可行方案，再结合诸如加固效果、工期、经费、施 工条件等多种影响因数，对加固方案进行对比评析，采用最合理加固方案进行 施i t 2 1 】【2 2 1 。为达到加固方案时能够最优化的目的，本文提出了在对加固方案进 行评析时应采用的比选原则。 加固方案的比较原则 当有两个以上的加固设计方案进行比较时，应遵循以下原则： ( 1 ) 对结构加固设计时计算分析应简便，加固后的验算结果应满足规范要 求，设计经验应成熟可靠。 ( 2 ) 加固后的结构耐久性要满足要求，后期养护的费用要小。 ( 3 ) 具体施工操作难度要小、质量和工期要易于控制、施工工艺要成熟可 靠，对采用的新方法、新材料应做试验验证。 ( 4 ) 施工过程中产生的噪声、粉尘、固体或液体废弃物等应尽量最小化， 做到减少对环境的影响。 ( 5 ) 工程费用应经济合理，本着节约不浪费的原则。 ( 6 ) 施工过程中对现场工作人员的人身安全、以及对周围的行车安全和结 构的安全性、可靠性影响要小。 7 第四章桥梁加固方法的研究 41 混凝士桥梁结构的缺陷 混凝土桥梁结构缺陷产牛的原因有很多方面，在桥梁设计阶段没有考虑认 真思考，考虑周全、施工方在施上时马虎大意造成施工不当、桥梁运营阶段养 护部门对桥梁的养护管理不到位以及混凝士本身老化等方面的原冈，都有可能 造成桥梁的缺陷1 2 3 1 。混凝士桥梁结构的各种缺陷一般分为表层缺陷和内部缺陷 两类，这是基于其使用条件、构造形式、结构类型、缺陷发生部位和形式的不 同来考虑的。 在混凝土表层形成缺陷主要有：蜂窝、孔洞、剥落、老化、露筋、麻面、 层隙、磨损、掉角、表面裂缝、表面腐蚀、构件变形、接缝不平、模板走样等 2 4 1 。 在混凝土内部形成缺陷有：在混凝土内部形成空洞和蜂窝，旌工时钢筋类 型、数量的选j j 以及放置位置不对，钢筋接头处焊接绑扎质量较差，混凝土保 护层较薄造成钢筋外露引起钢筋锈蚀，混凝土的强度、抗渗、抗冻标号不足等 2 6 1 2 1 。 下图是常见桥梁病害： 混凝土破损露筋混凝十蜂窝麻面 桥面开裂，形成坑槽 支座部分悬空 混凝t 中混有泥沙主粱裂缝、露筋 图4 一l 桥梁结构缺陷圈 4l _ l 混凝土桥梁结构缺陷的产生原囚 混凝士桥梁结构缺陷多数是由于使州过程中各种外部因素和设计、旄工不 当造成的”。桥梁在多年的使用过程中多受到风、雨、水流等自然界的侵蚀， 温度、湿度的变化也会对桥梁结构产生影响，还可能遭受地震、洪水等特大自 然灾害而受到严重损坏口” 3 0 io 一些人为地原因如质量事故、意外的撞击也会 使桥梁产生缺陷；设计不当包括选用的结构形式不合理、计算错误和取值偏差 以及图纸标示不正确、不完善等几个方面由此而造成结构承载力要求没有达 到预期目标，裂缝、挠度过大；施工质量不好，施工中采用的材料规格与性能 不满足规范要求旄工时来能按操作规程进行施工，施工马虎大意等【3 2 】。 混凝土梁式桥主要缺陷原因分析图： 图4 - 2 桥梁缺陷原因分析图 4 1 2 混凝土桥梁结构产生缺陷的危害 混凝土桥梁结构的表层缺陷虽不会引起桥梁断裂等严重后果，但其危害性 还是应当引起足够的重视1 3 3 j1 3 钔。混凝土桥梁由于长期受外界因素的影响，加之 各种车辆荷载、人群荷载等活荷载的作用，往往使原本不大的缺陷逐渐扩大， 最终影响整个桥梁的安全性1 3 引。混凝土表面的破损，会影响结构内部的钢筋， 往往造成钢筋外露锈蚀的后果，如果任由其发展下去结构的承载能力与抗变形 能力会逐渐减弱，最终混凝土结构物有可能出现不安全状态，减少桥梁结构的 正常通行使用期限。因此，对于混凝土表面的破损应及时发现、及时维护，避 免损坏向深层次发展，带来无可挽回的严重后果1 3 6 。 结构内部缺陷对桥梁结构带来的危害比表层缺陷的危害危害更大。混凝土 强度等级不按照设计要求标准、钢筋的类型、数量、放置位置没达到规范要求、 浇筑混凝土时没及时振捣，模板漏浆等使混凝土结构产生空洞等，都会降低桥 梁的使用标准，缩短其使用年限【37 1 。对内部缺陷应当查出一处，处理一处，处 理部位要进行加固补强。 4 2 常见桥梁加固方法的力学特性与加固机理研究分析 本文主要研究了桥梁加固常用的四种方法：粘贴碳纤维加固法、粘贴钢板 加固法、体外预应力加固法、增大截面加固法。通过研究这四种加固方法的受 力特点，给出其加固计算公式，并详细分析了这四种加固方法的施工工艺，给 出每种加固方法的评述。 4 2 1 粘贴碳纤维加固法 碳纤维材料和黏结剂必须由供应商配套提供，并同时给出材料的各项性能 指标。碳纤维材料具有质量轻盈、抗拉强度很高、粘贴时方便、省时省力的优 势，可用于提高结构抗弯承载力、抗剪承载力、抗压承载力等多种加固方式。 在采用此方法进行加固时应注意环境对碳纤维和粘结剂的影响，应使碳纤维与 粘结剂处于适宜的环境中【3 引。 下面给出碳纤维加固设计计算的公式 用碳纤维进行正截面抗弯加固设计计算时 对矩形截面或翼缘受拉的钢筋混凝土t 形结构，在受拉一侧粘贴碳纤维材 料，其正截面加固按下列公式计算： 1 0 i l 夕 g s ( a ) 诊釉时 夕 风 m ( m ( ( b ) x 釉时 图4 - 3 粘贴纤维的矩形截面正截面受弯承载力计算图 l 当混凝土受压区高度x 满足岛 x 釉时 鸩 0 9 时，取= o 9 。 影粘贴碳纤维的层数； 哆一层碳纤维的厚度。 表4 - 1 纤维复合材料环境影响折减系数2 环境分类 片材类型折减系数 碳纤维0 8 5 i 类芳纶纤维 0 7 5 玻璃纤维0 6 5 碳纤维0 8 5 i i 、类芳纶纤维 0 7 0 玻璃纤维 0 5 0 s ，一一碳纤维材料的拉应变； 8 向一一碳纤维材料的极限拉应变； 加一一原结构砼抗压强度设计值； 用碳纤维对斜截面进行抗剪加固设计时 粘贴碳纤维材料进行斜截面加固时，其斜截面承载能力计算应按照下式计 算( 图4 4 ) ： 1 2 图4 4 粘贴碳纤维材料抗剪加固计算图 y o 屹0 4 3x 10 一a l a 3 b h o w 。( 2 + o 6 尸) 无乒，厶 + o 7 5x1 0 。3 厶如s i n o b + ( 4 8 ) v f = d s 再m ，f n f t f b f s i n a d ( 4 9 ) ，1 一垦( + 吃) 甩一 ( 4 1 0 ) 式中y 厂一桥梁结构的重要性系数； 一一粘贴碳纤维加固后结构剪力组合设计值( k n ) ； m 一一所要加固构件的剪跨比； j c u , k 一一所要加固结构的混凝土强度等级； b 一一粘贴碳纤维材料宽度； 缈c 。与原梁斜裂缝有关的修正系数，没有斜裂缝时掣。= 1 0 ；当斜 裂缝宽度小于o 2 m m 时，v 。，= 0 8 3 5 ；当斜裂缝宽度大于 0 2 m m 时，v 。= 0 7 8 ； 及，一一异号弯矩影响系数； 仅3 一一受压区域边缘的影响系数，对矩形截面仅严1 o ；t 形或工字 形截面受压翼缘，取a 3 = 1 1 ； c _ 一一构件上斜裂缝水平投影长度，c = 0 6 m h d ； ，z i 一一碳纤维上部锚固区压条宽度； 厅z 一一碳纤维下部锚固区压条宽度，对于u 型粘贴取o ； 7 一一梁顶面至上部锚固区上边缘的距离； d , h 一碳纤维应力分布系数；耻1 - 焉x 豇觚； p 觯一一所要加固结构箍筋配筋率，凡2 厶- 最6 ； ，w 一一箍筋抗拉强度设计值( m p a ) ； 厶一一弯起钢筋的抗拉强度设计值( m p a ) ； a 碳纤维受力方向与梁轴线的夹角( 9 0 0 ) ； 乞碳纤维有效粘贴长度 6 ，一一碳纤维宽度( m m ) ； 丘= 伟一一碳纤维上侧锚固区压条宽度； 他一一碳纤维下侧锚固区压条宽度，对于u 型粘贴取0 ； ，一一碳纤维纤维材料的抗拉强度设计值； 6 一一斜截面加固纤维条带间距，应满足 厅一厅，一忍 眶2 寄 ( 4 - 1 1 ) 三一一粘贴长度( r a m ) ； 玢粘贴纤维复合材料加固后抗剪承载力的提高值； 碳纤维加固施工工序 粘贴碳纤维加固的一般施工工艺流程为： 构涂 粘 件刷 找 贴 表 底 平 碳 表 面层 修 纤 面 处树 补 维 防 护 理 脂 材 料 图4 - 5 粘贴纤维复合材料施工工艺流程 ( 1 ) 构件表面处理 清除构件表面有缺陷的混凝土，如果清除的范围较大，则采用修补泥砂 浆进行修复整平。 如果有钢筋发生了锈蚀，则应采取措施对钢筋进行除锈。 在桥梁裂缝部位，应配置环氧树脂类胶灌入裂缝中应，对于较小的裂缝 应用封缝胶泥进行封闭处理 上述工作做完后，应对混凝土结构表面的浮浆、油污等杂质进行打磨， 直至打磨出骨料。混凝土表面凸起部位要磨平，整个构件表面的混凝土要做到 平整、粗糙。 把混凝土表面处理干净保持干燥，并用丙酮擦拭。 ( 2 ) 涂刷底层环氧树脂类黏结剂 1 4 按厂商提供的配合比配制底层黏结剂。 用滚筒刷或毛刷将胶均匀涂抹于混凝土构件表面，要做到粘贴部位全部 刷到，不能流淌或有气泡。等胶固化后，再进行下一道工序。这样做是为了填 补混凝土表面的缝隙，如果混凝土材料出现表面缺陷还需要用找平材料进行填 补。 ( 3 ) 粘贴碳纤维 粘贴碳纤维布或片材按以下步骤进行： 首先把碳纤维布的尺寸确定好。 按厂商提供的配合比配制黏结剂( 一般为环氧树脂胶) ，然后用刷子将黏 结剂均匀涂抹于结构的表面。 把碳纤维布粘贴在构件表面上，然后用专用滚筒反复碾压碳纤维材料， 这样做的好处是排除碳纤维布与混凝土表面之间的气泡，不留下空隙，使黏结 剂充分浸入碳纤维布中。 待上一层黏结剂干固后，可进行下一层碳纤维布的粘贴。在最外一层碳 纤维布的外表面涂抹环氧树脂之类的保护涂料，使碳纤维布与空气、水等外部 因素隔绝，以达到防止碳纤维布被侵蚀的要求。 碳纤维加固评述 如果桥梁原本的配筋率没有达到标准或钢筋外露等原因造成相当一部分 钢筋锈蚀的话，采用此种加固方式可以有效地提高其抗弯与抗剪承载能力。而 如果原本桥梁的配筋率较高或基本上没有锈蚀情况发生的话，只采用粘贴碳纤 维加固就不能有效地增加其承载力，满足不了原有的加固设计要求。此时可以 采用与其他加固方法联合使用的方式。碳纤维与钢筋的共同工作尤其是碳纤维 材料用量过多会使构件延性降低，减小钢筋塑性的作用。 其加固优点有：施工质量能够得到控制，所需施工周期短，参与施工的工 种少，不需要大量的人力，只需少量的设备。施工时较为灵活不需占用大面积 的场地，由于碳纤维是紧贴在结构上，结构外观几乎没有变化，与原结构保持 一致。 4 2 2 粘贴钢板加固法 粘贴钢板加固法是通过配置黏结剂把打磨好的钢板粘贴在混凝土结构的 表面，用以提高混凝土结构的承载能力。钢板的作用是相当于对混凝土增加一 部分受拉钢筋，加固用钢板一般采用3 号钢或16 锰钢为宜。对粘贴钢板这种 加固方式，外贴的钢板应与混凝土表面有较好的粘结能力，以保证钢板与结构 之间能共同工作1 3 引。 粘贴钢板加固设计计算 采用粘贴钢板进行正截面抗弯加固设计计算时 对矩形构件应用粘贴钢板进行加固时，其正截面承载力应满足下列公式的 要求( 图4 6 ) ： 图4 - 6 正截面受弯承载力计算 y 。a t 。6 x ( 一i x ) + 二4 ( 一玩) + 互驴s 妒a s p a s 混凝土受压区高度按下式计算： d r b x = 融a s + e 中p a 啦一a s 混凝土受压区高度尚应符合下列条件： 2 a ：x 善6 h o 当x 2 5 时，p = 2 5 ； 以所要加固梁箍筋配筋率，风2 厶t s vb ； a o v 一一所要加固梁内箍筋的间距( m m ) ； 一一所要加固梁内配置在同一截面的箍筋截面面积( m m 2 ) ； 如一一结构中与斜裂缝相交的弯起钢筋的截面面积( m m 2 ) ； ：一一与斜裂缝相交的后增箍筋截面面积( m m 2 ) ； ，卵一一所加固梁内箍筋抗拉强度设计值( m p a ) ； ，埘一一弯起钢筋的抗拉强度设计值( m p a ) ； 仅厂一一异号弯矩影响系数； u ，一一受压翼缘的影响系数，对矩形截面及3 = 1 o ；对具有受压翼缘 的t 形或工字形截面，取a 3 = 1 1 ； 吵a 一一与所要加固梁斜裂缝有关的修正系数，加固前未出现斜裂缝 时，取v 。= 1 o ：斜裂缝宽度小于0 2 m m 时，取v = o 8 3 5 ；斜 裂缝宽度大于0 2 m m 时，取v c 。= 0 7 8 ； l f ，访一一修正系数，y 曲计算公式为 o 8 。k + o 7 0 7 a , b e , b + ( 4 2 0 ) 彳册，一箍板的截面面积( r a m 2 ) ：a 矿26 彬i n0 秽，此处：6 秽箍板宽 度、锄箍板厚度和0 印箍板的切线与梁纵轴的夹角； d s p 一一钢板的弹性模量( m p a ) ； 厶”一一箍筋的弹性模量( m p a ) ； 以”一一箍筋的全部截面面积( m m 2 ) ； s b 一一弯起钢筋的弹性模量( m p a ) 。其他符号意义同上式。 对混凝土结构粘贴钢板加固的施工 粘贴钢板工艺流程 1 8 l 施工流程 具体见图4 7 。