（土木工程专业论文）城市小型混凝土桥梁的加固改造技术研究与实践.pdf

t 程帧j j 学位论文 城j 7 小型混凝 j 桥梁的力州改造技术州百t j 实践 摘要 随着我国城市交通量的快速增加，对既有桥梁的通行能力提出了更高要求，确定 桥梁的实际使用状况和承载力就显得尤为重要。所以，如何对桥梁结构进行质量检评 和加固也已成为工程界研究的热点。 本文针对城市小型混凝土桥梁的加固改造技术开展研究，主要内容有： 分析、讨论了桥梁结构抗力衰减的形式和原因，论述了国内外桥梁加固研究的现状： 在认识桥梁性能检测和评估的重要性后，重点对既有桥梁性能的检测方法、程序 进行研究，并给出了既有桥梁性能评价的指标； 阐述了桥梁加固的原理和基本途径，对常用的碳纤维加固技术、喷射混凝土加固 技术、体外预应力加固技术进行了详细的探索； 通过三个桥梁加固的案例，分析比较了碳纤维加固技术、喷射混凝土加固技术、 体外预应力加固技术的特点和适用范围； 对江苏省常州市的一座混凝土桥梁一里底桥进行了性能测试，并据此提出了改造 的建议。 关键词：桥梁加固荷载试验碳纤维复合材料( c f r p ) 喷射混凝土体外预应力 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gr a p i d l yo ft r a f f i cq u a n t i t yr a i s eh i g h e rd e m a n da b o u tt h e t r a n s i t c a p a c i t yo ft h eo l db r i d g e s s oi t i sm o r ei m p e n d e n tt oc o n f i r mp r a c t i c es t a t u sa n d s u p p o r t i n gl o a do f t h e s eb r i d g e s t h e r e f o r e ，h o wt op e r f o r mq u a l i t yd e t e c t i o n ，e v a l u a t i o n a n dr e i n f o r c eo fb r i d g e sh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s h o to ff o r e i g na c a d e m i aa n dd o m a i n o fe n g i n e e r i n g t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st e c h n i q u eo fs t r e n g t h e n i n gb r i d g e s t h ef o r ma n dr e a s o nw h i c hc a u s et h eb e a r i n gc a p a c i t yi nt h eb r i d g et or e d u c ea r e a n a l y z e d ，a n dt h es t a t u so ft e c h n i q u eo fs t r e n g t h e n i n gb r i d g e sa r ed i s s e r t a t e d a f t e rr e c o g n i z i n gt h ei m p o r t a n c eo fc h e c ha n de v a l u a t i o no fb r i d g e sp e r f o r m a n c e ， t h em e t h o da n dp r o c e d u r eo fc h e c ho fb r i d g e sp e r f o r m a n c e ，a n de v a l u a t i o ni n d e xo fi t , a r es t u d i e d e x p o u n d i n gp r i n c i p l e a n da p p r o a c ho fs t r e n g t h e n i n gb r i d g e s ，i ti se x p l o r e d p a r t i c u l a r l yt h a tc a r b o nf i b e r r e i n f o r c e dp l a s t i c ( c f r p ) ，s p r a yc o n c r e t e ，e x t e r n a l p r e s t r e s s e d b yt h r e ec a s e s o fs t r e n g t h e n i n gb r i d g e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n f i n e s o f s t r e n g t h e n i n gb r i d g e sw i t hc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ( c f r p ) ，s p r a yc o n c r e t e ， e x t e r n a lp r e s t r e s s e d ，a r ec o m p a r e d p e r f o r m a n c et e s t i n gt oac o n c r e t eb r i d g ei nj i a n g s uc h a n g z h o ua r ec o m p l e t e d ，a n d s c h e m eo ft r e a t i n gi sp r o p o s e d k e yw o r d s ：b r i d g e ，s t r e n g t h e n i n g ，l o a dt e s t ，c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e d p l a s t i c ( c f r p ) ，s p r a yc o n c r e t e ，e x t e r n a lp r e s t r e s s e d i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：坌骂耋盖多矿年- f 月1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 何文弋。犯flj 月f 日 t 程坝i ：学位论j 【：城i 订小型混；疑十桥梁的加改造手上术j | i j 究，j 实践 1 绪论 1 1 课题研究的意义和目的 近3 0 多年来，我国公路和城市道路建设事业蓬勃发展，通行能力和服务水平得 到了很大的改善和提高。“九五”、“十五期间，国家进一步加大了基础设施建设 投资，公路和城市道路面貌同新月异。在发展过程中，道路的拓展需要对既有桥梁进 行改造；而现代的车辆数量急剧增加，车辆重量越来越大；这意味着有大量的既有桥 梁需要进行处理。 对于这些桥梁，如果全部拆除重建，不仅资金耗费巨大，而且在时间上也不允许。 即使是经济最发达的美国，若将4 0 的桥梁推倒重建，大约需要3 0 0 0 到5 0 0 0 亿美元， 也是不现实的。因此，不论是发达国家或是发展中国家，无一不把既有桥梁视为国家 的宝贵财富，竞相投入大量的人力、物力，不断加强现有桥梁的维修、养护、加固与 改造，使其恢复设计承载能力或提高其荷载标准，并把延长桥梁的使用年限，保障公 路建设的可持续发展作为一项基本国策。因此，加固旧危桥，恢复和提高它们的承载 能力，使其尽可能地继续为现代交通运输服务，可以给国家带来巨大的社会效益和经 济效益。另据资料介绍，旧桥的加固改造费用仅为新建桥梁的1 0 - - 2 0 左右，国内 已有桥梁加固经验表明，一般情况下拱式桥梁的加固费用约为重建新桥的2 0 - - 3 0 ， 梁桥的加固费用约高于拱桥，通常为3 0 一4 0 ，较重建新桥可以为国家节省大量的 资金，社会、经济效益十分显著。 在我国的各个城市的道路桥梁中，混凝土结构桥梁占有很大比重，探索城市小型混凝 土桥梁的加固改造技术，并不断进行工程实践以积累经验、优化技术具有重要的理论 意义和工程应用价值。 1 - 2 桥梁结构抗力衰减分析 1 2 1 桥梁结构抗力衰减的形式 桥梁结构的建立，其目的在于使桥梁在设计基准期内，在规定的条件下，完成其 预定的使用功能。但由于勘探、设计、施工及使用过程中的多种因素影响，使桥梁结 构不可避免地出现各种不同程度的隐患、缺陷或损伤，进而导致结构的安全性、适用 性、耐久性的降低。桥梁常见的结构抗力衰减形式如下： ( 1 ) 混凝土开裂 在桥梁结构中，梁体混凝土的丌裂是一种较为普遍的现象。对于混凝土丌裂，按 其丌裂部位可将其分为：梁项、底板丌裂、腹板开裂等。按成因可分为结构裂缝和非 结构裂缝。结构裂缝是指混凝土所受拉应变超过极限应变而出现的丌裂现象；而混凝 土收缩、徐变和温差等则是非结构裂缝产生的原因。 1绪论t 程帧i j 学位论文 ( 2 ) 钢筋锈蚀 受力筋的锈蚀将导致其有效截面的骤降，钢筋的体积膨胀又会导致混凝土丌裂或 表面混凝土的成块脱落，混凝土丌裂后又使原来处于混凝土保护层下的钢筋暴露于空 气中，并造成恶性循环。引起钢筋锈蚀的两个主要原因是混凝土的碳化及离子的侵蚀。 1 2 2 混凝土裂缝种类与成因 实际上，混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条 裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类，就其产生的原因， 大致可划分如下几种： ( 1 ) 荷载引起的裂缝 混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来主要 有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的 裂缝。裂缝产生的原因有：结构计算时不计算或部分漏算；内力与配筋计算错误；结 构安全系数不够；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。而次应力裂缝是指由外 荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：在设计外荷载作用下，由于结构 物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致 结构开裂。 实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、 劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代 计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐 变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算。 ( 2 ) 温度变化引起的裂缝 混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生 变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产 生温度裂缝。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。 ( 3 ) 收缩引起的裂缝 在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中， 塑性收缩和缩水收缩( 干缩) 是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自身收缩 和碳化收缩。 混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟 裂状，形状没有任何规律。对于温度和收缩引起的裂缝，增配构造钢筋可明显提高混 凝土的抗裂性，尤其是薄壁结构( 壁厚2 0 6 0 c m ) ( 4 ) 地基础变形引起的裂缝 由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土 结构的抗拉能力，导致结构丌裂。基础不均匀沉降的主要原因有：地质勘察精度不够、 9 t 程顺l j 学位论文地市小型混凝十桥梁的切i 改造技术 i j 了e j 实践 试验资料不准。在没有充分掌握地质情况就设计、施工，这是造成地基不均匀沉降的 主要原因。 ( 5 ) 钢筋锈蚀引起的裂缝 由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢 筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高， 均可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈 蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2 4 倍，从而对周围混凝土产生膨胀 应力，导致保护层混凝土开裂，剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表 面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力 下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。 要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度； 施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同 时严格控制含氯盐的； i - j 1 剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区 尤其应慎重。 ( 6 ) 冻胀引起的裂缝 当气温低于零摄氏度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积 膨胀9 ，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水在微观结构中迁 移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。 ( 7 ) 施工材料质量引起的裂缝 因水泥、骨料、拌和水及外加剂质量的原因，浇注后产生不规则裂缝。 ( 8 ) 施工工艺质量引起的裂缝 在混凝土结构施工过程中，若施工工艺不合理，容易产生各种裂缝，特别使细长 薄壁结构更容易出现。 1 2 3 钢筋锈蚀 钢筋锈蚀是引起桥梁结构抗力衰减的主要因素。一般来说，混凝土中的钢筋在水 泥水化反应时所生成的强碱氢氧化钙的作用下，在表面形成薄膜层。这种薄膜层是一 种致密稳定的共格结构，能有效地隔绝钢筋与水和氧气的相互接触，使钢筋处于钝化 状态不被腐蚀。 钢筋锈蚀的直接影响是钢筋的截面面积减小，不均匀锈蚀导致钢筋表面凹凸不 平，产生应力集中，使钢筋的力学性能退化。混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，锈蚀产 物体积比被腐蚀钢筋的体积要大得多，一般可达腐蚀前钢筋的二到四倍。锈蚀产物的 体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度 时，在钢筋与混凝土边界处将出现内部径向裂缝，裂缝逐渐向表面发展，直到混凝土 保护层丌裂而发生顺筋方向的锈蚀裂缝，最终保护层剥落，从而严重影响钢筋混凝土 3 l 绪论t 程f i | j ii ：学位论文 构件的正常使用。 1 2 4 桥梁结构抗力衰减分析 在一般大气环境下，桥梁结构的抗力衰减是多因素综合作用的结果，主要有以下 三个方面的影响： ( 1 ) 环境的影响 所谓环境的影响，主要是指混凝土碳化，并引起钢筋锈蚀。随着锈蚀的发生和发 展，混凝土保护层开裂甚至剥落使构件有效截面积减少，同时钢筋与混凝土之间粘结 性能降低乃至失去共同协作能力，最终削弱钢筋混凝土构件乃至结构的承载力及适用 性，缩短结构的使用寿命。 ( 2 ) 荷载的影响 桥梁常常承受超过设计标准的车辆荷载，这对结构常常造成严重的影响，导致结 构的损伤累积。 ( 3 ) 自身的作用 大气环境中，桥梁结构的材料随着时间的增长会逐渐老化，老化的结果使得材料 的性能下降，强度降低。除此之外，组成结构的一些活性材料随着时间的增长会发生 缓慢的化学反应，这种反应不仅使结构材料的化学成份发生了变化，而且会因为生成 的新物质产生的膨胀压力使结构发生破坏。混凝土的碱骨料反应即是这种内部作用之一。 表1 - 1混凝土桥梁结构抗力衰减多因素影响机制 环境因素荷载因素自身因素 混凝土碳化超载的影响钢筋强度的时变性 钢筋锈蚀高周疲劳损伤混凝土强度的时变性 侵蚀气体、液体低周疲劳损伤碱骨料反应 高、低温 混凝土收缩、徐变 1 3 国内外桥梁加固研究现状 目自订，国际上对旧桥加固维修，以及如何提高其承载能力和通行能力的问题非常 重视，竟相投入大量的人力物力进行旧桥加固技术研究。早在1 9 8 1 年4 月，国际桥 梁维修与管理的国际会议就提出了桥梁加固技术六个方面的问题： 1 、如何正确评价现有桥梁的实际承载能力与安全度的问题： 2 、如何及早地检查发现桥梁产生的破损及异常现象，j 下确地鉴定结构物的损坏 程度，从而采用合理的维修加固方法问题； 3 、桥梁损坏与维修加固的实际应用问题； 4 t 程坝i j ! 譬j 立论文 蚍市小型混i 疑十桥梁的办l 州改造技术研究。j 实战 4 、桥梁维修加固技术，即采用维修加固新的技术与方法问题； 5 、桥梁设计与维修管理的关系，即如何把维修加固中发现的问题，放到今后桥 梁设计上进行考虑的问题： 6 、桥梁维修加固的未来展望，即维修加固方法将来会怎样发展，如何提出更合 理的维修管理方法与策略的问题。 在美国，每年有大量的桥梁急需维修，为了确保桥梁的维修经费的合理使用，美 国公路管理局采用一种贝叶斯预测技术，将以6 订的检测数据和工程判断组合起来，可 清楚地考虑到测量的错误，并可随时将新的检测数据增添到已有桥梁的管理系统中 中。这种技术现已运用于科罗拉多州的一座预应力桥梁上。美国公路管理局早己开 始对美国国内所有的桥梁的基本数据建库，并可用后续检测所获得数据不断地更新数 据库中的内容。美国a a s h t o 己建立起“d a t a p a v e 路面长期管理使用性能数据库管理 系统”，相信不久其相应的桥梁数据库管理系统也将建立起来。我国上海市现已着手 建立“上海市城市桥梁管理系统”，它通过对桥梁的不同部位进行评价，通过加权汇 总成全桥的桥梁缺损状况值( b c i ) ，最后得出该桥的使用可靠度，这种分析充分运用 了模糊数学的知识。 目前，将损伤力学用于桥梁表面病害、故障检测，已有不少成果问世，有学者认 为可用它粗略估计老桥梁的残余寿命。多学科的交叉大大发展了桥梁的检测理论，这 标志着以后桥梁可靠度综合评价技术发展的方向，检测方法的发展也是日新月异。过 去斜拉桥的斜拉索发生断索事故，无从知晓。现在，使用磁漏检测技术可直接检测出 是否断索和断索部位。大量新型的设备已投入到生产实践中，新型传感器具有更高的 精度、可靠度和耐久性；检测数据通过可靠的自动化数据收集系统、处理系统可直接 输出结果，节省了大量时间，同时能保证数据的精确度。现在的结构检测有以下特点， 结构检测实验室大型化，检测设备自动化，监测仪器高精度、小型和电气化，数据采 集和整理电脑化。 1 4 常用桥梁加固方法 国内外常用的桥梁结构的补强加固技术主要有： 喷射混凝土加固； 体外预应力加固； 增大构件截面加固； 改变结构体系加固； 增加辅助构件加固； 粘钢( 钢筋、型钢) 力口固法； 外贴碳纤维( c f r p ) 加固法。 这些加固方法都有一定的缺陷，如增加结构自重、施工时影响行车、化学腐蚀以 5 1 绪论 t 程f 叨i j 学位论文 及节点不易处理、施工难度大等。如何正确选择适当的加固方法，以对于特定的桥梁 取得最佳的加固效果和经济效益，是值得不断探索的问题。 1 5 本文研究内容 本文通过分析和归纳各种桥梁加固实例，探索对于不同破坏方式、不同损坏程度 的桥梁合适的加固方式；通过对桥梁加固前后的试验和理论分析，比较几种加固方法 的效果；从而提出适合不同情况、加固效果好、施工方便、经济合理的钢筋混凝土梁 桥加固和修复方案。针对常州市武进区里底桥，进行了检测、评估并提出了改造方案。 6 t 程坝l 学位论文城市小型混；疑卜桥梁的力刖改造技术 i j 7 e j 实践 2 在役桥梁结构工作性能的检测与评估 2 1 概述 桥梁检测的目的是：检验桥梁结构的质量，确保工程的可靠；对桥梁进行全面的 技术评定，建立技术档案资料；评定桥梁的实际承载能力。 所谓评估就是评价估计某一事物的价值或优劣。对于桥梁工程而言，桥梁评估就 是“评定承载力、确定材料强度或对结构条件的分类”。在英国近年颁布的桥梁评估 文件中，定义评估是“调查并依据规定的车辆荷载等级确定结构的承载能力”。由于 桥梁评估涉及的范围较广、因素多，在对其内涵的理解上，往往有所偏重，目前的重 点是放在桥梁承载力评估方面。一种较为全面的定义是：评估就是“利用特定的信息， 分析既有桥梁的可靠性并作出工程决策的过程”【1 1 ) 。 ( 1 ) 我国的国情要求我们在新建桥梁的同时，做好旧桥的维护、维修和加固工作， 二者不可偏废； ( 2 ) 板桥、空心板桥是近几年兴建的桥梁中的主流桥型，桥梁的大量破坏现状表 明结构的整体性能差，反映了这类桥梁的设计理论、施工工艺诸方面存在问题，这种 影响将是长期的： ( 3 ) 桥梁健康检测是防止桥梁事故、提高桥梁使用寿命的重要环节。 ( 4 ) 桥梁检测手段和方法，识别结构损伤仍然是中小旧桥的核心技术，应该进行 研究。 2 1 1 检测与评估的重要性 通过检测，了解桥梁存在的病害；收集结构和构件的受载应力( 应变) 、变形、变 位及沉降等物理参数以及环境因素对结构的影响资料；经过分析、研究、计算，并辅 以相关的试验，找出病害产生的原因和实际承载力。这都将起到确保桥梁安全运营、 延长使用寿命的作用；并能通过早期发现桥梁病害，以节约桥梁的维修费用，提高桥 梁的综合使用效益。 在桥梁工程的发展中，桥梁试验也起到了同样重要的作用。大量的试验研究，成 为促进桥梁结构设计计算理论、设计方法不断发展的重要因素之一。桥梁试验是对桥 梁原型结构或桥梁模型结构直接进行的科学试验工作，包括试验准备、理论计算、现 场试验、分析整理等内容的一系列工作。 桥梁原型试验也称之为桥梁检测，其目的是通过试验，掌握桥梁结构在试验荷载 作用下的实际工作状态，判定桥梁结构的承载能力和使用条件，检验设计与施工质量； 桥梁模型试验的目的足研究结构的受力行为，探索结构应力、应变的内在规律，为设 计施工服务。随着交通事业的蓬勃发展，新结构、新材料、新工艺的不断涌现，桥梁 工程的试验技术r 益受到人们的重视，并不断得到发展和提高。桥梁试验的任务主要 7 2n ：i 殳桥梁结构t 作件质的榆测o j 训：估t 程顺i j 学位论文 包括以下几个方面。 1 、确定新建桥梁结构的承载能力和使用条件。对于重要的桥梁结构在建成竣工 后，通过桥梁试验考察该桥的施工质量与结构性能，判定桥梁结构的实际承载能力， 为竣工验收、投人运营提供科学的依据。对于新型或复杂的桥梁结构，通过系统的桥 梁试验，可以掌握结构在荷载作用下的实际受力状态，探索结构受力行为的一般规律， 为充实和发展桥梁结构的设计计算理论积累科学的资料。 2 、评估既有桥梁的使用性能与承载能力。对于既有桥梁结构在运营期间，因受 水害、地震等自然灾害而损伤，或因设计施工不当而产生严重缺陷，或因使用荷载大 幅度增长而严重超过设计荷载等级，通常通过桥梁试验来评估既有桥梁的使用性能与 承载能力，为既有桥梁养护、加固、改建或限载对策提供科学的依据。这对于缺乏完 整技术资料的既有桥梁尤为必要。 3 、研究结构( 构件) 的受力行为，总结结构受力行为的一般规律。随着桥梁工程 的不断发展，新结构、新材料、新工艺的推广应用，原有的规范、规程往往不能适应 工程实践的要求。为了修改、完善既有的规范、规程，指导设计与施工工作，就需要 进行大量的研究性试验。 在实际工作中，桥梁试验的种类很多，按照试验的目的与要求分类，可分为科学 研究性试验和生产鉴定性试验。研究性试验的目的是为了建立或验证结构设计计算理 论和经验公式，或验证某一结构理论体系中的科学假设判断的可靠性。研究性试验一 般把对结构或构件的主要影响因素作为试验参数，试验结构的设计与数量均应按照具 体研究目的的需要确定。根据实际情况。试验可在原型结构上进行，也可在模型结构 上进行。研究性试验一般多采用模型结构，在专门的试验室内进行，利用特定的加载 装置，以消除或减少外界因素的干扰影响，同时突出所要研究的主要因素。通过系统 的模型试验，对测试资料数据加以分析论证，从而揭示出具有普遍意义的规律。生产 鉴定性试验具有直接服务于生产实践的意义，一般以原型结构作为试验对象，在现场 进行试验，根据一定的规范、标准的要求，按照有关设计文件，通过试验来确定结构 的实际承载能力、使用性能和使用条件，检验设计施工质量，提出桥梁养护、加固、 改建、限载对策，有效地保证桥梁结构的安全使用。生产鉴定性试验也称之为桥梁检 测，包括静载试验、动载试验、无损检测与长期监控测试等四个方面。在桥梁试验中， 原型试验存在费用高、期限长、测试环境多变等不利的影响因素，如对一些大型桥梁 进行多因素的研究性试验有时是难以实现的；因此，结合原型桥梁进行模型试验往 往成为科技工作者的一种有效手段，可以更为方便全面地研究主要影响因素之i h j 的关 系，探索结构行为的普遍规律，推动新结构、新材料、新工艺的发展与应用。 2 1 2 研究现状 目前，将损伤力学用于桥梁表面病害、故障检测，已有不少成果问世，有学者认 8 t 程帧l j 学位论义 址订j 小型混；疑十桥梁的自l i 】州& 造手上术州了j 实践 为可用它粗略估计老桥梁的残余寿命。多学科的交叉大大发展了桥梁的检测理论，这 标志着以后桥梁可靠度综合评价技术发展的方向，检测方法的发展也是同新月异。过 去斜拉桥的斜拉索发生断索事故，无从知晓。现在，使用磁漏检测技术可直接检测出 是否断索和断索部位。大量新型的设备己投入到生产实践中，新型传感器具有更高的 精度、可靠度和耐久性；检测数据通过可靠的自动化数据收集系统、处理系统可直接 输出结果，节省了大量时间，同时能保证数据的精确度。现在的结构检测有以下特点， 结构检测实验室大型化，检测设备自动化，监测仪器高精度、小型和电气化，数据采 集和整理电脑化。 与世界先进水平相比，我国公路桥梁方面的工作还存在一定的差距，主要表现在 设计评估理论还不够先进，评估体系还不够健全，评估方法还有待于完善。近年来， 我国也在积极开展桥梁方面的评估研究工作，逐步积累资料和经验，公路桥梁己颁布 基于设计规范的桥梁承载能力鉴定文件，而且，现在正在编写城市桥梁抗震设计规 范。随着我过经济高速发展，公路桥梁在构造形式上不断更新，在结构上趋于轻型、 大跨度化。这需要桥梁的设计工作者对桥梁的受力状态等进行合理的分析，从而达到 优化设计的目的。 2 1 3 桥梁检测方法概述 检测工作主要分为表观检测及荷载试验。表观检测在桥梁的检测中占有重要地 位，是桥梁结构状态检测的一个十分重要的手段。它通过人的观察对结构及其附属设 施的所有构件或部位进行彻底、系统的检查，记录所有缺损的部位、范围和程度。这 种方法易于发现比较明显的结构缺陷，如裂缝、焊接缺陷、锈蚀、不正常变形等症状。 既有桥梁的检测离不开荷载试验，一般来说，有以下情况需进行荷载试验：一是 兴建的大跨度桥梁，尤其当采用了新结构、新材料和新工艺的桥跨结构更需进行荷载 试验；二是需通行特种车辆的新旧桥梁，为保证该桥使用安全，需按实际轮位和轴重 进行模拟荷载试验或等效荷载试验；三是修复的、改建的或加固的旧桥，为验证工程 效果，需进行验收或鉴定性荷载试验；四是年久失修，且缺乏设计和施工技术数据的 旧桥，为判断是否能承受预计的荷载，也需进行荷载试验。 2 2 常规检查方法 桥梁检测是对桥梁的结构物直接测试的一项科学实验工作。它包括常规检测和 荷载试验，其主要任务是通过有计划地对结构物加载后的性能进行观测和对测量参数 ( 如位移、应力、振幅、频率等) 进行分析，以便了解桥梁实际工作状念，对结构物 的工作性能做出评价以及对桥梁结构的承载能力和使用条件做出f 确估计，并为桥梁 加同提供可靠的数据依据。 桥梁结构在使用期l 日j r i ，由于受到各种因素的影n i 句，会出现各种各样的损伤，对桥 24 i 役桥梁结构t 作性质的榆测州j f 梁进行经常性检查( 一般检查) 、定期检查( 基本检查) 和特殊检查( 专门检查) 是 非常必要的。它对维护桥梁、及早发现损伤、及时修补起到极其重要的作用。桥梁常 规检测的项目及内容见表2 2 。 表2 - 1 桥梁常规检测 检测内容初期检查日常检查详细检查临时检查 设计资料 0 施工方式 0 施工质量 o 使用材料 o 混凝土强度0 或 内部缺陷 0 长度 0 0 或 宽度 o 0 或 裂缝 深度 0 0 或 发展状态 ooo 起皮、剥落 0oo 钢筋外露、锈迹 0oo 钢筋锈蚀度及位置 保护层厚度 材料活性 残存膨胀量 碳化深度 氯离子含量 表面石灰质凝结物 oo 漏水 0o 变形 o 0 或 支座 oo 异常响声 oo 注：0 表示定期检查：表示特殊检查 城市小型混越十桥梁的i i | 1 l 古i 改造技术f i j 歹 j 实践 表2 - 2 混凝土检测法分类及测定内容 种类测定内容说明 对混凝土表面进行撞 表面 压痕法 击，以测定凹痕的深度、已不大使用 硬度法 直径、面积等 回弹法 对混凝土表面进行打 运用得最多， 混 击，测定其反弹硬度 但准确性相应蒡坞 凝 超声 超声脉冲法、测定混凝土的强度、内 超声波法采用较多， 土 脉冲法 冲击波法、部缺陷，测定混凝土的冲击波法和表面波法 无 表面波法 厚度及振动弹性系数未被采用 破 超声法 损 与回弹法 能提高测试精度 检 超声法与 测 综合法 声波衰减率法测定混凝土强度 正处于研究阶段 方 振动弹性 法 系数与对数 尚未采用 衰减率法 x 射线法 内部缺陷探伤 因x 射线和中子 射线法 、钢筋探测 射线使用的有限， 中子法测定混凝土的含水率故尚未实际使用 钻( 取) 芯法 混凝土半破 拔出法 测定混凝土强度 有使用 损检测方法 拔脱法 射击法 公路桥梁在使用过程中，经受着荷载作用，气候以及其他意外事故因素的影响， 出现裂缝，发生不正常的变形和破损，这些现象都显示出桥梁的一些病态，表明了承 载能力发生了变化。针对桥梁现状，根据规范规定，可以初步判断出桥梁的承载能力。 桥梁裂缝分为有害裂缝和无害裂缝。 ( 1 ) 有害裂缝：影响桥梁结构承载力，加大结构变形，使节点构造发生松动。例 如：顺筋裂缝、拱圈分离裂缝、受力引起的过大裂缝等。 ( 2 ) 无害裂缝：例如干缩裂缝、龟裂等的影响甚微。 不管什么原因引起的裂缝，只要数量和宽度大于容许规定的程度，都会导致结构 恶化，降低承载能力，缩短使用寿命。桥梁及其构件的裂缝限值见表2 3 。 2n ：役桥梁绐构t 作r + 赝的伶测n f 估t 程倾f j 学位论文 表2 - 3 裂缝限值 结构裂缝部位最大裂缝宽度限值( 衄) 主筋附近竖向裂缝 = 0 2 5 普通钢筋混凝土梁 腹板竖向裂缝 = 0 3 0 竖向裂缝不容许 梁体 全预应力混凝土梁纵向裂缝 = 0 2 0 横隔板 = 0 3 0 拱圈横向 = o 3 0 砖、石、混凝土拱拱圈纵向 = 0 3 0 拱波与拱肋结合处 = 0 2 0 墩台帽 = 0 3 0 经常受有筋 = 0 2 0 侵蚀性环境影响 无筋 = 0 3 0 墩台墩台身 常年有水，有筋 = 0 2 0 但无侵蚀性影响 无筋 = 0 3 0 干沟或 ：0 9 5 且 = 0 9 0 ，且 = 0 7 5 ，且 0 9 0 加同或更换 特殊检奋后确定 五类( 危险状态) 承载能力比设计降低2 5 以上 1 时，构件未达到承载能力极限状态。公路工程结构可靠度设计 统一标准( 6 b t5 0 2 8 3 1 9 9 9 ) 规定，对于公路桥梁，安全等级为一级、二级、三 级时，分别取1 1 ，1 0 ，0 9 。因此一级、二级、三级公路桥梁四类( 坏的状态) 的 下限r s = 7 o ( r 7 0 s ) = 0 7 5 7 o 依次为o 8 2 5 、0 7 5 、0 6 7 5 ，三者均己达到承载能力极 限状态。 3 、主梁的相对挠度 桥梁结构的刚度常以跨中断面的相对挠度衡量1 1 4 l ，主梁跨中挠度是结构的各构 件在荷载作用下变形的综合反映，是评价结构构件抵抗变形能力大小的重要技术指 标。 ( 1 ) 试验荷载下主梁跨中挠度的有关计算 按主梁跨中挠度实测值，可计算出各主梁的荷载实际横向分仃系数1 1 1 ： 2 5 2n i 役桥梁结构t 作r + 质的柃测o j 训j 估 t 程坝i j 学位论文 驴甚 只，厶j ，i | ( 2 - 7 ) 式中：m ，一i 号主梁的荷载横向分布系数； y ，一试验荷载作用下i 号主梁控制断面的实测挠度值； j r j 一按实际尺寸计算的i 号主梁抗弯惯性矩。 如果各主梁的截面尺寸均相同，则公式( 2 - 7 ) 可变为： 聊，= 告 y ， ，= l 根据主梁荷载横向分布系数实测值m ， 跨中挠度： 虼= 面m , p o , 1 3 ( 2 - 8 ) 按下式计算各主梁在试验荷载作用下的 ( 2 - 9 ) 式中：乩试验荷载作用下的主梁跨中挠度计算值； m ，一荷载横向分配系数； p 。，一试验荷载的换算集中荷载； 1 一主梁计算跨径： e 一主梁混凝土弹性模量； 厶一换算截面惯性矩。 如果受拉区硷已经开裂，则用开裂截面换算惯性矩j 。，代替厶进行计算。同理 也可求得设计荷载作用下主梁跨中挠度的计算值y 小。 如前所述，设计荷载作用下主梁跨中挠度的实验值儿，可通过荷载换算系数口。， 根据式( 2 3 ) 由试验荷载下主梁跨中挠度的实测值y 求得。 ( 2 ) 主梁的相对挠度1 2 2 1 主梁跨中相对挠度的实验值为儿l ，如果计算结果满足y d l 1 6 0 0 的要求，则 表明桥梁结构的刚度满足检算荷载的使用要求，否则不满足使用荷载的要求。 ( 3 ) 结构校验系数 结构校验系数7 7 是评定结构工作状态、确定桥梁承载能力的一个重要指标，它表 明实测值与计算值的相符程度。7 7 值常见的范围可参考表2 6 。一般要求7 7 值不大于1 。 刁值越小说明结构的安全储备越大；值过大可能说明组成结构的材料强度较低，结 构各部分联结性较差，刚度较低等。 试验荷载下主梁跨中挠度实测值与理论计算值的比较： 坝市小型混敏f 桥梁的加改造手上术研充i j 实践 y | 7 75 2 y l ( 2 一1 0 ) 设计荷载下主梁跨中挠度实验值与理论计算值的比较： 7 7 ：丝 ( 2 1 1 ) y 毋 表2 - 6桥梁结构校验系数常数表 桥梁类型应变( 或应力) 校验系数挠度校验系数 钢筋混凝土板桥 0 2 0 - - 0 4 00 2 0 - 一0 5 0 钢筋混凝土梁桥 0 4 0 - - 0 8 0 0 5 0 - - 0 9 0 预应力混凝土桥 0 6 0 - - 0 9 00 7 0 - - 1 0 0 2 4 小结 桥梁检测是一项重要的工作。通过检测，可以了解桥梁存在的病害；收集结构和 构件的受载应力( 应变) 、变形、变位及沉降等物理参数以及环境因素对结构的影响资 料；经过分析、研究、计算，并辅以相关的试验，找出病害产生的原因和实际承载力。 为确保桥梁安全运营、延长使用寿命、早期发现桥梁病害，节约桥梁的维修费用，提 高桥梁的综合使用效益发挥重要作用。是桥梁正常维护管理、评估、加固和改造中必 不可少的环节。 桥梁检测可分为表观检测及荷载试验。表观检测通过人的观察对结构及其附属设 施的所有构件或部位进行彻底、系统的检查，记录所有缺损的部位、范围和程度。荷 载试验是对现有桥梁进行模拟加载，通过检测，了解和掌握结构在荷载作用下的实际 工作状态与性能的一项科学实验，为现有桥梁的评估提供依据。荷载试验又分为静荷 载试验和动荷载试验。 根掘检测结果，可按照相应的评定条件，对桥梁的技术状况、承载能力等级、抵 抗变形能力进行评价和分级。 3 n i 役桥梁加川改造方案的确定t 程坝i j 学位论文 3 在役桥梁加固改造方案的确定 3 1 判断桥梁需加固的标准 旧桥加固与改造方法多种多样，必须针对不同类型的桥梁采用不同方法。首先要 清楚的是，桥梁病害到什么程度才需要进行加固；然后是，加固时应采用什么方法。 1 、判断旧桥需加固的标准 凡是旧桥出现以下情况之一者，就应对其进行加固和改造： ( 1 ) 承载能力不足。根据现行通行的车辆对旧桥承载能力进行验算，若不能满 足强度要求，就应进行加固处理。这里往往有两种情况，一是重型车辆增加，原有的 桥梁承载能力不足，需要加固；二是为了使整条路线上或一条路段内桥梁的承载能力 保持一致，对个别承载能力较低的桥梁，按目前载重要求进行加固改造。 ( 2 ) 经过鉴定后判断桥梁工作状态( 应力) 已经超过极限状态，需要进行加固 处理。 ( 3 ) 桥的宽度不够，影响道路通一y l j v 力，应进行拓宽、加固处理。 ( 4 ) 桥梁结构局部或整体刚度不足，己影响了正常使用，为了提高桥梁的刚度， 需要对其进行加固。 ( 5 ) 通过特殊重车，桥梁承载能力已经不能满足要求，需要临时进行加固处理。 桥梁是交通的咽喉，技术复杂、经济技术指标高，因此，在确定加固之前，应进 行技术经济比较，做出科学判断，明确桥梁加固方法。 对桥梁进行加固需要考虑很多因素，首先，根据桥梁现有技术状况、存在的病害、 车辆通行的需要，以及将来交通发展的趋势，对桥梁加固和技术改造必要性和可能性 做出判断。然后，对加固改造方案进行技术、经济比较，合理地选择加固方案。 2 、桥梁加固改造方案的选定 桥梁加固和改造方案的选定，应遵循以下原则： ( 1 ) 桥梁加固后，无论结构性能、承载能力、耐久性方面能达到使用上的要求； ( 2 ) 桥梁加固一般以不改变原有结构形式为原则，采用加大受力截面或者修复 原来桥梁构件，或者采用其他措施来提高桥梁的承载能力； ( 3 ) 首先，了解和判断桥梁下部结构的承载能力潜力，以满足加固后所增加桥 梁的自重和活载对基础的要求。如果基础或墩台的承载力不足，或上部结构缺陷是由 墩台和基础的沉降和位移所引起的，就要先对下部结构进行加固处理。 3 2 桥梁加固原理 如图3 1 所示，在荷载作用下，梁了桥梁结构足一种受弯结构，主要承受荷载对 结构产生的弯矩，根据材料力学基本原理，其计算公式为： t 程坝1 j 学位论文 城市小型混；疑十桥梁的加荆改) g p 4 - ，卫i 术m 了 j 实践 仃：丝( 3 1 )仃= lj lj 形 式中：仃一荷载作用下，主梁产生的拉( 压) 应力； m 一荷载对主梁产生的弯矩； w 一主梁截面的几何抗弯弹性模量。 由此可见，梁式桥梁的主梁受力状况由三个因素决定，即：荷载( 恒载、活载) 产生的内力( 弯矩) 、主梁截面的面积决定的截面几何特性( , i 贝t 1 1 - 性矩、几何抗弯弹性 模量) 、以及主梁材料的自身强度。当外界条件改变，如车辆荷载增加、超限、超重 等，对桥梁引起的内力增大，超过主梁结构和材料强度的允许范围时，势必造成主梁 受拉部位丌裂、破损承载力下降，成为旧危桥，随着运营年限的增加，各种外界因素 导致材料性能恶化、强度降低，也将造成原桥承载力下降、开裂、破损，最终成为旧 危桥。 尽管目前梁式桥梁加固、提高承载力的方法和技术种类繁多，但基本原理却是相 同的，归纳起来都是遵循力学的基本原理，从桥梁结构的外界因素和内在状况改变的 角度进行加固补强，提高承载力。 1 从外因角度通过结构性能改变，提高主梁的承载力 ( 1 ) 增大主梁截面面积 采用增加主筋、喷射混凝土、现浇混凝土、外包混凝土加大主梁截面尺寸，以及 加厚桥面增加辅助构件等加固方法，都是属于增加主梁截面的加固方法和技术。从式 3 1 可知，采用增大主梁截面的方法加固，其目的是增加主梁截面的惯性矩或几何抗 弯模量，当荷载产生的内力( 弯矩) 不变，或荷载等级提高时，通过改变截面面积的 途径，减少主梁截面的承受的拉力( 通常压应力不控制承载力) ，使其不超过主梁材 料性能承受范围，即o o ，从而达到加固主梁，提高承载能力的目的。 ( 2 ) 增加主梁的强度 对主梁采用环氧砂浆( 胶浆) 粘贴钢板( 筋) 、环氧玻璃钢、碳纤维布、芳纶纤 维布等高强材料，增加主梁的强度，都是属于此类加固方法和技术。从式3 - 1 可知， 采用增加主筋强度的方法，在不变主梁截面的前提下，当荷载等级不变或荷载等级增 加时，增加了主梁的强度，使荷载对主梁产生的拉应力小于补强材料的强度，即o o ，从而达到加固主梁，提高主梁的承载力的目的。 3订：f 殳桥梁加川p f t 】- d s t 一方案的确定 t 程坝f j 学位论爻 2 从内因角度通过调整内力提高主梁的承载力 改变原桥结构体系，采取将简支梁体系改变为连续梁体系、加斜支撑改变桥梁的 跨径，或通过外加预应力将主粱结构由弯曲结构变为压弯结构，减少原桥主梁承受的 荷载内力，根据式3 1 可知，从而减少主梁承受的拉应力，即o x l 时，占r 占，i ，混凝土先压碎破坏，对拉伸钢筋取矩： m 。= f c b x ( h o 一妻) + ( f ，一勺o ) 互，a ，( 厅一) ( 3 3 ) 式中：e ，为碳纤维布弹性模量，a ，为碳纤维布的截面积。 b 、当x 占加混凝土先压碎破坏，对拉伸钢筋取矩： m 。= l a ，( h o o 5 x ) + q f r 。a ，( 办一0 5 x ) ( 3 4 ) c 、当x = x 。时，占，= ，乞= s 。时：由静力平衡条件可求： ( 3 5 ) m 。= 彳，( h o o 4 c ) + 钐乞彳，( h 一0 , 4 c ) ( 3 - 6 ) 2 、碳纤维布加固钢筋混凝土梁的简化计算 采用碳纤维布对梁、板构件进行受弯加固承载力计算时，除应符合现行国家规范 钢筋混凝土构件正截面受弯承载力计算的基本假定外，还应符合下列要求： ( 1 ) 达到受弯承载力极限状态时碳纤维布的拉应变占。r 根据截面应保持平面的假 定确定，但不应超过碳纤维布允许拉应变 占 ； ( 2 ) 当考虑二次受力影响时，应根据加固时的荷载情况，按截面应保持平面的 假定计算加固前受拉区边缘混凝土的初始应变知。； ( 3 ) 碳纤维布的拉应力仃。，取碳纤