《公路桥梁加固设计规范》宣贯及技术培训讲座.ppt

公路桥梁加固设计规范 宣贯及技术培训讲座 宣贯及技术培训 内容提要 1 2 3 4 5 总则及基本规定 增大截面加固法 体外预应力加固法 粘贴钢板加固法 6 改变结构体系加固法 公路桥梁加固设计规范 公路桥梁加固施工技术规范 7 桥梁加固 桥梁维修 粘贴纤维复合材料加固法 一 1总则 原则 安全适用 技术可靠 经久耐用 经济合理 保护环境 目的 恢复使用功能 提高承载力 增强安全耐久性 适应地震性能 决策 依病害程度及使用功能要求 在检测 评定的基础上 进行社会 经济 技术比较 社会性 具有时代标志 列入文物 地域象征等 经济性 加固投入资金 加固后使用年限 技术性 加固设计及施工的可靠性 技术难度及实现的程度 总则及基本规定 设计内容 总则及基本规定 二 3基本规定3 2基本假定 3 2 1分阶段受力加固时结构的载荷仍由原结构承担 加固后的组合截面承担后续载荷1 原构件验算荷载 自重 恒载 未卸除的桥梁恒重 新增构件恒重 由原构件承担的恒重 称为一期荷载 进行施工验算时还应计入施工荷载及施工中的温度效应及混凝土收缩 徐变等 2 原构件截面验算 应计入荷载安全系数 考虑原构件的损伤折减 依次进行施工阶段验算 设计内容 3 组合截验算荷载 含自重在内的恒载 扣除一期荷载 作用在桥上的可变荷载称为二期荷载 并计入附加荷载的组合值 4 组合截面验算 截面几何性质按不同材料的组合截面计 受损的原构件应适当弱化处理 因而 原构件承担一期及二期荷载的分配值 组合构件的新增材料只承担二期荷载的分配值 总则及基本规定 3 2 2应变值符合平截面假定结构处于材料的弹性阶段 截面应变应符合虎克定理 视弹性模量e为常量 如果承载力达到极限状态时 材料则进入弹塑性阶段 材料的弹性模量e成为变量 平截面假定失效 3 2 3与3 2 4是以原结构的混凝土或钢筋强度达到其设计强度值 来控制其极限承载能力 此时混凝土的极限应变值可以取到 0 0033 即受压区应力图式成矩形 如果原结构材料的应力使用过高 会使原结构遭达到破坏 由组合截面新增材料需承受全部外载时 则有必要考虑加固的经济性 总则及基本规定 3 2 5加固后的承载能力是依原构件中混凝土或钢筋达到其设计值控制使用 受拉区增大截面 贴钢板 贴碳纤维等 其材料的使用率一般受原构件受拉钢筋的控制 不可能充分发挥其能力 因而 多贴只会降低其使用率 对承载力的提高无益 在受压区增高混凝土加固时 则考虑到混凝土的塑性发展 中性轴的上移 新增混凝土的抗压能力的提高 按分阶段受力计算承载力影响不会太大 抗剪加固新增材料后 设计亦应考虑分阶段受力的特点 总则及基本规定 构件加固方法 设计内容 构件加固方法一 5增大截面加固法5 2 1 必须采用当前结构现场实测强度 在承载力检测时给以确定 实测结构混凝土标准强度不宜过低 因为加固后的构件承载力是依原构件混凝土及钢筋达到设计值确定 该值过低时 加固后的承载力难以提高而满足要求 加固则失去了意义 5 1 3核心是结合面必须牢靠而无相对错动 否则不可能共同受力 使计算模式变异 不能正确反映受力特征 增大截面加固法 构件加固方法 5 2 2仅在受压区加厚混凝土加固时 原构件即是受压区进入塑性阶段 由于混凝土应变发展很快 其压应力会迅速由新加混凝土承担 加上中性轴的移动 原构件受压边处于卸载状态 因而可以按 jtgd62 2004 第8 1节进行 但是 考虑结合面的混凝土收缩差时 应计入混凝土的徐变影响 加厚层内按构造应配置钢筋 特别注意配置结合面上的抗剪钢筋 增大截面加固法 构件加固方法 5 2 3受弯构件承载力极限状态 是指材料的应力用到设计强度或值 此时的应变提升很快 应力增幅停滞或缓慢 因而受压区混凝土应力可以等效为矩形 此时的结构截面应力不再成直线分布 也不符合平截面假定 因而不能按平截而假定求得 因为钢筋混凝土结构按平衡设计或低筋设计时 承载能力均由钢筋控制 因而 的求得采用原结构受拉钢筋达到设计值来控制 即 增大截面加固法 构件加固方法 新增钢筋比原构件钢筋滞后一期载荷 同步增长使原构件钢筋应力先达到设计值 如果原构件钢筋应变继续增加 虽然其应力停止增大 但存在着拉断的可能 新增钢筋的应力虽则有所放大 但随着的值增大在减小 一般很难达到设计值 增大截面加固法 构件加固方法 增大 即新增钢筋离开中性轴较远 1 减小 卸载加固 减小 2 加大新增钢筋面积 在应变一定的情况下提高承拉力 3 给新增钢筋施加预拉应力 使其与原钢筋同时达到设计值 4 如果要提高加固构件承载力 增大截面加固法 构件加固方法 增大截面加固法 构件加固方法 增大截面加固法 构件加固方法 5 2 6受弯构件达到受弯承载能力极限状态时 新增纵向普通钢筋的拉应变 5 2 6 1 是由图5 2 6所示的几何关系求得 但是 依截面应变值求时 截面应变并非线性分布 其求法值得讨论 增大截面加固法 构件加固方法 讨论 1 结构承载能力达到极限状态时 材料已进入弹塑性阶段 平截面假定只适用于弹性阶段 在弹塑性或塑性阶段不能依平截面假定的几何关系推求新加材料应变 以混凝土设计强度及标准强度相应的应变为例 材料在标准强度以内时 基本上能处于弹性阶段 可以利用平截面假定 采用极限压应变时 材料已进入塑性阶段 其应力虽不再增长 但时 弹性模量值的下降 增长很快 呈曲线变化 增大截面加固法 构件加固方法 2 在弹性阶段 截面的应力 应变呈直线变化时 其压应力呈三角形 并非矩形应力图式 结构进入塑性阶段后 受压区应力图式近似成为矩形 采用 的折算办法求合力可行 求中性轴位置显然不合理 其所得非线性变化的中性轴位置 增大截面加固法 构件加固方法 3 依 jtgd62 2004 第3 1 4 3 1 5条混凝土的设计强度及弹性模量求相应的应变值 式中受压区边缘采用 依直线推求 显然扩大了10 5 4 5倍 增大截面加固法 构件加固方法 4 按平截面假定计算 必须限制在线性范围内 混凝土的应变图如下 见结构设计原理图 增大截面加固法 构件加固方法 由图可知 在0 0 0006的范围内 基本上成线性变化 大于0 0006时 成曲线变化 显然 采用推求是不合理的 5 原结构一般都是按平衡设计或低筋设计 因而依3 2 5条限制 原结构受拉钢筋会首先到达而控制设计 以 第一阶段弯矩的组合值 求滞后应力时 无需采用组合值 并且不能含施工荷载值 增大截面加固法 构件加固方法 建议 求时 宜采用容许应力法计算 依原结构上下缘应力为 控制 若原构件截面有效高为 受压区高度为 钢筋弹模为 而增加材料后的组合截面 相应值为 时 则 增大截面加固法 构件加固方法 式中 为两种钢筋的折算系数 为原构件构件受拉钢筋的后期贡献值 为钢筋位置的影响系数 构件加固方法 5 3 1公式 5 3 1 1 中 的求值在 6 3 1 2 6 3 1 3 中依应变不超过 扣除一期荷载应变后的剩余值作为新增混凝土及新增钢筋的贡献值 讨论 控制量采用应变时 结构的材料已进入弹塑性阶段 因为混凝土应变能保持线性变化的范围大约在左右 增大截面加固法 构件加固方法 建议 依混凝土应力达到设计值作为极限承载力求 即 增大截面加固法 构件加固方法 5 3 3在两侧加厚偏心受压构件增大截面中 公式 5 3 3 1 5 3 3 2 5 3 3 3 5 3 3 8 及 5 3 3 7 中新增材料恢复应力 讨论 受压较大边的新增混凝土参与受力后 当其达到时 原结构混凝土应力是否超过值 一期载荷较大时 新加混凝土的应力滞后如何考虑 式中受压区为x 未区分新 老混凝土的差异 当新增钢筋达到时 原配筋应力不会滞留在值不变 特别是新增钢筋强度低时 原配钢筋有可能断裂 新增混凝土强度低时 原构件混凝土实际强度增长较快将两者统一在一起计算 取控制是否合理 增大截面加固法 构件加固方法 建议 第一期的轴力应由原构件承担 并产生一期应力 第二期轴力由加固后的组合截面承担 按变形协调条件 分别计算原构件新增材料的二期应力 增大截面加固法 构件加固方法 以原结构的控制截面的材料应力达到其设计强度作为加固结构承载力的极限值 亦即 第二期受压构件容许的应变值为 或 受拉 则 或 受拉 增大截面加固法 构件加固方法 对于偏心受压构件 再计入所求应力点在截面中的位置影响系数 5 3 4式 5 3 4 1 5 3 5式 5 3 4 2 增大截面加固法 构件加固方法 依受压较大边应变为控制 由平截面变形的直线关系求未知量 当截面应变进入塑性状态后 截面变形不再保持平截面变形 因而本身几何关系不成立 在材料进入弹塑性或塑性之后 受压区应力图形从三角形趋向于矩形 而中性轴到受压侧边缘高度的折算为受压区高度采用系数 取0 5时为三角形应力图式 线性分布 取1 0时全部为矩形应力图式 全塑性分布 采用 0 8 则表明为弹塑性阶段 非线性分布 依此求得的中性轴位置 x 为非线性时的位置 讨论 5 3 4 5 3 6条在条文说明中图5 1 图5 2是按直线应变图式求 是否妥当可以考虑 增大截面加固法 构件加固方法 结合的剪力主要由以下三种力传递 骨料咬合作用力 即界面上凹凸不平的部分产生和咬合力 摩擦作用力 即结合面滑动时 界面上产生磨擦作用力 钢筋的暗销作用力 1 2 3 5 4 2在受压区增加混凝土增大截面加固时 新老混凝土共同工作是靠结合面的抗剪来保证的 增大截面加固法 构件加固方法 对于不设锚固钢筋的结合面 剪力主要由咬合作用力和摩擦作用力传递 依 jtgd62 2004 及参照 美国公路桥梁设计规范 aashto14版 规定 结合面抗剪承载力应符合 5 4 2 1 对于结合面设置暗销锚固钢筋时 同一竖向截面配置不少于的结合钢筋时 结合面抗剪承载力应符合 5 4 2 2 增大截面加固法 构件加固方法 二 6粘贴钢板加固法6 2 3加固钢板的拉应变值 6 2 3 1 是按平截面假定确定钢板的拉应变 粘贴钢板加固法 构件加固方法 讨论 当受压边缘混凝土应变达到时 截面还能保持平截面应变吗 且中性轴位置的折算也为非线形应力图式的截面状态 一般情况结构承载力是由受拉区钢筋控制 因承载力不足才进行外贴钢板加固 如果以受压区边缘混凝土应变达到极限值推求钢板应力 是否受拉钢筋的应力已超过其设计强度 粘贴钢板加固法 构件加固方法 建议 采用受拉区原结构钢筋应力达到设计值来控制求 即 复核受压区边缘应力 粘贴钢板加固法 构件加固方法 如果受压区边缘应力首先达到 推求时 略去钢板厚度的影响 则 在混凝土强度不超过设计强度时 截面仍处于弹性范围内 平截面假定还可成立 若时 则 复核受拉区钢筋应力 粘贴钢板加固法 构件加固方法 6 3 1两侧贴钢板的偏心受压钢筋混凝土构件 正截面承载力计算公式 6 3 1 1 6 3 1 2 6 3 1 3 中 讨论 承受第一阶段压应力的原构件混凝土和钢筋的应力达到设计强度 时 外贴钢板的应力状态是什么 原构件应力滞留在 不再上升时 表示已进入塑性阶段 这时应变加大 弹模下降 应力停滞 当混凝土的应变达到之前 外贴钢板的应变同步增长 其应力能够达到值 粘贴钢板加固法 构件加固方法 因为r235 hrb335 均先于达到其设计值 粘贴钢板加固法 构件加固方法 6 3 2当为小偏心时 6 3 2 1 受压较大区边缘应变达到时 截面应变已不为线性变化 所以受拉区钢筋应力的值能否这样求得需要研究 粘贴钢板加固法 构件加固方法 6 3 3式 6 3 3 2 是以一平截面线性比例关系求 应变达到极限值时 截面的应力 应变已不成直线分布 粘贴钢板加固法 构件加固方法 6 3 5计算式 6 3 5 1 对受压较大边普通钢筋合力点取矩 图示 粘贴钢板加固法 构件加固方法 对受压较大边普通钢筋合力点取矩 图示 粘贴钢板加固法 构件加固方法 计算式应为式中 随的变化在变化 中应计入第一阶段的荷载应力 在极限状态式 6 3 5 1 中 多出项 缺少项 粘贴钢板加固法 构件加固方法 6 4 1 6 4 1 2 中 第一阶段轴向力组合设计值 采用轴向力值即可 无需再加安全度 因为已为组合设计值 粘贴钢板加固法 构件加固方法 6 4 3大偏心受拉构件式 6 4 3 2 讨论 大偏心受拉构件 求外贴钢板应变时 以混凝土的极限压变作为控制条件妥当否 式中采用恢复中性轴位置可否 使用在截面应力近似于矩形的弹塑性阶段 此时截面应力 应变并非直线分布状态 粘贴钢板加固法 构件加固方法 建议 采用即从原构件受拉钢筋设计强度中扣除第一阶段的消耗值 将剩余值作为后期应变 折算求得应力 粘贴钢板加固法 构件加固方法 三 7粘贴纤维复合材料加固法 一 采用这一方法加固构件时 应充分注意以下特点 加固后原构件的刚度基本上不发生变化 变形过大而产生的病害需要加固时 应慎用 被加固构件的材料已达到承载力极限时 如果不可能大幅度卸载加固时慎用 这时纤维材料粘贴后发挥的作用并不大 因为加固后的构件依变形协调条件分配后续荷载 纤维材料面积小 如果弹模不高时 其刚度就更低 难以承担后加荷载 粘贴纤维复合加固法 构件加固方法 不可使纤维材料承受剪切力 因而 即是承拉 也要防止转角凸起 尖楞等使其局部受剪 纤维材料是依靠黏结材料粘结于构件上共同受力 因而黏结材料应具有更重要的可靠性要求 纤维材料具有良好地抗拉性能 用于加固承拉构件或承压柱体的环向围束加固 有其不可替代的优势 环向围束加固承压柱体 以约束柱体横向变形来提高其承压能力 并且又提高了受压柱体的延性 对结构抗震大有好处 粘贴纤维复合加固法 构件加固方法 使用廉价纤维材料封闭结构裂缝的维修方法具有其优势 其施工简单 操作方便 使用机具少 效果好 耐久 因而广为使用 采用纤维材料加固时 应防止产生脱空 气泡 要求两端锚固必须可靠 粘贴纤维复合加固法 构件加固方法 二 值的求解按极限状态计算结构承载力时 混凝土的极限压应变可用取 钢筋的极限拉应变取用0 01 显然 在这一应变状态下 截面不再为平截面应力 应变状态 因而无法用平截面假定以极限应变值推求新加材料的应变 依 3 2加固设计算基本假定 的3 2 5条 加固后 结构的极限承载力是以原结构中混凝土或钢筋强度达到设计值来控制 因而 我们利用原结构混凝土或钢筋达到设计强度时的相应应变值来控制 并且在设计强度范围以内材料的弹性模量近似直线 应力 应变关系成线性变化 粘贴纤维复合加固法 构件加固方法 由于一期载荷已在原结构中产生了一定的应变或 将此作为新加材料的滞后值计入 故 式中 弯曲变形时 新 旧拉伸材料形心到截面中性轴的距离比值 即 当外贴材料与受拉钢筋很近时 即 取 1 因而 粘贴纤维复合加固法 构件加固方法 如果原结构截面受压区混凝土先于受拉区钢筋达到设计强度时 加固时混凝土应变为 则 加固后受压区高度 式中 加固前受压区高度 粘贴纤维复合加固法 构件加固方法 四 8体外预应力加固法 一 基本概念体外施加预应力加固结构 是一种人为主动加固的方法 由于预加力的作用 改善了原结构的应力状态 提高了原梁的承载能力和抗裂性 在外荷载作用下 体外预应力筋的伸长取决于两个锚固点间梁体的总变形 体外预应力筋的应力 取决于梁体变形的发挥程度 在一般情况下 极限状态时体外预应力筋达不到材料强度设计值 体外预应力加固法 构件加固方法 表现特点有 张拉体外预应力钢筋后 会使原结构中的预应力产生二次拉损失 张拉体外预应力钢筋后 原结构混凝土产生弹塑性变形及发生混凝土收缩 徐变 导致预应力损失 体外预应力筋的应力取决于混凝土变形发挥的程度 低标号混凝土的变形值大 在一般情况下 极限状态时体外预应力筋的应力值达不到材料的设计强度 其应力与梁的高跨比 混凝土的等级 梁的配筋率 预应力筋和非预应力筋 有关 体外预应力加固法 构件加固方法 我国颁布的 无粘结预应力混凝土结构技术规程 jgj 2004 中规定 体外预应力筋的受弯构件 在进行正截面受弯承载力计算时 体外预应力筋和应力设计值为 且式中 有效预应力值 抗性标准设计值 体外预应力加固法 构件加固方法 二 计算内容需要计算持久状况下的承载能力极限状态 正常使用极限状态 持久和短暂状态下的应力 计算转向构造的承载力和抗裂性 锚固区的承载能力和抗裂性 持久状况下其他局部构件的承载能力 体外预应力加固法 构件加固方法 8 2 3持久状况承载能力极状态计算1 正截面抗弯承载力计算 8 2 3 2 式中漏掉受压区钢筋矩一项 应为 体外预应力加固法 构件加固方法 2 斜截面抗剪承载力计算与 jtgd62 2004 相关内容相同 只是加入了体外预应力的作用 3 转向装置计算抗剪承载力 抗拉承载力 局部承压承载力计算 体外预应力加固法 构件加固方法 8 2 4持久状况正常使用极限状态计算1 受弯构件按全预应力 a类 b类分别计算 2 预应力损失考虑 转向块和锚固构造管道的磨擦损失 锚具变形 筋 束 回缩和接缝压缩损失 分批张拉引起的混凝土弹压损失 钢筋板驰损失 体外预应力加固法 构件加固方法 体外预应力加固法 构件加固方法 3 抗裂性验算1 正截面抗裂性验算2 斜截面抗裂性验算3 转向装置与原结构结合面的裂缝宽度验算4 b类构件 正常使用极限状态下的裂缝宽度验算4 正常使用极限状态下的挠度计算 8 2 5应力计算需要计算使用阶段正截面混凝土的法向应力 斜截面混凝土的主压应力 原梁受拉区的预应力钢筋的拉应力 体外预应力筋的拉应力 不同预应力类型 按不同截面几何性质 考虑不同的预应力作用值 损失不相同 分别进行计算 并使应力满足不同限制要求 三 构造要求为了满足受力分析要求 便于施工 弥补意外荷载发生 以已往积累的经验在构造上作出诸多要求 体外预应力加固法 构件加固方法 五 9改变结构体系加固法 一 目的 这是采用改变结构受力图式 使外荷载在结构内的传递 分布发生改变 达到原结构的截面内力发生改变或转移 使受力控制截面得到缓解 从而提高了结构的承载能力 稳定性及结构刚度 达到了加固的目的 例如 1 简支梁增加八字撑 成为为斜腿刚架 增加桥墩变成连续梁 2 多孔简支梁将墩顶断缝给予弥合 变成连续梁桥 3 连续梁桥进行墩梁固结 成为连续刚构桥 改变结构体系加固法 构件加固方法 4 拱桥 轻型拱 增加斜拉索成为斜拉拱桥 5 连续梁桥 连续刚构桥增加矮塔拉索成为矮塔斜拉 6 钢桁 箱 梁桥 增加缆索成为自锚式吊桥 或增加斜拉索成为矮塔斜拉桥 7 t型刚构桥封闭铰支承 成为连续刚构桥 8 斜拉桥 吊桥相互增加缆索或斜拉索成为索拉组合结构 9 中承式 下承式拱桥增加系杆承受推力 成为无推力或少推力的系杆拱桥 改变结构体系加固法 构件加固方法 二 条件 每一个需要加固的桥梁其病害程度不同 产生病害的成因各异 桥位地形 地质 水文 气象 人文环境 自然环境 经济条件等均不相同 所以 每一个桥都要依实际条件 进行综合分析后再决定加固形式 其技术条件需考虑 1 采用方案实现中的结构分析能力 一般病害桥梁结构分析比新建桥梁复杂得多 材料变异 结构弱化 边界条件的改变 施工及使用的损伤 缺失等给结构分析带来了各式各样 各不相同的改变 需要一一调查清楚 并且通过试验来确定设计参数的取值 建立可靠地分析模型 改变结构体系加固法 构件加固方法 通过改变结构体系 增加新的构件 使之形成材料各异 刚度不一的新老组合构件 需要重新认识其传力路径和承载能力 以便建立新的分析模型 在实现的过程中 由于材料 机具 技能 自然条件等差异 又会不断发生变化 往往会使已经安排好的经过周密结构分析的施工步骤发生改变 因而 必须要对过程作出多个可靠地备用方案 以便在执行中不断跟踪分析 改变结构体系加固法 构件加固方法 2 完成加固过程的施工能力 施工是完成设计达到目标的过程 其影响因素很多 施工技术力量及对设计理解的程度 操作工人的技能及专业素质的高低 材料品质及施工机具 设备条件 自然环境 人文环境的优劣 资金支持的程度 旧桥的加固施工比建新桥要复杂得多 保证质量可靠的困难程度要大得多 应对突发事件的概率要高得多 改变结构体系加固法 构件加固方法 3 要有坚强地高水平管理机构 技术管理 资金保证 内外协调等是完成任务的组织条件 总之 改变结构体系加固桥梁的技术难度大 风险性高 要求的技术能力 操作水平远远超过新桥建设 改变结构体系加固法 构件加固方法 技术条件 设计 施工投入到第一线的技术力量和人员素质 1 自然条件 方案对水文 地形 地质 气温风雪 海潮等自然条件的适应和利用程度 2 人文 社会条件 交通管制状况 群众对桥型的认可程度 当地风裕习惯 原桥形式的社会地位 标志等 3 经济性 加固后的使用年限 社会影响的大小与投入资金的比率 4 在确定所采用的构结形式时 必须要作多方案选择 结合以下条件确定 改变结构体系加固法 构件加固方法 构件加固方法 改变结构体系加固法 某桥实例 一 构件加固方法 改变结构体系加固法 某桥实例