桥梁上部结构加固

华南理工大学土木与交通学院黄培彦2013年1月 公路桥梁维修加固与改造技术 目录 一 桥梁加固技术指南1加固的基本原则与加固程序2加固设计方案的比选原则与要求3桥梁加固技术经济指标论证分析方法与评定原则4加固方法5加固效果评价方法 一 桥梁加固技术指南 1加固的基本原则与加固程序1 1基本原则 1 尽量减少对原结构的损伤 2 技术可靠 具有长期加固效应 能满足结构耐久性要求 3 施工设备简单 施工操作方便 4 材料用量少 费用低 5 养护工作量少 6 加固施工时尽量不中断交通 7 加固设计应与施工方法紧密结合 8 加固设计应进行承载力验算 9 加固施工对新发现缺陷的处理 加固设计应按下列原则进行承载力验算 结构的受力计算应根据加固后结构的实际应力情况和实际的边界条件进行 关于结构的截面积计算 保留的构件采用基于检测结果的截面积计算 新增构件采用实际有效截面积 并考虑结构在加固后的实际受力程度及加固部分的应变滞后特点 以及加固部分与原结构协同工作的程度 加固后使构件重量增大时 应对被加固的相关构件及基础进行验算 1 2加固程序 1 桥梁现状评价 2 加固工程可行性研究报告 3 加固工程施工图设计 4 加固工程施工 监理招标 5 施工组织设计 6 施工 7 验收 1 桥梁现状评价 使用功能评价 技术标准 构件完好程度 桥梁养护状况及意外事故分析承载能力评价 原结构复算 基于检测结果的承载能力评定 荷载试验鉴定 2 加固工程可行性研究报告 概述 桥梁现状评价及发展环境 交通量预测 加固技术标准 建设条件与加固方案选择 投资估算及资金筹措 实施方案 经济评价 问题与建议 桥梁现状评价及发展环境 原设计概况在交通运输网中的作用存在的问题基于检测结果的使用功能评价基于检测结果的承载能力评价加固的必要性和紧迫性 交通量预测 拟加固桥梁所在地区的经济特征桥上通行车辆调查及分析相关路线交通量调查与分析交通量预测思路与方法加固期交通量预测加固后交通量预测活载折减系数的确定 7 验收 一般规定 桥梁加固工程只分为竣工验收一个阶段竣工验收工程质量等级分为合格和不合格竣工验收工程质量评定采用100分制验收条件 试运营1年后对加固工程已进行全面检测竣工决算 审计已完成各参建单位完成工作报告工程质量评定 加固工程竣工验收工程质量采取加权平均法计算得分 质量监督部门根据施工过程中的抽检资料评定得分权值为0 3 竣工验收工程质量鉴定得分权值为0 7 2加固设计方案比选原则与要求 2 1比选原则结构检算分析简单 构造措施合理 设计经验成熟 施工过程中粉尘 噪音 废弃物等对环境影响小 施工难度小 工艺成熟 质量和工期易于控制 施工过程对人身安全 行车安全和结构安全影响小 工程费用经济合理 加固后结构耐久性好 后期养护费用少 2 2比选要求 各加固设计方案应进行同等深度的比选 针对上述比选原则 要求列表进行综合比选 3桥梁加固技术经济指标论证分析方法与评定原则 3 1一般规定 为项目决策提供依据 本办法适用于桥梁加固工程中的大中型项目 宏观经济分析与微观经济分析 技术经济评价采用加固费用系数和加固寿命系数 3 2桥梁改造的宏观经济分析 1 客货运输成本损失 2 客货运输时间损失 3 附近相关道路的拥挤损失 4 车辆绕行里程增加导致的绕行损失 5 事故损失 桥梁改造的宏观经济费用 1 2 3 4 5 3 3桥梁改造的微观经济分析 1 收费公路上桥梁由于车辆绕行或限速造成的收费损失 收费损失 日平均收费损失额 施工工期 2 桥梁加固或新建工程费用 完成该技术标准加固或新建方案的投资估算 依照有关定额进行 新建方案还应包括拆除桥梁构件所涉及到的费用 桥梁改造的微观经济费用 收费损失 工程费用 3 4桥梁加固技术经济评定原则 加固费用系数 加固费用 新建费用加固费用 宏观经济总损失 微观经济总损失新建费用 宏观经济总损失 微观经济总损失加固寿命系数 桥梁原设计使用寿命 桥梁已运营时间 桥梁原设计使用寿命 评定原则 加固技术经济确定原则为 加固寿命系数 n2时 加固费用系数 n1 桥梁上部结构加固常用方法 1 粘贴钢板加固技术 2 FRP粘贴加固技术 3 增大构件截面加固技术 4 体外预应力加固技术 5 改变结构体系加固技术 6 增设主梁加固技术 7 增强桥梁整体性加固技术 8 裂缝修补加固技术 二 桥梁上部结构加固改造技术 1 粘贴钢板加固技术1 特点及适用范围受力特点 将钢板或钢筋粘贴于构件受拉部位或者薄弱部位的面层 使其与结构形成整体 共同承受荷载 原结构的恒载内力由原构件承担 新增钢板或钢筋只承受粘贴加固后的荷载产生的应力 一般情况下 由于加固前一期恒载等作用 原构件混凝土及钢筋的应力 应变已经有了相当的储备 在加固后的二期恒载及活载作用下 原构件混凝土及 钢筋的应力 应变积累值往往大于在新增混凝土及钢板或钢筋内产生的相应值 使得原构件的钢筋达到破坏时 新增钢板或钢筋的强度还达不到充分发挥 只有当原受拉钢筋屈服后 新增钢板或钢筋的应变 应力才迅速增加 此外 受压区混凝土的压应力也是主要的控制因素 实际上 运营中的桥梁无论是受弯构件 还是大偏心受压构件 混凝土受力裂缝过多 过宽 并不一定就是承载能力不足 往往是正常使用状态下混凝土的正拉应力或主拉应力过大 造成了截面受拉边缘横向裂缝或腹板斜向裂缝 产生这一病害的原因很多 如截面尺寸不足 材料强度不合格 钢筋配置偏少 混凝土强度不足 超载等等 但一般只有在使用荷载下受拉钢筋配置偏少时才适合采用粘贴附加物 如钢板 钢筋及各种纤维增强复合材料 加固 其他特点 略 优点 简单 快速 施工较方便 缺点 易腐蚀 需长期养护 增加构件自重 价格偏高 加固部位受限 适用范围 粘贴钢板加固法是将4 8mm厚的钢板粘贴于构件受拉区表面 再进行防锈处理 如果是先凿开旧钢筋的混凝土保护层 露出一部分主钢筋 将新增钢筋焊接于旧主钢筋上 再浇筑小石子混凝土或砂浆将所有的钢筋保护起来 也属此类 主要适合于以下情况 1 现行使用荷载下 原受弯构件或大偏心受压构件受拉主筋或斜筋配筋不足 如果是超筋梁构件 则应同时增加受压区面积 如增加桥面厚度等 2 原构件受拉主钢筋严重腐蚀或受损 3 为增加构件的抗裂性和刚度 4 提高偏心受压构件的承载力 对构件进行封闭围套包钢加固 但对小偏心受压构件不适宜采用单边粘钢加固 适用范围 2 材料要求 钢板 3 16Mn 砼 粘胶剂 3 加固设计 钢筋砼或预应力砼受弯 大偏心构件 主要计算内容 4 施工要点 主要工序 梁底及支承端附近粘贴钢板 梁底及支承端附近粘贴纤维片材 2 粘贴FRP加固法 1 特点及适用范围受力特点 将纤维增强复合材料 简称FRP 粘贴于构件受拉部位或者薄弱部位的面层 使其与结构形成整体 共同承受荷载 原结构的恒载内力由原构件承担 新增FRP只承受粘贴加固后的荷载产生的应力 通常由于加固前一期恒载等作用 原构件混凝土及钢筋的应力 将FRP粘贴于构件受拉部位或者薄弱部位的面层 使其与结构形成整体 共同承受荷载 原 结构的恒载内力由原构件承担 新增FRP只承受粘贴加固后的荷载产生的应力 通常由于加固前一期恒载等作用 原构件混凝土及钢筋的应力 应变已经有了相当的储备 在加固后的二期恒载及活载作用下 原构件混凝土及钢筋的应变积累值往往大于新增混凝土及FRP的应变 使得原构件的钢筋达到屈服时 新增FRP的强度还达不到其抗拉强度 粘贴FRP加固构件与粘钢加固又有所不同 因纤维的弹性模量与混凝土及钢材的弹性模量有所不同 相当于混凝土截面内由三种材料复合而成 由于加固常用的碳纤维 芳纶纤维和玻璃纤维片材的抗拉强度远大于钢材的抗拉强度 一般情况下要让原受拉钢筋达到屈服后 FRP的高强度才能发挥出来 这其中受压区混凝土及原配受拉钢筋是否破坏起着控制作用 设计时应考虑分阶段受力的特点 适用范围 粘贴FRP 主要指碳纤维 CFRP 芳纶纤维 AFRP及玻璃纤维 GFRP 加固混凝土结构是将厚度为0 111 1 2mm的纤维板或纤维布通过配套粘结材料粘贴于构件的表面 使FRP承受拉力 并与混凝土变形协调 共同受力 类似粘钢加固 主要适合以下情况 1 现行使用荷载下 原构件受拉主筋或斜筋配筋不足 如果是超筋梁构件 则应同时增加受压区面积 如增加桥面厚度等 2 原构件受拉钢筋严重腐蚀或受损 3 为增加构件的抗裂性 4 被加固构件的实测混凝土强度等级不得低于C20 截面纵向受力钢筋配筋率大于 公桥规 规定的最小配筋率的钢筋混凝土构件 并且加固后其正截面抗弯承载力提高幅度不应过大 2 材料要求 纤维材料 砼 粘胶剂 3 设计内容 可对以下构件进行加固 1 在梁 板受弯构件的受拉区粘贴FRP 使纤维方向与加固处的受拉方向一致进行抗弯加固 2 采用封闭式粘贴 U型粘贴或侧面粘贴 纤维方向与构件轴向垂直进行抗剪加固 3 采用封闭式粘贴 纤维方向与构件轴向垂直对受压构件进行加固 4 施工要点 主要工序 优点 1 高强 高效 高强度 高弹模 提高承载力和延性 改善受力性能 2 耐腐蚀及耐久性 化学性质稳定 3 不增加构件的自重和体积 质量轻 厚度薄 4 适用面广 纤维布为柔性材料 5 施工方便 不需大型施工机械 施工场地少 6 价格适中 存在的主要问题 1 纤维布 弹性阶段的工作性能提高幅度不大 一般需粘贴2 3层 导致界面多 粘结胶用量大 施工时间较长 2 纤维板 施工性不好 材料规格少 3 碳纤维 价格较贵 4 核心技术 无自主知识产权 华南理工大学交通学院 广州 新型FRP片材 纤维薄板加固技术简介 纤维薄板 Fiberlaminate 新型FRP片材 碳纤维 芳纶纤维 玻璃纤维 发明专利号 ZL200410026742 8 集纤维布和纤维板两者的优点于一身 不需要粘贴多层 厚度等尺寸可自由变化 柔软性好 施工方便 周期短 成本低 能灵活应用于混凝土结构的抗弯 抗剪 抗压加固 工程应用实例 加固方案与施工工艺 预应力纤维薄板加固 预应力纤维薄板加固 3 增大截面加固法 1 受力特点及适用范围受力特点 增大截面法加固受弯构件及大偏心受压构件的核心是增加受拉区的钢筋和增大受压区面积 从而增大抗弯惯性矩 提高构件的抗弯刚度及强度 由于增加构件的宽度对加固效果较差 有条件时尽量少增加或不增加构件的宽度 多增加高度 增大截面法加固小偏心受压构件时 可全截面增大面积 但还是以增加偏心压力方向的尺寸为主 并增配受压 受拉钢筋 增强构件的刚度和强度 从而提高承载力及稳定性 偏心受压构件在拱式桥 桁架式梁桥及其下部结构较为常见 纯轴心受压构件在桥梁上较为少见 就算恒载作用下为轴心受压 活载作用下也往往会偏心 此外对桁架构件 由于节点次弯矩的影响也会造成偏心 增大截面加固法也属于被动加固法 构件原截面要承受加固前本身的自重及因增大截面产生的自重作用 截面拉 压边的混凝土及钢筋已有初始应力或应变 加固后的总截面中 新增部分只承受加固后的荷载作用 而原截面则要承受加固前 后的恒 活载作用 截面拉 压边的混凝土及钢筋应力也分为两次叠加 适用范围 增大截面法加固构件时 对受弯构件来说增加抗弯刚度的效果好 但增加的尺寸有限 且应当合理选择 对偏心受压构件来说 在增加强度 刚度 稳定性方面效果都较好 但有一共同的缺点是新增混凝土会增加原构件的负担 养护时间长 浇筑不便 工期相对长些 如果全跨增加重量较多 如拱桥加固 还要考虑下部结构及基础的承受力是否满足 主要适合于以下情况 1 使用荷载下 原构件的抗弯或抗剪强度不足 或刚度不足 如果是超筋梁构件 则应避免加大截面后仍是超筋梁 2 使用荷载下 受压构件强度 刚度 稳定性不足 3 墩柱的主钢筋外露 锈蚀 混凝土空洞或破碎 墩柱倾斜 4 拱圈因施工质量造成主筋外露 混凝土空洞 破碎 强度不够等缺陷时 2 材料要求 钢筋 砼 3 加固设计 钢筋砼或预应力砼受弯 偏心构件 主要计算内容 4 施工要点 主要工序 增大截面加固法优点 经济 工艺较成熟 缺点 增加构件自重 减少使用空间 工期较长特别需要注意 钢筋的焊接 新旧混凝土面的结合 4 改变结构体系法 1 简支梁改连续梁法 2 多跨简支梁改桥面连续简支梁法 3 增加辅助墩法 4 八字支撑法 5 梁式桥转梁拱组合体系法 6 钢索斜拉加固法 7 桥改为涵洞法 5 预应力加固法 1 受力特点及适用范围受力特点 预应力加固法属主动加固法 有体外预应力加固法和体内预应力加固法 体外预应力是将预应力钢材布置在原加固构件的混凝土体外 或者是为了保护预应力钢材 张拉后浇筑或喷射混凝土覆盖 构件截面尺寸虽有增加 但新增混凝土部分并无预加力作用 若预 应力筋与混凝土为无粘结形式 相当于对原构件施加外作用力后 再用钢筋混凝土增大截面 或者是先布置无粘结预应力筋 浇筑混凝土覆盖后再对新 旧混凝土施加预加力 相当于用预应力混凝土增大截面 也属体外预加力的性质 体内预应力有两种情况 一是在截面受拉边体外布置预应力筋 增大截面覆盖混凝土并待新增混凝土达强度后再对新 旧混凝土施加预应力 而后对预应力筋孔道灌浆 预应力筋与混凝土是有粘结的 但同一截面高度处新 旧混凝土及钢筋的应力并不相同 应分阶段计算应力强度 相当于用预应力混凝土增大截面 承载力计算时与新桥设计时一样 二是先张拉预应力筋后覆盖混凝土 新混凝土虽然没有预加力 但与预应力筋有粘结 相当于对原结构施加 预应力后 再用钢筋混凝土增大截面 其受力性能和计算方法与增大截面加固预应力混凝土结构大致相同 只是加固时张拉阶段的截面各材料应力要计入体外预加力的作用 以上两种情况时 新 旧混凝土的结合是相当讲究的 总之 体外预应力与体内预应力的主要区别在于后加预应力筋是否与混凝土有粘结 体外预应力加固桥梁的目的是利用预加力产生的内力来抵消结构控制截面的部分或全部恒 活载内力 由于受到原结构尺寸 外形 体外布索及锚固条件 现场施工条件等等的影响 以及体外预加力的副作用 如增大受压区混凝土的负担 在超静定结构中产生对非计算截面不利的次内力等影响 所以体外预加力不可能施加得太大 一般是抵消部分恒 活载内力 采用加固普通钢筋混凝土构件 加固后的构件可成为各种预应力混凝土构件 可按偏心受压构件计算应力强度及承载力 采用体外预应力加固预应力混凝土构件 相当于对原构件补加预应力 加固后的构件可为全预应力或部分预应力混凝土构件 也可按偏心受压构件计算应力强度及承载力 总之 体外预应力加固桥梁结构的实质是对控制截面进行卸载 是一种较有效的主动加固方法 而前几节的粘贴附加物和增大截面加固法均属被动加固方法 该方法自重增加很少 却能够大幅改善和调整原结构的受力状况 提高承重结构的刚度和抗裂性能 对墩台及基础的受力影响很小 同时对桥梁运营影响也较小 可大大减少交通损失及交通维护费用 体外预应力加固方法虽然效果较好 但也有其适用条件 且设计及施工都较前几种方法复杂些 技术要求也更高些 适用范围 1 使用荷载下 原受弯构件抗弯 抗剪强度不足 或刚度不足 裂缝过多 过宽