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桥梁病害及加固设计方法超强图文详解
RSS 打印 复制链接 发布时间:2019-12-04 15:01:17

桥梁工程同新建相比,改建可节省大部分资金。合理利用原有主体结构,改变功能配置、改善空间质量、扩大功能空间等,可以减少开发商的初期投资费用(包括拆迁费、土建费等)、缩短建设周期,体现较高的经济价值。目前桥梁加固设计与计算方面的研究还相对滞后,有些方面甚至连公认的算法都没有,使设计者感到难于动手。 

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桥梁加固设计师除了有扎实的专业知识外,最好既有相当的设计经验,又有相当的施工经验,所完成的设计施工图才较合理、可靠、现实、施工质量容易保证、修改变更少、造价合理、加固效果好,不仅能治“标”,能治“本”的尽量治“本”。

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如果只有施工经验,所出加固方案及施工图,可能缺乏对结构系统地受力分析及病害成因及趋势分析,往往该加固的部位加固不够或太多,不需要加固的地方也加固,造成多花了钱,加固效果还不好。很多设计者在加固材料的用量上比较随意,凭经验、凭感觉用材料的人不少,是否浪费材料或是达不到最好的加固效果,自己不清楚,业主更不知道,大多没有作加固计算,有的高资质设计单位也只对加固前的结构作些复核性计算,最多作加固后的承载力计算。但大家知道构件的病害往往在正常使用阶段中表现出来,承载能力主要说明构件是否安全,能安全使用的构件并非就没有病害,因此还要作截面上各材料的应力强度计算,才能反映出构件是否有病害、程度如何及发展趋势。

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“应力强度计算是反映构件病害的必要依据,承载能力计算是构件安全使用的最后保障”两者均不可缺。现实加固计算中,常出现承载能力极限状态满足要求,但构件确实存在许多病害,于是一种做法是加大车辆设计荷载使承载力不满足要求,但又缺乏可靠的超载资料;另一种做法是根据各种病害及程度通过一些算法得出各种折减系数,对承载力进行折减,以说明构件不满足承载力要求,构件加固后又补足大于等于被折减的承载力,这种做法虽有一定科学依据,但也有不少人为评判因素,同样不能反映控制截面上各种材料的工作状况。

桥梁加固设计计算应该既作截面上各材料的应力强度计算,也作承载力计算,由于材料的应力强度往往优先控制设计,再加上承载力计算中有时要用到应力计算的结果,因此先作应力强度计算,后作承载力计算,两者均应符合要求。

桥梁上部结构病害概述

以钢筋混凝土或预应力混凝土材料修建的各类桥梁占我国现役桥梁的绝大多数,由于各种原因,使用多年后,或多或少都出现一些病害,特别是近些年来许多地区交通流量增大及重车增多,桥梁出现的病害较多,相当一部分桥梁已到了不得不加固或者是不加固不让人放心的地步。

对于裂缝宽度的限制值,缝宽小于规范要求的,采用涂刷环氧胶封闭。缝宽大于规范要求的,若是非结构受力裂缝,则采用压力灌缝处理,若是结构受力裂缝,则不仅要治标,还要治本,采用各种加固方法来消除或部分消除裂缝产生的原因。

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1、钢筋混凝土整体现浇简支板桥

简支板桥是小跨径桥梁常用的结构型式,钢筋混凝土板桥的跨径常为5~13米,有空心板和实心板,施工方法有预制装配和整体现浇。预应力板桥的跨径常为10~20米,一般为空心板,预制装配的较多。

常见的病害有:

(1)跨中附近板底由下而上的竖向裂缝,一般有多条,静态裂缝宽度有可能超过规范限制值,有时还伴随着跨中下挠,表明抗弯能力已不足。

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(2)跨中附近板底纵向裂缝,一般也可能有多条,有的静态裂缝宽度也会超过规范要求,这很可能是设计图采用了预制装配的标准图配筋,施工时却改用现浇,将单向板变成整体式双向板,改变了板的受力方式,导致板底横向配筋严重不足,在横向弯矩作用下,引起板底产生纵向裂缝。 

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2、钢混及预应力混凝土预制装配简支板桥

常见的病害有:

(1) 装配式简支板可有桥面铰接缝处出现纵向裂缝,这主要是铰接缝施工质量差,造成各板块的整体性连接差; 

(2)也可有支座脱空现象产生,由于每块板的两端各有2个支座,每跨桥都有较多支座,如果施工时支座垫石标高有误差,或预制安装时板有翘曲,或墩台有不均匀沉降都会导致部分支座脱空;

(3)钢筋混凝土的简支板跨中附近板底有由下而上的竖向裂缝,缝宽有可能超过规定要求,或有跨中下挠,抗弯能力不足。

(4)板底出现纵向裂缝,预应力混凝土装配式简支板桥大多采用先张法施工,如果由于施工原因造成底板太薄,使得预应力筋周围混凝土局部应力过大,或者由于混凝土中的氯盐添加剂或者混凝土碳化造成钢筋生锈,均可能产生沿着钢筋的板底纵向裂缝。

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(5)一般的空心板在支承端附近不会出现剪切斜裂缝,但近几年来有的桥梁采用了单块宽度达1.5米甚至更大的大空心板,其实相当于小箱梁,腹板厚度不大时,边板的腹板上有可能发现斜裂缝。 

对上述各种病害可选的加固方法有: 

(1)对板底产生的纵、横向裂缝,当缝宽超过规范的限制时,均可采用粘贴钢板法或粘贴纤维复合材料法加固。但对解决跨中下挠的效果不好; 

(2)预应力加固法,在板底锚固多根平行的预应力细钢丝,张拉后覆盖特制混凝土(板底锚固多根预应力钢丝),或者设转向托架后折线形布钢束张拉,预应力钢索穿过两端板中斜孔锚固于铺装层下(折线形布置体外预应力索)。 

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(3)改变结构体系法,如简支板变连续板,小跨径板桥可在跨中或跨中附近增设桥墩或斜撑,采用“跨中增加支撑变简支为连续”,但应注意在中支点负弯矩区,应结合桥面改造,增设足够的受拉钢筋。以上两种方法对解决跨中下挠效果较好; 

(4)锚喷混凝土加固法,在板底锚固钢筋网后,喷射混凝土覆盖。其实质是增加板底配筋,类似于“

板底锚固多根预应力钢丝 ”图,只不过板底增加的是普通钢筋网; 

 (5)对桥面铰缝处的纵向裂缝,只有通过桥面改造来解决,如增加桥面横向钢筋布置,加厚铺装层等; 

 (6)对板桥支座脱空现象,可采用更换,加钢垫板,楔紧等方法解决。

3、钢筋混凝土及预应力混凝土连续板桥

钢筋混凝土及预应力混凝土连续板桥一般采用实心板截面或空心板截面,大多采用现浇施工,跨径在20米以下,预应力混凝土连续板跨径偏大些,一般采用后张法,有等高度的,也有变高度的。城市桥梁中的跨线桥、人行桥应用多一些。钢筋混凝土连续板的应用更多。 

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常见病害有: 

(1)筋混凝土连续板桥各跨中附近板底由下而上的多条竖向裂缝,横向有可能贯通,属弯曲裂缝,表明抗弯能力不够;

(2)筋混凝土连续板桥各墩顶处桥面开裂,桥下渗水,一般都横向贯通,裂缝可有一条到多条,可由活荷载引起,也可由墩台不均匀沉降引起,如图,说明负弯矩较大,支点截面抗弯能力不足。

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(3)各跨中附近板底出现纵向裂缝,类似于“整体式板桥跨中段板底纵向裂缝 ”图,要么是钢筋混凝土板底横向钢筋配置不足,要么是混凝土保护层太薄,预应力筋周围混凝土局部应力过大,或是混凝土中的添加剂等原因使钢筋生锈,导致沿钢筋产生裂缝;

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(4)跨中下挠,要么是施加的预应力不足,要么是跨中钢筋混凝土板底竖向裂缝过多过宽导致刚度降低,挠度增大。

上述病害可选的加固方法有:

(1)对板底裂缝,当缝宽超过规范要求时,可采用粘贴钢板或粘贴纤维复合材料法加固;

(2)对墩顶处桥面开裂,可采用在负弯矩区的混凝土铺装层内增设受拉普通钢筋或预应力钢筋,提高支点截面抗弯能力;

(3)预应力加固法,在板底设转向托架,按折线形布束张拉,此法对各种因受力产生的病害均有利,如下图:

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(4)改变结构体系法,如在跨中或跨中附近增设斜支撑,解决跨中下挠过大,或预应力不足,类似于下图,但应增强支撑截面负弯矩区的受拉钢筋。 

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4、钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁桥

钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁是所有运营中桥梁数量最多的梁桥,其断面形式常有T形、Ⅰ字形、箱形和各种形式的组合。钢筋混凝土简支梁的跨径一般在10~20米,预应力混凝土简支梁跨径一般在16~50米,少量有更大的。施工方式大多采用预制装配,少量采用现浇施工。由于呈肋板形截面,自重轻抗弯能力及跨径比板桥大,病害种类也要多些。

1)钢筋混凝土简支梁桥

常见病害有:

(1)跨中附近梁底由下而上的竖向弯曲裂缝,数量随跨径增大而增多,恒载裂缝宽度有可能超过规范限制值,有的还伴有跨中下挠过大;

(2)两支承端附近腹板上的斜向裂缝系主拉应力过大或腹板抗剪不足等引起的剪切病害,如图:

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(3)梁腹板上的竖向裂缝,多位于薄腹板的中部,中间宽两头细,未向上、向下延伸,多系混凝土养护差、或温度、或腹板上的水平筋太少等原因所致的收缩裂缝,主要影响结构的耐久性;

(4)桥面上沿翼缘板接缝处的纵向裂缝,较多发生在预制装配T梁桥翼缘采用铰接或横向联系受损较大的装配式简支梁桥。此种病害会造成恶性循环,加重单片梁的其他病害程度;

(5)其他施工原因产生的裂缝,这些裂缝在工程竣工前就能发现。

2)预应力混凝土简支梁桥

如果是按部分预应力混凝土B类构件设计的简支梁,钢筋混凝土简支梁有的病害它都可能有,只是程度不同而已,不再复述。但也与全预应力混凝土简支梁有一些共同的病害。对于全预应力及部分预应力混凝土A类构件正常使用条件下不允许出现裂缝,如果出现,不论缝宽大小都应找出原因进行处理或加固。

预应力混凝土简支梁不同于钢筋混凝土简支梁的其他常见病害:

(1)张拉锚具的锚下纵向裂缝,长度一般不超过梁高,主要为锚下局部应力集中产生的劈裂拉力所致;

(2)沿预应力钢束的纵向裂缝,主要为预应力钢束保护层过薄,钢束处局部应力过大产生劈裂或是混凝土保护层碳化后预应力筋生锈所致;

(3)跨中下挠过大超过规范容许值,跨中截面不一定开裂。主要为施加预应力不足或预应力损失过大所致。

上述各种病害可选的加固方法有:

(1)对梁底弯曲裂缝和沿预应力筋的纵向裂缝可采用粘贴钢板、粘贴纤维复合材料的方法加固,也可采用增大截面法加固,增加铺装层厚度,加大截面受压区面积对提高抗弯强度和刚度有利,但增加高度有限,同时也增加自重,如果增加梁底截面高度,实际上是增加配筋;

(2)对于腹板上的斜裂缝,可在与裂缝反向并近似与水平线成45°,即大致正交于斜裂缝的方向粘贴钢板或纤维复合材料,对梁高度矮,钢板或纤维锚固长度不足时,可粘贴成U形箍和加压条的形式,如图:

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(3)对于腹板上的收缩裂缝和锚固区的裂缝,视缝宽大小采用环氧胶封闭或灌缝处理;

(4)对桥面纵向裂缝,可结合铺装层改造增加厚度和横向配筋,或者增加或者加大横隔板;

(5)上述各种因受力引起的病害,均可采用体外预应力加固法,具体的做法有多种,如下图示意,此法的设计、施工复杂,但效果较好。

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(6)对病害较多,较重的某一单片梁,条件许可时,可割开横向联系更换增大刚度后的新梁,同时减少其它梁的荷载分布。多数情况下边梁病害较重,如图:

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5、钢筋混凝土及预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥

连续梁桥及悬臂梁桥的截面形式常有T形、I形和箱形,跨径30米以上的大多采用箱形,并采用变高度的不等跨梁,等高度的钢筋混凝土连续梁一般跨径在30米以下,变高度的钢筋混凝土连续梁或悬臂梁一般跨径在50米以下,跨经偏大仍采用钢筋混凝土材料的此类桥梁比较费材料,而且桥面负弯矩区易出现横向裂缝。等高度的预应力混凝土连续梁一般跨径在60米以下,而变高度的预应力混凝土悬臂梁跨径大多100米以下,但100米以上也是常有的,连续梁跨径大多在200米以下,但200米以上也是常有的。这类桥梁在跨越障碍物或城市立交桥中较多采用,不论跨径大小均容易出现各种病害。

常见病害有:

1)钢筋混凝土及预应力混凝土悬臂梁

(1)悬臂梁牛腿端下挠过大,常有墩顶桥面开裂。主要是悬臂部分刚度不够,尺寸偏小,超重车影响,或者是纵向预应力损失较大,施工质量差等造成;

(2)悬臂梁牛腿处局部裂缝,如下图,原因主要是配筋不足,高度偏小,温度影响或者是挂梁与牛腿连接不顺,形成跳车,局部冲击过大等所致;

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(3)如果悬臂梁的锚固孔跨径过大,在尺寸偏小或配筋不足时,很有可能出现跨中下挠或跨中梁底竖向裂缝;

(4)预应力筋锚固齿板后的斜向裂缝,这是所有预应力箱梁可能出现的病害,如下图,主要是齿板附近应力集中过大,普通钢筋配置偏少、预应力束锚固过于集中等引起。

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(5)箱梁顶、底板纵向裂缝,如下图,主要是顶、底板横向弯矩过大,无横向预应力、箱梁横向弯曲空间效应、板厚偏小,横向配筋不足,箱梁内外温差过大产生温度应力等原因所致;

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(6)箱梁顶、底板梗腋处的纵向裂缝,顶板梗腋处主要是该处有大量预应力纵向钢束通过,局部应力过大,或者是箱梁的正剪力滞效应考虑不足,或者是偏心荷载下箱梁畸变扭转引起腹板上下端局部应力过大等所致;

(7)箱梁腹板中部的竖向裂缝,常发生在脱模2~3天内,上下没有延伸,施加预应力后大多会闭合,这主要与混凝土收缩或箱梁内外温差或腹板水平筋不足,或混凝土混合料质量有关;

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