装配式钢筋混凝土梁式桥梁的病害及加固设计.pdf

2 0 1 3 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与 防洪 管理施工 2 6 7 装配式钢筋混凝土梁式桥梁的病害及加固设计 李剑 清 ( 上海城西城建工程勘测设计院， 上海 2 0 1 1 9 9 ) 摘 要： 该文首先分析了装配式钢筋混凝土梁式桥梁的病害表现形式及其形成的原因； 接着提出若干改进工作的建议 ； 最后就加 大截面、 改变结构体系、 粘钢加固、 纤维复合材料加固及体外预应力加固等桥梁加固技术作了阐述。 关键词： 装配式钢筋混凝土梁式桥 ； 病害形式； 形成原因； 改进工作建议 ； 加固技术 中 图分类号 ： U 4 4 5 ． 7 文献标 识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 — 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 8 — 0 2 6 7 — 0 3 1 概述 我国公路与城市桥梁中钢筋混凝土桥梁 ， 特别 是梁式桥， 一直是我国桥梁的主要结构形式 ， 上海 地区也有共同之处 ， 今后还将如此。 在我国已建造 的桥梁 中， 9 5 ％以上为钢筋混凝土梁式桥 ，混凝 土 综合技术( 材料 ， 设计 ， 建设 ， 养护 ) 的范畴 ， 对公 路 、 城 市桥梁建设持续发展 的重要性可想而知 。钢 筋混凝 土梁 式桥 ， 跨 径在 1 0 m 以下时 ， 多 采用装 配式 普通 钢筋混凝 板梁 ( 实心板 或空 心板 ) ； 当跨 径在 1 0～2 2 m之 间时 ， 多采用 装配 式 的( 先 张或 后张 ) 预应力混凝土空心板梁 。预应力混凝土空心 板梁也有跨径达到 2 5～3 0 m的案例 ( 现上海地 区 基本 限制 2 0 m以上 的跨径采用板梁 ， 而基本采用 小箱梁或 T梁的结构形式) 。T梁结构具有相对优 势的经济指标 。 钢筋混凝土梁式桥结构方案确有明显的因地 制宜 ， 适应性强的优势 。混凝土是一种很 特殊 的建 筑材料 ， 它抗压强度高， 抗拉强度低 ， 故引入了抗 拉强度高 的高强钢材 ( 普通钢筋 ， 预应力钢筋等 ) ， 使混凝土和高强度钢材共同作用，发挥各 自的潜 力和优势。但同时， 由于混凝土材料的应力 一应变 关 系既非弹性又非真正 意义 的塑性 ，受环境 条件 如温度， 湿度等的影响大； 而且具有令人难以琢磨 并精 确计算的时变特性 ，使得 混凝土结构设计 变 得异常复杂，对混凝土和钢材的共同作用及其组 合作用的精确分析变得很难。 钢 筋混凝土结构 的设 计理论经历 了 以经验 为 主的容许应力设计阶段后采用概率理论为基础的 极限承载能力设计方法。而 目前正在采用的可靠 度理论为基础的以分填系数形式表达概率极限状 态的设计方法 ，力求将影响结构可靠性的因素视 收 稿 日期 ： 2 o 1 3 — 0 5 — 0 3 作者简介： 李剑清( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 上海人， 硕士研究生， 工程师 从事市政桥梁工程设计工作。 作为随机变量。以实测调查资料和实验数据为基 础 ， 运用统计数学的方法 ， 确定结构的失败概率来 度量结构的可靠性 。力求在承担 的安全度耐久性 等方面的风险与结构规划设计、 养护 、 运营等各阶 段上的综合的经济投人之间取得平衡 ，并通过设 计基准期 的设定建立桥梁全寿命 的理念 。 按裂缝的性质及其对结构的危害程度， 裂缝可 分为结构性裂缝和非结构性裂缝两大类。结构性 裂缝 由于涉及到结构 的安全性 ，必须予 以充分 的 重现。非结构性裂缝虽不直接影响到结构安全度 ， 但会影响结构的正常使用使人们产生不安全感 ， 也会影响到结构的耐久性 ， 所以应加以控制。如从 结构受力的角度看 ， 还是允许普通的钢筋混凝土的 建筑， 养护和使用过程中还会出现一些表面的温度 裂缝 、 收缩裂缝 ， 因为想完全避免是很难 的。 2 病害及其原因分析 近年来上海地区公路与城市桥梁相继出现了 一 些病害 ，虽不直接影 响到结构 的安全度或 承受 能力， 但会影响到结构的正常使用。 2 ． 1病害表现 形式 病害的主要表现形式 ：混凝土结构出现破损， 剥落使钢筋暴露， 蜂窝， 麻面， 非结构性开裂 ， 钢筋 锈蚀或腐蚀 ， 渗水等； 或由于支座或伸缩装置的损 坏， 间接引起混凝土结构破损。桥路铺装层在早期 损害是铺装层开 裂 ， 桥面出坑 ， 松散坑槽 ； 以及水损 害等， 均号称结构性破损。 总之铺装损坏时多种损坏 类型同时发生 ， 又相互作用而加速损坏的发生。 损坏 后在水的侵蚀作用下， 导致桥面铺装大面积的破损。 2 ． 2 标准形式种类 多 前几年几个版本的汽车荷载等级相对较低 ， 但 按这些汽车荷载标准修建的桥梁在我国的二、 三、 四级公路上还大量存在，加上近几年汽车的造价 观还不能避免 ，由此产生的桥梁病害现象 比较突 出。此类桥梁出现的病害往往事先无先兆， 近年来 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 8 管理施工 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 8 月第 8 期 上海交通部门已投入经费加固改建或拆除重建。 2 ． 3 结构设计因素 设计理念 ，人们认识客观世界需要一个过程， 对未来的预期也有过程 ，对桥梁结构 的力学 特性 探索也需要一个过程，还有过于追求结构的数值 指标，单纯地为达到国内国际领先水平而使结构 某方面的构造过于单薄而导致出现病害。近年来 我 国桥梁建设快速发展 ，但桥面铺装 的设计 与施 工仍沿用传统的习惯做法。在桥梁结构设计时， 对 桥面铺装一般不作专门的计算分析。但随着交通 发展和车辆的增多，桥面铺装层是个受力复杂的 结构体系，各种类型的主梁及铺装层的构造均影 响其应力分布。因此， 应根据桥梁结果受力状况对 铺装层进行受力计算。 2 ． 4 技术储 备不完善 。 基础不够深入 设计构造时对某些层面认识不足， 缺少总体把 握措施 ， 仅能简单地模仿国内外已建的类似项 目， 予以设计施工。而对其关键技术并没有理解， 缺乏 解决问题 的能力 ， 只会硬套标准规范 ， 有时甚至不 顾标准规范中技术规定的适用条件 ， 适用环境 ， 以 及设计结构的特殊要求 ，如对混凝土结构的环境 使用条件和耐久性的认识不到位⋯等等。 2 ． 5 施工质量欠佳 良好的设计质量尚需要通过严格的施工及其 质量管理才能实现， 如桥梁上部结构安装精度差， 结构反拱准确性差 ， 造成铺装层厚薄不均， 也有梁 顶水泥浮浆清理不彻底造成主梁的铺装层结合不 好⋯等等。 目前 由于施 工未能实现设计意见而 出现病害 的情况不在少数。其中中小跨线桥梁的结构性病 害具体体现在以下几个方面。 ( 1 ) 梁板结构在横 向联系附近区域沿纵向开 裂， 主要原因为板与板之间横向联系较弱 ， 顶梁横 隔板数量少 ，桥面现浇混凝土与预制梁体没有形 成整体等 。 ( 2 ) 支座、 伸缩缝装置的损坏间接引起支座伸 缩缝装置附近区域混凝土的损坏。 ( 3 ) 其 它病害 ， 如板底 出现纵 横 向裂 缝 ， 混凝 土剥落， 桥面铺装开裂 ， 剥离， 普通钢筋， 预应力筋 产生腐蚀， 表层混凝土发生碳化 ， 支座脱落 ， 钢材 布置不合理引起支点附近弯剪破坏 ，斜交板呈锐 角破坏等。 3 建议 钢筋混凝土桥式为我国桥梁建设的主流结构 型式， 今后也将是如此 ， 对此提出如下建议。 ( 1 ) 目前我国桥梁结构在设计方面的突出问题 是以往建设的桥梁的汽车荷载标准等级没有跟上 汽车荷载 向重型重工化发展 的趋势与 客观存在 的 超载现象。不能用存在就是合理的， 去默认非法现 象存在 的合理合法性 。而应进一 步禁 止大轴重 的 汽车， 以确保设计安全、 施工可靠的结构。 ( 2 ) 加强混凝土结构 的耐久 性设计 ， 应进一 步 深化桥面设计耐久性 ；应先确定结构设 计使用年 限、 环境类别及其作用等级。设计选择合理的结构 形式 ，按耐久性需要对混凝土和钢筋等提出质量 要求 ， 根据耐久性要求确定混凝土保护层厚度 ； 采 取桥面排水等构造措施 ，根据工程特点和具体环 境条件提出混凝土裂缝控制要求 ；将各个环境作 用因素均用定量公式来表示 ，求出与其考虑的极 限状态对应的使用年限。 ( 3 ) 建立完善的行业级的桥梁管理系统 ， 通过 桥梁的特殊检查 ， 提高桥梁的养护维修力度。随着 中 国经济 的飞速 发展 ，交 通运输 出现 了重载 、 高 速 、 大流量 的运输结构迅猛发展 。现有桥 梁( 即 旧 桥) 的结构性能 ， 质量状况具有极其重要的地位 ， 有相当一部分桥梁服务期限已达 2 0 ～ 3 0 a ， 加固旧 桥是桥梁工程界一个非常迫切的任务。 ( 4 ) 对于出现病害被评定为四、 五类的桥梁 ， 应及时纳入修复加固范围。改进和完善预应力钢 筋的布置；适度增加装配式梁板现状桥面混凝土 的厚度； 对板桥的斜交缝统一采用深斜形式， 并增 大剪刀型加强钢筋 的直径和数量 ，改进斜 缝 的施 工工序 ； 适当增加 T梁翼缘板的厚度 ； 改进和完善 有关细部 的构造 ， 对各建材提出明确耐久性要求 。 中小跨径公路、 城市桥梁量大面广， 除了具体的加 强质量管理 ， 提高设计质量 ， 加强养护举措 ， 强化 其标准化工作也是一个极其有效的措施。 目前，正对现有桥梁抗弯能力不足的问题， 我 国桥梁界的广大技术人员进行了大量研究工作 ， 并提出了许多切实可行的加固方法。这些技术有 着各 自 使用的结构类型， 具有一定优势 ， 采用加固 措施提高其桥梁承受力以适应交通增长需要。 4 现有桥梁抗弯承受力加固技术 4 。 1 加大截面法 加大截面法是在原桥结构基础上再采用植筋 法再浇筑一定厚度( 或宽度 ) 的钢筋混凝土增大受 弯构件截面高度( 或宽度 ) 及钢筋面积 ， 可以分为 顶部加强和底部加强两种情况 。顶部 加固即采用 加厚桥面铺装层 ，使成为增加受压力混凝土面积 及梁桥有效高度 ，从而达到提高刚度和承受力的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防洪 管理施工 2 6 9 目的。上海市奉贤区金汇镇齐泰路老金汇港桥( 又 名齐贤大桥 ) 建于上世纪 5 0年代 ， 经检测不满足 现行规范承载能力要求。由于该桥地理位置特殊 且改建受限， 受建设方委托， 需对原结构进行改造 加 固 ， 后 经拆 除老桥 的桥面铺 装 、 伸 缩缝 、 栏 杆及 人 行 道 后重 新植 筋 铺设 桥 面 铺 装 ，植 入 规 格 为 1 2 m m钢筋， 长度为 1 8 c m， 植筋深度为 1 2 c m， 露 出表面 6 13 m， 在距板顶 3 e m处绑扎 1 0 c m X i 0 c m， 钢筋网片 ， 并与 1 2 m m钢筋绑扎连接牢固。 加大 铺装层厚度后 ，增大了上部结构梁体受弯截面高 度 ， 提高 了截 面承载 能力 ， 满 足设计要 求 ， 节 省 了 工程投资。 4 ． 2 改变结构体 系 改变结构体 系是在原桥结 构增设 附加 构件上 或者进行技术改造 ，改变原桥梁的受力体系或传 力直径，使结构受力变得更加合理 ，达到加固目 的。如连续加 固法 ， 减小跨径法 ， 结 构变换法或几 种 方法 的综合运用 。 目前 桥梁上部结构 中用到 的 简支变 连续结 构就 是此类 体系 的常用 改变 形式 ， 在墩顶布置负弯矩预应力钢束 ，因此简支梁体系 变为连续梁体 系 ，充分 发挥 了原有结构 的混凝土 性能， 使得结构受力更加合理。 4 ． 3 粘钢加 固 粘钢板法是采用环氧树脂或建筑胶将钢板粘 贴在钢筋混凝土结构的受拉力部分 ， 与 已有结构 形成整体 ， 以提高和增强原刚度 ， 限制裂缝扩展 ， 从 而达到提高桥梁承受 力的 目的。以东莞 万江大 桥加固维修为例， 该桥建于上世纪 7 O 年代 ， 经过 扩宽改建主线桥为 6车道 ，引道为立交的大型互 通立交桥。该桥引桥部分采用的是简支 T梁， 跨中 下缘出现结构性裂缝 ， 结构抗弯能力不够。实施方 案为在 T梁跨中底部粘贴 8 m m钢板， 每隔 2 m设 置 “ U” 型钢箍 ， 板厚 6 m m。底部钢板 与“ U” 型钢箍 采用 改性 环氧粘结剂进行粘 贴 ，并采用化 学锚栓 对钢板及“ u ” 型钢箍压实紧密。钢板粘贴后， 对钢 板进行防腐处理 ， 对外露钢板除锈至 S t 3 级。上海 杨高路六里 桥 由于重车过桥 也采用过粘钢法 对桥 梁加固维修过。 4 ． 4 纤维复合材料加 固 纤维复合材料 ( F R P ， F ib r e r e i n f o r e c e d p h y m e r ) 加固来 自于美 日， 原是航空使用 ， 后在桥梁结构中 得到广泛应用 。我 国引入后进行 了大量的试 验研 究 ， 在桥梁加固工程完成中得到 了验证 。F R P加 固 对提高受弯构件的抗弯能力特别有效 ，对 既有 梁 极限抗弯承受力的提高可达 6 0 ％左右。上海重型 机械厂有特殊零件通过闵行 区东川路北沙港桥 ， 零 件及其运送挂车总重 5 5 0 t ， 重车过该桥在 1 a 时间 内每月过一次． 该桥原建于 1 9 8 3 年，为 3 跨 2 0 m 简支梁桥， 2 0 0 3 年轻轨改造时， 对其进行了拓宽改 建 ， 经检测该桥下部基础能满 足重车通行要求 ， 上 部结构抗剪也满足要求 ，但抗弯承载力无法满足 重车通行要求，受甲方委托对该桥进行了加固处 理 。北沙港为航道 ，加 固时必须保证航 道通行 净 宽， 不允许河中加支点， 因此采用高强复合碳纤维 布粘贴补强作为加固措施。对机动车道跨中南侧 半桥 l 2 块板底面粘贴 3 层高强复合碳纤维布， 对全 桥 3 6块板梁 均在每块板底粘贴 2条 3层 5 0 0 m m 宽高强复合碳纤维布， 经过计算及荷载试验， 加固 后承载力提高了 2 3 ． 9 ％，满足了重车通行要求， 缩 短工期，保证施工期间桥梁及航道的正常使用功 能不中断， 取得了良好的经济与社会效益。 4 ． 5 体外预应力加 固 体外预应力是将预应力布置在主体结构之外 对结构构件或整体进行加固的方法。其实质是采 用内力调整原理 ，使其改善既有结构正常使用性 能， 极大地提高其极限承受能力。东莞万江大桥主 桥加固也采用了该方法。 该桥主跨部分采用的是 3 跨刚架拱桥， 跨越东江水道。该桥主要结构性病害 是跨中拱肋及其横系梁出现裂缝、结构刚度偏小 及压应力储备不足，考虑桥梁维修必须在不封闭 主航 道正 常通航 的情 况下施 工 ，因此采用张拉体 外预应力钢筋加固刚架拱跨 中部分的拱肋。施工 步骤是在纵梁 与斜腿 节点处设 置钢锚 固块 ，对穿 J L 3 2 精轧螺纹钢筋并扎拉预应力， 每片拱肋设置 2 根预应力筋， 每根预应力筋张拉控制应力 3 0 0 k N， 通过施加体外预应力达到提高拱肋压应力储备 ， 增 强拱肋抗弯 刚度 ，最 终提高刚架拱承载能力 的 目的。 本文所述 的加 固技术 已经在上海地 区众 多桥 梁结构加固中得到成功应用。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m