桥梁结构病害分析及改造加固设计.ppt

桥梁结构病害分析及改造加固设计 我国桥梁改造加固任务繁重，据交通部统计至2003年底，全国公路网中尚有危桥10443座，378439延米。要实现交通部规划的2005年底基本消灭国、省干线公路危桥的目标，所需资金约为90亿元。中国桥梁改造加固市场的巨大潜力，吸引了国内外众多有远见卓识的工程技术人员和企业家把注意力转移到这方面来，国外的先进加固技术大量涌进中国加固市场，各种加固公司像雨后春笋相应而生，成功地创建了一批桥梁改造加固的优秀范例，推进了我国桥梁改造工作的发展。提高桥梁改造加固设计质量，是确保加固工程质量的前提和基础。桥梁改造加固设计是比新建桥梁设计复杂得多的系统工程。我国目前的状况是“有实力的大设计院无暇顾及，不愿意干，技术力量较差的小型设计单位又干不了”，桥梁改造加固设计基本上由科研单位、高等院校和。2021/2/28年1月1哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 各类专业公司来承担。各类专业公司的技术水平差异较大，值得庆幸的是，近几年来我国确已出现一批技术能力较高的专业化加固公司，完成一批桥梁加固工程的优秀范例，他们代表了中国桥梁改造加固的主导方向。但是，有些专业公司以销售加固材料为主，业务单一，对桥梁加固设计不熟悉。桥梁改造加固设计审核制度不规范，没有明确的加固设计资质要求，桥梁加固设计市场管理混乱。整顿和规范桥梁加固市场，提高桥梁改造加固设计质量是提高桥梁改造加固工程质量的重要措施之一。从技术角度分析，目前我国桥梁改造加固设计存在的主要问题是：（1）基层养护管理和设计部门，桥梁病害诊断技术力量薄弱，桥梁检测手段落后。桥梁病害诊断是进行桥梁加固设计的前提和基础，只有诊断清楚，才能对症下药。桥梁检测是桥梁病害诊断与分析的重要手段，检测应重在2021/2/28年1月2哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 分析，并应与桥梁加固设计相结合。（2）考虑结构损伤影响的承载力评估方法还不够完善。（3）桥梁改造加固总体设计方案的设计思路不够开阔，应用技术单一，设计深度不够。（4）个别桥梁加固设计生搬硬套国外或国内其他行业的设计方法，忽略了桥梁带载加固分阶段受力的特点。有些加固设计只做宏观的定性分析，缺少科学地定量分析计算，设计带有很大的随意性。针对我国目前桥梁改造加固加固市场的混乱局面，加强桥梁养护、管理及设计与施工技术队伍建设是整顿桥梁加固市场的重要内容之一。特别是在全国基层的桥梁养护、管理及设计与施工人员中，普及桥梁病害诊断与加固设计知识是十分必要的。2021/2/28年1月3哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授第一章 桥梁病害诊断第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估第三章 桥梁改造加固方案设计第四章 桥梁加固薄弱受弯构件设计计算讲授提纲2021/2/28年1月4哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏1-2 混凝土结构的裂缝分析基本内容2021/2/28年1月5哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 混凝土结构的病害表现形式多种多样，引起病害的原因错综复杂，从引起病害的原因来分析，可以将其划分为两大类：第一类为由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部，与混凝土中某些成份发生化学、物理反应，引起混凝土损伤，影响结构的受力性能和耐久性。第二类为由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤。例如，由于超载作用引起的裂缝，动力冲击作用引起疲劳破坏。构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等。第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月6哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏1 混凝土的碳化混凝土的碳化 混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了质的侵蚀，起到了“钝化钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。2 氯离子的侵蚀氯离子的侵蚀 氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区冬季道路要来源，北方寒冷地区冬季道路、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月7哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏3 碱碱骨料反应骨料反应 碱碱骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱硅酸盐凝胶，并吸水硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。产生膨胀压力，造成混凝土开裂。碱碱骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症癌症”。碱碱骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂，裂缝的形态与结构中钢筋形成的限骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂，裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关：钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝；钢筋限制约束作用弱的制和约束状态有关：钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝；钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状或地图状裂缝，在裂缝处有白色凝胶物渗出。碱混凝土形成网状或地图状裂缝，在裂缝处有白色凝胶物渗出。碱骨料反应裂缝与其他原骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别是：因裂缝的主要区别是：第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月8哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏碱骨料反应引起混凝土局部膨胀，裂缝的两个边缘出现不平状态（错台）；是碱骨料反应裂缝的特有现象；碱骨料反应与环境湿度有关，在同一工程中潮湿部位出现裂缝，而干燥部位却安然无恙，是碱骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一。从裂缝出现的时间来判断，碱骨料反应裂缝出现的时间较晚，多在施工后510年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一般在施工后若干天内出现。4 冻融循环破坏 渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。冻融循环破坏的混凝土第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月9哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 剥落，开始时在混凝土表面出现粒径为2-3mm的小片剥落，随着使用年限的增加，剥落量及剥落块直径增大，剥落由表及里，发展速度很快。一经发现冻融引起的混凝土剥落，必需密切注意剥落的发展情况，及时采取修补措施。北方地区采用撒盐除冰，由于盐类与冻融循环的共同作用引起的盐冻破坏是冻融循环破坏的一种特殊形式。盐冻破坏是静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用的结果，因此，盐冻破坏要比单纯的冻融破坏严酷得多。盐冻破坏区别于其他破坏形式的主要特征是：表面分层剥落，骨料暴露，但剥落层下面的混凝土完好；破坏速度快，对未采用防盐冻措施而使除冰盐者，第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月10哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 少则一冬，多则几冬，即可产生严重盐冻破坏；在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见到白色盐结晶体；5 钢筋锈蚀 混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜坏，混凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面的碱性钝化膜的破坏，加之有水分和氧的侵入，就可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月11哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 值得注意的是，上述所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。另一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，最终导致混凝土的开裂有关。而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快。形成导致混凝土结构的耐久性进一步退化的恶化循环。因此，对新建结构而言，提高混凝土结构耐久性的基本途径是增强混凝土的密实度，防止和控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。对于在役结构而言，提高混凝土结构耐久性的基本思路是在清除病害根源的基础上，封堵裂缝，修补破损混凝土；增设防水层，防止水分的侵入。第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月12哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-2混凝土结构的裂缝分析 实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以，对混凝土结构的损伤检测，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析入手。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多，但可归纳为两大类：第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月13哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-2混凝土结构的裂缝分析 第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，拉应力也就消失了。两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融在一起。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%；以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定，裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。第一章 桥梁病害诊断2021/2/28年1月14哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授1-2混凝土结构的裂缝分析1 1结构性裂缝（受力裂缝）结构性裂缝（受力裂缝）众所周知，混凝土的抗拉强度很低，抗拉极限应变大约为众所周知，混凝土的抗拉强度很低，抗拉极限应变大约为 第一章 桥梁病害诊断换句话说，混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力只有 事实上，在正常使用阶段钢筋的应力远大于此值，所以说在正常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是避不可免的。因而，习惯上又将这种裂缝称为正常裂缝。实践证明，在正常条件下，裂缝宽度小于0.3mm时，钢筋不致生锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应2021/2/28年1月15哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 小一些。新颁布的JTG D62-2004（以下简称）规定：钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值：类及类环境 0.2mm 类及类环境 0.15mm 图1-1所示为钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析图1-1 钢筋混凝土梁结构裂缝2021/2/28年1月16哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 图1-1中所示的跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝，是最常见的结构性裂缝。在正常设计和使用情况下，裂缝宽度不大，间距较密，分布均匀。若竖直裂缝宽度过大，预示结构正截面承载力不足；图1-1中所示为支点（或腹板宽度变化处）附近截面由主拉应力引起的斜裂缝。在正常设计和使用情况下很少出现斜裂缝，即使出现裂缝宽度也很小。若斜裂缝宽度过大，预示结构的斜截面承载力不足，存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险，应引起足够的重视。另外，钢筋混凝土墩柱受压构件由于纵向压力过大引起的纵向裂缝、预应力筋锚固区由于局部应力过大引起的劈裂裂缝等都属于结构性裂缝。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月17哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 有些结构性裂缝（受力裂缝）是由设计错误和施工方法不当所造成的。例如：钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。在超静结构中基础不均匀沉降，将引起结构的内力变化，可能导致结构出现裂缝。基础不均沉降引起的上部结构的裂缝，实质上是属于结构性裂缝（受力裂缝）范畴，裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均沉降情况及大小等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大，应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能进行上部结构的裂缝处理。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月18哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2 2非结构性裂缝非结构性裂缝 混凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为：混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完混凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为：混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法，养护条件和使用环境等全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法，养护条件和使用环境等等多种因素影响。等多种因素影响。（1 1）收缩裂缝）收缩裂缝 在混凝土凝固过程中，由于多余水分蒸发，引起的混凝土体积缩小称为干缩。同时，水泥在混凝土凝固过程中，由于多余水分蒸发，引起的混凝土体积缩小称为干缩。同时，水泥与水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，引起的混凝土体积缩小称为凝缩。收与水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，引起的混凝土体积缩小称为凝缩。收缩中以干缩为主，占总收缩量的缩中以干缩为主，占总收缩量的8/109/108/109/10。收缩量随时间增长而不断加大，初期收缩较快，。收缩量随时间增长而不断加大，初期收缩较快，尔后日趋缓慢。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为尔后日趋缓慢。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为(34)10(34)104 4。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月19哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 当混凝土成形后，表面水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐步发展，截面内外温度不等，内外收缩量不一样。混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。尤其是混凝土早期养护不当，混凝土表面直接受到风吹日晒的影响，表面水份蒸发过快，产生较大的拉应力，混凝土早期强底低，很容易出现收缩裂缝。收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在0.050.2mm之间。对板类构件多沿短边方向，均匀分布于相邻两根钢筋之间，方向与钢筋平行。对高度较大的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大，在腰部（或腹板）产生竖向收缩裂缝，但多集中在构件中部，第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月20哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有裂缝。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。收缩裂缝对构件承载力影响不大，主要影响影响结构外观和耐久性。（2）温度裂缝 钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型：截面均匀温差裂缝第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月21哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，只考虑沿梁长度方向的温度变形，当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。例如：连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工时散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝，或堆集于支座处没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当温度急剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝，严重者还可能造成墩台的破坏。截面上、下温差裂缝 以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度骤然第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月22哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 变化时，会造成箱内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿水平横向没有温差。将三维热传导问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定，一般假设梁的截面高度方向、温差呈线性变化。在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束存在，还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月23哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 截面内外温差裂缝 水泥在水化过程产生一定的水化热，其大部分热量是在混凝土浇筑后3天以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用蒸气养护时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，也会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面内外温差作用下，结构将产生弯曲变形，截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束，产生温度自应力。对超静定结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是相当大的，尤其是混凝土早期强度比较较低，很容易造成混凝土裂缝。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月24哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授 混凝土温度裂缝有以下特点：裂缝发生在板上时，多为贯穿裂缝；发生在梁上多为表面裂缝。梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边。大面积结构（例如桥面铺装）裂缝多是纵横交错。裂缝宽度大小不一，且沿结构全长没有多大变化。预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝，在混凝土组成材料中掺入适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护，严格控制升温和降温速度。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析2021/2/28年1月25哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2-1 在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 2-2 考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 基本内容2021/2/28年1月26哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-1 在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 混凝土结构受到损伤后，需要对结构损伤的原因和程度进行分析，对损伤对结构承载能力及耐久性的影响进行评估，其主要内容是：考虑结构损伤影响的承载能力评估 在役结构剩余使用寿命评估 在评估分析的基础上，根据经济技术条件，制定科学的维修加固方案，提出结构处理措施。评估现有结构的安全可靠性的核心问题是确定考虑结构病害损伤后的结构承载能力。桥梁结构的承载能力评定通常采用以下三个途径：根据相关规范要求对照桥梁的存在的缺陷及病害进行综合评定例如我国中对桥梁技术状态标准和裂缝宽度，都做了规定。依此标准将桥梁技术状况划分为四类。公路养护第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月27哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-1 在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 管理部门推广使用的也属于综合评估方法，这种评估方法只能给出宏观的分析结果。现场荷载试验评估方法 通过现场荷载试验（静载试验和动载试验）可直接检测结构的实际承载力。荷载试验与理论计算分析相结合是比较符合实际的承载力评定方法，但试验设备复杂，技术难度高，经费支出大，目前尚难以大规模推广应用。理论计算分析评估方法 在现场调查和病害检测分析的基础上，考虑结构病害、损伤的影响，按现行规范计算结构承载力是国内采用的承载力评估的主要方法。第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月28哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-1 在役混凝土结构的承载能力与耐久性评估的基本概念 结构的剩余使用寿命预测是耐久性评估的核心内容。结构的剩余寿命系指在不加维修或正常维修及正常使用条件下，结构可能继续使用的年限。钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素，因此，一般将钢筋锈蚀作为判断混凝土结构使用寿命终结的标准。混凝土结构剩余寿命评估是个目前尚未很好解决的科研课题，它涉及到钢筋锈蚀破坏机理和钢筋锈蚀胀力模型的研究和耐久性终结标准的确定。目前，对在役结构的耐久性评估和剩余寿命预测，大多还是依赖有经验的工程技术人员作出经验性评价和处理意见。第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月29哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法1 1、钢筋锈蚀对结构承载力的影响、钢筋锈蚀对结构承载力的影响 混凝土中的钢筋腐蚀是造成混凝土结构损伤，影响结构承载能力的最主要因素，其主要表混凝土中的钢筋腐蚀是造成混凝土结构损伤，影响结构承载能力的最主要因素，其主要表现是：现是：钢筋腐蚀后，使钢筋的有效截面面积减少；钢筋腐蚀后，使钢筋的有效截面面积减少；钢筋腐蚀后，力学性能劣化，强度降低；钢筋腐蚀后，力学性能劣化，强度降低；钢筋腐蚀后，混凝土保护层开裂甚至脱落，使混凝土的有效断钢筋腐蚀后，混凝土保护层开裂甚至脱落，使混凝土的有效断 面减少；面减少；钢筋腐蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结性能退化，影响钢筋与混凝土的共同工作。钢筋腐蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结性能退化，影响钢筋与混凝土的共同工作。（1 1）腐蚀钢筋的屈服强度和极限强度）腐蚀钢筋的屈服强度和极限强度 钢筋腐蚀对其力学性能的影响取决于腐蚀程度。试验研究表明，腐蚀钢筋的屈服强度与相钢筋腐蚀对其力学性能的影响取决于腐蚀程度。试验研究表明，腐蚀钢筋的屈服强度与相应的截面损失率之间的关系，基本上服从线性关系。应的截面损失率之间的关系，基本上服从线性关系。第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月30哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 牛荻涛 在综合分析试验资料的基础上，给出了腐蚀钢筋实际屈服强度和极限强度计算表达式为第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估（2-1）（2-2）2021/2/28年1月31哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法（2）腐蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能退化对承载力的影响。混凝土中的钢筋腐蚀后，在钢筋与混凝土接口上生成疏松的锈层，破坏钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力，并降低了钢筋与混凝土之间的摩擦力；对变形钢筋横肋的锈蚀将降低钢筋和混凝土之间的机械咬合力，保护层混凝土锈胀开裂甚至脱落，则降低外围混凝土对钢筋的约束，所有这些因素都将导致钢筋与混凝土之间的粘结性能退化。钢筋腐蚀引起的钢筋与混凝土之间粘结性能退化，将导致钢筋与混凝土不能很好的协同工作。钢筋发生严重腐蚀时，钢筋与混凝土之间的粘结力显著降低，钢筋与混凝土之间共同工作能力减弱，梁的受力第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月32哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 特征接近于无粘结预应力拉杆或配有普通钢筋的无粘结预应力梁。由于目前人们对钢筋腐蚀引起的粘结力退化规律及其对受拉钢筋强度发挥的影响程度还不十分清楚，因此，现今只能用一个协同工作降低系数来考虑粘结退化的影响。协同工作降低系数与钢筋锈蚀量或锈胀裂缝宽度有关。冶金建筑科学研究院的试验研究表明，钢筋的截面损失率大于10%时，钢筋与混凝土之间的粘着力显著降低，应考虑钢筋与混凝土协同工作降低系数的影响，建议将其承载力乘以0.80.9的系数。2、考虑钢筋腐蚀影响的承载能力计算（1）正截面抗弯承载力 按规定，构件承载能力极限状态的基本方程式为：第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月33哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估（2-3）2021/2/28年1月34哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 对使用多年的在役结构进行承载能力评估时，应考虑钢筋腐蚀的影响。其承载力计算基本方程与一般钢筋混凝土构件基本相同，只是在计算钢筋应力项时，应采用腐蚀钢筋的实际屈服强度和腐蚀后的有效截的面积，并计入协同工作降低系数，考虑钢筋与混凝土之间粘结性能退化的影响。考虑钢筋锈蚀影响的受弯构件正截面承载力计算的基本方程可由内力平衡条件求得 第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月35哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估图2-1 考虑钢筋腐蚀影响的受弯构件正截面承载力计算简图 2021/2/28年1月36哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估（2-4）（2-5）公式的适用条件是 （2-6）2021/2/28年1月37哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估（2-7）2021/2/28年1月38哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法 应该指出，公式（2-4）和（2-5）是针对受拉钢筋腐蚀的单筋T形截面导出的，由于计算中不考虑受拉区混凝土的抗拉作用，因此，在公式中未计入钢筋腐蚀引起的混凝土截面损伤。如果受压区混凝土截面损失较大时，则应考虑其对承载力的影响。2、斜截面抗剪承载力 对在役结构的斜截面抗剪承载力计算，应考虑斜裂缝对混凝土抗剪承载力的影响，及钢筋锈蚀对箍筋和弯起钢筋抗剪承载力的影响。斜截面抗剪承载力计算表达式可改写为下列形式。第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月39哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估（2-10）（2-9）（2-8）2021/2/28年1月40哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授2-2考虑钢筋腐蚀影响的承载能力评估方法第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估2021/2/28年1月41哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授第三章 桥梁改造加固方案设计 3-1 桥梁改造加固方案设计的原则3-2 型桥梁加固方案评述基本内容2021/2/28年1月42哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授基本内容 在对桥梁结构病害检测分析和鉴定评估的基础上，根据技术经济条件和使用要求，有针对性地制定加固方案。2021/2/28年1月43哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-1桥梁改造加固方案设计的原则1 1分清加固的性质分清加固的性质 根据桥梁病害检测分析和鉴定评估结果，桥梁结构加固设计应分为：承载力加固（强度加根据桥梁病害检测分析和鉴定评估结果，桥梁结构加固设计应分为：承载力加固（强度加固）、使用功能加固（刚度加固）和耐久性加固等三种情况。固）、使用功能加固（刚度加固）和耐久性加固等三种情况。承载力加固是确保结构安全工作的基础，是桥梁改造加固设计的核心内容，其内容包括正承载力加固是确保结构安全工作的基础，是桥梁改造加固设计的核心内容，其内容包括正截面抗弯承载力加固和斜截面抗剪承载力两部分。承载力加固应考虑分阶段受力的特点，注截面抗弯承载力加固和斜截面抗剪承载力两部分。承载力加固应考虑分阶段受力的特点，注意新加补强材料与原结构的整体工作。意新加补强材料与原结构的整体工作。使用功能加固是确保桥梁正常工作的需要，主要是对活载变形或振动过大的构件，加大截使用功能加固是确保桥梁正常工作的需要，主要是对活载变形或振动过大的构件，加大截面尺寸，增加截面刚度，以满足结构使用功能要求。面尺寸，增加截面刚度，以满足结构使用功能要求。第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月44哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-1桥梁改造加固方案设计的原则 耐久性加固是指对结构损伤部位进行修复和补强，以阻止结构损伤部分的性能继续恶化，消除损伤隐患，提高结构的可靠性，提高结构的使用功能，延长结构使用寿命。2桥梁加固与加宽设计相结合 在公路改造设计中，很多情况下桥梁加固和加宽是同时进行的。在加宽宽度不大的情况下，尽量将加宽部分与原桥连为一体，使新旧桥共同工作，利用新加宽部分，调整原桥内力，减轻原梁负担，间接达到加固补强的目的。第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月45哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-1桥梁改造加固方案设计的原则3 3注意各种加固补强方法的综合应用注意各种加固补强方法的综合应用 桥梁加固补强的方法很多，但是基本上可以划分为两大类：桥梁加固补强的方法很多，但是基本上可以划分为两大类：第一类为改变结构体系，调整结构内力、减轻原梁负担。例如：加斜撑减少梁的跨度、简支梁第一类为改变结构体系，调整结构内力、减轻原梁负担。例如：加斜撑减少梁的跨度、简支梁改为连续结构、增加纵梁数目、调换梁位、加大新建边梁截面尺寸，调整横向分布系数，减改为连续结构、增加纵梁数目、调换梁位、加大新建边梁截面尺寸，调整横向分布系数，减轻原梁负担等。轻原梁负担等。第二类为加大截面尺寸和配筋，加固薄弱构件。第二类为加大截面尺寸和配筋，加固薄弱构件。对薄弱构件进行加固补强的方法很多，从作用原理可分为两大类：对薄弱构件进行加固补强的方法很多，从作用原理可分为两大类：第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月46哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-1桥梁改造加固方案设计的原则 在受拉区直接增设抗拉补强材料，例如：补焊钢筋，粘贴钢板，粘贴高强复合纤维（碳纤维、芳纶纤维）等。这种加固方法，设计时，必须考虑桥梁带载加固分阶段受力特点。后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下是达不到其抗拉强度设计值。特别是采用直接粘贴高强复合纤维加固时，在极限状态下，复合纤维的高强抗拉性能根本无法充分发挥作用，“大马拉小车”是一种极大的浪费。若不考虑分阶段受力特点，过高的估计了后加补强材料的作用，设计是不安全的。采用预加力原理进行加固补强，例如：体外预应力加固，韩国M.S公司的SRAP加固工艺等。由于预加力的作用，改善了原梁的应力状态，提高了原梁的承载能力和抗裂性能。采用预加力加固，可以充分发挥加固补强材料的力学性能，提高了材料的利用效率。第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月47哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-1桥梁改造加固方案设计的原则 应该指出，在进行桥梁加固方案设计时，应特别注意的是：在保持原梁截面尺寸不变的前提下，采用上述对受拉区进行补强的方法，加固后截面所能承担的最大承载力是有限的。承载力提高的幅度取决于原梁的配筋率，与所采用的加固方法无关。在某些情况下，由于原梁的高度较小，相对配筋率较大，单纯采用受拉区加固补强，仍不能满足设计荷载要求时（例如：设计荷载由汽15，提高到公路级），可采用加厚桥面的方法同时对梁的受压区加固，增加梁的有效高度，亦可达到提高原梁承载力的目的。通常的作法是结合桥面铺装层维修，采取有效的构造措施，第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月48哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-1桥梁改造加固方案设计的原则 加强桥面铺装层与原梁翼板的整体连接，设计中可考虑部分桥面铺装层混凝土参与主梁共同工作。此外，桥梁加固设计应注意各种加固方法的综合利用，通过调整结构内力，尽量地减轻原梁的负担，将加固补强工作量压缩到最少。第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月49哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-2 典型桥梁加固方案评述1 1鞍千鞍千9 9号桥加固设计号桥加固设计 设计单位：原哈尔滨建筑工程学院设计单位：原哈尔滨建筑工程学院 实施时间：实施时间：19871987年年 （1 1）原桥的基本情况和加固设计要求）原桥的基本情况和加固设计要求 鞍千鞍千9 9号桥位于辽宁省鞍山至千山公路上见图号桥位于辽宁省鞍山至千山公路上见图3 31 1，原桥为跨径，原桥为跨径L=12mL=12m的单跨二梁式钢筋混凝的单跨二梁式钢筋混凝土简支梁桥，设计荷载为汽土简支梁桥，设计荷载为汽1515，挂，挂8080，桥面净空为净，桥面净空为净77，下部结构为座落于岩盘上的沉，下部结构为座落于岩盘上的沉井基础，重力式混凝土桥台。井基础，重力式混凝土桥台。鞍千公路扩建为二级路，路基宽度为鞍千公路扩建为二级路，路基宽度为12m12m，行车道宽度为，行车道宽度为9m9m，在桥位处道路双侧加宽，桥面，在桥位处道路双侧加宽，桥面净空为净净空为净9+21.5m9+21.5m，桥梁的设计荷载提高为汽，桥梁的设计荷载提高为汽2020，挂，挂100100。第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月50哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-2 型桥梁加固方案评述（2）桥梁现场调查和承载力检算 现场检测发现，原梁混凝土质量良好，未有发现可见裂缝，实测混凝土强度在26Mpa以上。经检算原梁可以满足原设计荷载汽15，挂80的要求。但距汽20，挂100的要求，正截面承载力相差约15%。查阅原设计图纸和现场实际核对，原桥为座落于岩盘上的小沉井基础，桥台混凝土质量良好，经检算认为原桥基础具有较大的超载潜力。第三章 桥梁改造加固方案设计2021/2/28年1月51哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 张树仁 教授3-2 型桥梁加固方案评述（3）加固设计要点 利用原桥基础的承载潜力，采用插入锚固钢筋，加大桥台盖梁悬臂长度。新加宽部分与原梁整体工作，适当加大新增主梁的截面尺寸，增加边梁刚度，调整荷载横向分布系数，减轻原梁的负担。为了加强新加宽部分与原梁的整体工作，将原梁悬臂混凝土凿掉50cm，露出悬臂钢筋与新加宽部分桥面板钢筋焊接；在支点和跨中增设连接横梁。清除原桥面铺装层，全桥统一加铺10cm厚的桥面铺装混凝土，为了加强新旧混凝土之间的连接，将原桥面顶面凿成齿槽，保证新旧混凝土共同工作。计入6cm桥面铺装层参与