公路旧桥加固技术 1.ppt
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1、“公路旧桥加固技术”,任课教师: 胡兆同 教授 博士生导师 联系方法: 邮编:710064 地址:陕西省西安市南二环路中段 长安大学公路学院桥梁系 电话:029-82334831 13679277002 Email: ,公路旧桥加固技术,长安大学公路学院,公路桥梁加固规范,引言,1.1 加固的基本原则 1.2 加固工作程序 1.3 加固设计方案的比选原则 与要求,1.1 加固的基本原则,(1)桥梁结构不能满足结构安全或正常使用要求时,必须进行加固。 (2)加固后的桥梁结构整体寿命应恢复到原设计的桥梁寿命。 (3)加固设计应与施工方法紧密结合,并采取有效措施,保证新老结构连接可靠,协同工作。 (
2、4)对于大桥、特大桥,应有多个加固方案,并进行方案比选、经济评价和可行性研究报告。,1.1 加固的基本原则(续),(5)加固设计及施工应尽量不损伤原结构,避免不必要的拆除或更换。 (6)加固设计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承载力验算。 (7)在加固施工过程中,应尽可能减少对交通的干扰,并采取措施,减小对环境的污染。 (8)加固施工过程中,应采取安全监测措施,确保人员及结构安全。,1.1.1 桥梁改造加固方案设计的原则,根据桥梁使用功能、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); 耐久性加固; 和抗震加固等四种
3、情况。,1.1.1 (续), 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加固两部分。 承载力加固一般是采用加大截面尺寸和配筋等方法补充承载力的不足,设计时应考虑桥梁带载加固分阶段受力的特点,注意新加补强材料与原结构的整体工作。 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,通过加大截面尺寸,增加截面刚度等方法予以加强,以满足结构使用功能要求。,1.1.1 (续), 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
4、结构使用寿命。 抗震加固是对遭受地震破坏或可能遭受地震破坏的结构进行修复和补强、提高结构的延性和整体工作性能、增强结构的抗震能力。,1.1.1 (续),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,是桥梁改造加固方案设计的重要内容。 桥梁改造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,尽量地减轻原有桥梁的负担,将加固补强的工作量压缩到最少。,1.2 加固工作程序,桥梁现状评价,加固工程可行性研究报告,加固工程施工图设计,加固工程施工监理招标,施工组织设计,加固施工,竣工验收,1.2.1 桥梁现状评价,桥梁现状评价是建立在对桥梁技术状
5、况、各部位缺陷、病害进行全面细致的检查与检测基础上,对其进行使用功能评价和承载能力评价。 (1) 使用功能评价 设计技术标准: 包括原设计荷载标准、桥面净空、孔径、基础埋置深度等是否满足运营要求;,1.2.1 (续),桥涵各部件完好程度: 各部件能否保持正常使用,如桥面平整度、伸缩缝、泄排水设施、支座、栏杆、人行道等构件的完好状况。 上下部承重结构质量状况,有无裂缝、腐蚀、风化、疲劳等破损现象及挠曲、沉陷等位移变形现象,以及对桥梁整体正常使用功能的影响程度;,1.2.1 (续), 桥梁养护状况及意外事故的分析: 是否经常对桥梁进行检查、养护;养护难易程度,经常性养护费用及养护材料、机具设备消耗
6、情况;有无发生过意外事故,发生事故的几率,处理发生事故难易程度等,并对影响桥梁使用功能进行分析,做出评价。,1.2.2 承载能力评价,承载能力评价包括以下内容: 原结构检算 原结构检算是基于原设计图纸(无图纸时,应实测有关设计结构尺寸参数),对桥梁结构承载能力极限状态、正常使用极限状态和桥梁地基与基础的承载能力进行验算。 基于检测结果的承载能力评定 根据桥梁结构或构件的检测评判结果,确定承载能力检算系数、恶化系数和截面折减系数以及活载影响修正系数的合理取值,对桥梁结构承载能力极限状态、正常使用极限状态和桥梁地基与基础的承载能力进行评定。,1.2.2 (续),荷载试验鉴定 当通过桥梁调查检测与检
7、算分析不足以鉴定桥梁承载能力时,可采取荷载试验测定桥梁在荷载作用下的实际工作状态,结合桥梁调查、检测与检算来评定桥梁的承载能力。,1.2.3 加固工程可行性研究报告,根据桥梁使用功能和承载能力评价的情况,如果桥梁主要承重构件需要进行加固,则应委托有加固设计经验的单位进行加固工程可行性研究工作。 公路旧桥加固工程可行性研究报告编制办法(草案),1.2.4 加固工程施工图设计,加固工程可行性研究报告经评审并补充完 善后,经有关部门批准后,方可进行加固工程 施工图设计工作。 1.2.5 加固工程施工、监理招标 加固工程施工图设计评审通过后,进行加 固工程施工、监理招标。,1.2.6 施工组织设计,由
8、中标施工单位编制加固施工组织设计, 经监理批复后,开始施工。 1.2.7 施工 施工时应采取确保质量和安全的有效措施, 并应遵照有关现行桥梁规范进行施工。 1.2.8 竣工验收 按公路旧桥加固工程竣工验收办法 (草稿)进行验收。,1.3 加固设计方案的比选原则与要求,1.3.1 进行加固方案比选时,应遵循以下原则: (1)结构验算分析简单,构造措施合理; (2)施工过程中对环境的影响要小; (3)施工难度小,工艺成熟,质量和工期易于控制; (4)施工过程中安全有保障; (5)工程费用经济合理; (6)加固后的结构耐久性好,后期养护费用小。 1.3.2 比选要求 (1)各加固设计方案应进行同等深
9、度的比选。 (2)针对以上比选原则,应列表进行综合比选。,1.4 常见的桥梁病害及功能不足,在役桥梁结构随着使用时间的延续,受结构使用条件变化及环境侵蚀等因素的影响,会使结构受到不同程度的损伤,造成桥梁病害,使结构性能退化,使用功能逐步降低。由于道路等级、荷载等级的提高,交通量的增长,原有桥梁的功能已经不能满足要求。 结构受到损伤后,需要对结构损伤原因和程度进行分析,确定结构损伤后的承载能力和剩余寿命。在此基础上进行分析,根据经济技术条件提出结构处理措施,如维修、改造、加固或拆除重建等。,1.4.1 桥梁结构病害,桥梁结构的病害形式多种多样,引起病害的原因很复杂,从引起病害的原因分析,可以将其
10、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,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。,1.4.1 (续),第一类由于环境作用: (1) 混凝土的碳化 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。 (2) 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
11、化的混凝土造成的。 (3) 碱骨料反应 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,并吸水产生膨胀压力,造成混凝土开裂。,1.4.1 (续),(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。 (5) 钢筋锈蚀 混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜破坏,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。 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
12、侵入。,1.4.1 (续),第二类为由荷载作用或设计、施工不当造成: (1)结构性裂缝(受力裂缝) 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004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,钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图,1.4.1 (续),(2)非结构性裂缝 收缩裂缝 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。 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
13、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。,1.4.2 桥梁结构功能不足,(1)不能满足荷载等级提高的要求; (2)不能满足交通量增长的要求; (3)不能满足抗震设防等级的要求。,不能满足荷载等级提高的要求-1,不能满足荷载等级提高的要求-2,不能满足荷载等级提高的要求-3,不能满足交通量增长的要求,不能满足抗震设防等级的要求,1.4.3 桥梁结构病害实例,桥面系破坏,主梁钢筋外露锈蚀,箱梁腹板裂缝,桥梁主梁损坏落梁,主梁开裂,桥墩倾斜,桥墩钢筋锈蚀混凝土剥落,基础露筋,桩基冲刷外露,1.5 混凝土桥梁结构表层缺陷及裂缝处理,1.5.1 混凝土修补 混凝土桥梁构件蜂窝、空洞以及较
14、大范围表面破损等 的修补施工,应采用比原结构强度指标高一级的混凝土。 还可采用水泥砂浆、聚合物水泥砂浆或改性环氧砂浆 修补。 处于严重腐蚀下的混凝土桥梁,其混凝土可进行表面 防腐涂装。 混凝土表面缺陷处理之前,应对生锈的钢筋进行除锈 和防腐处理。,1.5.2 结构裂缝的处理,首先进行裂缝调查及标注。核实裂缝数量、长度、宽度 等,并对裂缝编号,绘制裂缝分布图。 选择合适的裂缝处理方法、修补材料及工序。 对裂缝缝口进行表面处理,使工作面平顺、干燥、无油 污。处理范围沿裂缝走向宽30-50mm。 裂缝处理的方法包括:表面封闭法、自动低压渗注法、 压力注浆法等。 注浆嘴沿裂缝走向布置,间距视裂缝宽度一
15、般为200-400 mm。注浆压力根据液浆流动性选择,一般为0.1-0.4MPa。,混凝土裂缝处理-1,混凝土裂缝处理-2,2 桥跨结构加固方法,2.1 粘贴钢板加固法 2.2 外包钢加固法 2.3 粘贴碳纤维片加固法 2.4 桥面补强层加固法 2.5 增大截面和配筋率加固法 2.6 预应力加固法 2.7 增加构件加固法 2.8 改变结构受力体系加固法,2.1 粘贴钢板加固法,2.1.1 特点及适用条件 主梁承载力不足、或纵向主筋出现严重的锈蚀、或梁板桥的主梁出现严重的横向裂缝时,可将钢板粘贴或锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位,使其与结构形成整体,以钢板代替增设的补强钢筋,提高桥梁的承载能力
16、。 粘贴钢板适用于加固受弯、受剪和受拉构件,适用的环境温度在-2060范围内,相对湿度不大于70% 及无化学腐蚀的地区。,粘贴钢板加固法示例-1,粘贴钢板加固法示例-2,粘贴钢板加固法示例-3,2.1.2 附加影响,(1)需对结合面进行处理,钻埋螺栓孔对原结构会 产生损伤。 (2)钢板需作防腐处理,增加了日后养护的费用。,2.1.3 材料要求 (1)钢板:加固用钢板一般以Q235、Q345钢或16锰钢为宜,其强度设计值,应按现行钢结构设计规范采用。 (2)混凝土:混凝土强度的试验值、标准值及设计值按现行规范采用,不得低于C30。,2.1.4 力学特点,在适筋范围内,随着荷载的增加,梁中原有钢筋
17、屈服,钢板也达到屈服强度,随后混凝土被压碎而破坏。 对粘贴钢板加固受弯构件,破坏前外贴钢板与混凝土之间具有较好的粘结性能,可以保证钢板与被加固构件间的共同工作,并保证钢板达到屈服强度。 对粘贴钢板加固受剪构件,构件的破坏类似于普通钢筋混凝土受剪构件,首先出现斜裂缝,然后裂缝不断发展,钢板应力明显增大,最后构件产生破坏。,2.1.5 设计计算,(1)梁(板)受拉区粘结钢板加固计算 正截面承载能力极限状态计算 矩形截面正截面承载力根据图2-1,可按下式计算:,(2-1),(2-2),钢板锚固粘结长度计算,钢板锚固粘结长度,是指在原梁不需要加固截面以外的粘贴钢板的延伸长度,其锚固长度按下式计算:,(
18、2-3),L1 2,若钢板粘结长度不能满足计算长度,可在钢板的端部锚固黏结U形箍板,如图2-2所示。,(2)斜截面承载力极限状态计算,当梁的斜截面受剪承载力不足时,可采用局部粘贴并联U形箍板进行加固(图2-3),斜截面受剪承载力按下式计算:,同时,必须满足条件:,1.5,(2-6),(2-7),2.1.6 施工工序,(1)加固构件粘合面处理, 对混凝土构件的粘合面,应先刷除表面油垢后用水冲洗,再对粘合面进行打磨,除去2mm3mm厚表层,或露出新鲜面;用压缩空气除去粉尘,若表面严重凹凸不平,可用环氧树脂砂浆修补。 对于新混凝土粘合面,先用角磨机将粘合面磨平,用钢丝刷将表面浮渣刷去,再用丙酮擦拭表
19、面。 对于龄期在3个月以内或湿度较大的混凝土构件,粘合前尚须进行人工干燥处理。,(2)钢板粘合面处理, 如钢板未生锈或轻微锈蚀,可用喷砂、砂布或平砂轮打磨,直至出现金属光泽。打磨粗糙度越大越好,打磨纹路尽量与钢板受力方向垂直,然后用脱脂棉花沾丙酮擦拭干净。 如钢板锈蚀严重,须先用适度盐酸浸泡20min,使锈层脱落,再用石灰水冲洗,中和酸离子,然后用平砂轮打磨出纹道,最后用丙酮擦试干净。 (3)卸荷 为了减轻粘贴钢板的应力、应变滞后现象,粘贴钢板及胶液固化期间应封闭交通。,(4)配胶,粘结剂中最常用的是环氧类粘结剂。环氧类粘结剂分为甲、乙两组,使用前应进行现场质量检验,合格后方能使用。 (5)粘
20、贴 粘结剂配制好后,用抹刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板上,厚度3mm5mm,中间厚边缘薄;然后将钢板贴于预定位置。若是立面粘贴,为防止流淌,可加一层脱蜡玻璃丝布。粘好钢板后,用手锤沿粘贴面轻轻敲击钢板,如无空洞声,表示已粘贴密实,否则应剥下钢板补胶,重新粘贴。,(6)固定与加压,钢板粘贴好后立即用特制U形夹具夹紧或用木杆顶撑,压力保持为不小于0.1MPa,以使胶液刚从钢板边缝挤出为宜。若用膨胀螺栓固定,膨胀螺栓锚固,其埋设孔洞应与钢板一道在涂胶前钻成。 (7)固化 环氧类粘结剂在常温下固化,温度应保持在20以上,24h即可拆除夹具或支撑,若低于15,应采用人工加温,一般用红外线灯加热。
21、固化期间不得对钢板有任何扰动。,(8)检验,按加固施工规范6.7,质量检验与验收条款中的方法和要求进行。,(9)防腐处理 按设计要求进行防腐处理。,2.1.7 构造要求,(1)混凝土强度等级不应低于C20。 (2)钢板厚度不应大于5mm为宜,一般取4mm。 (3)粘结钢板的锚固长度对于受拉区不得小于200t(t为钢板厚度),亦不小于600mm;对于受压区,不得小于160t,亦不小于480mm;对于大跨度结构或可能经受反复荷载的结构,锚固区尚宜增设U形箍板或螺栓等附加锚固措施。 (4)钢板及其邻接的混凝土表面,应进行密封防水防腐处理。,2.1.8 质量控制与加固工程质量 检验评定方法,2.1.8
22、.1 工程质量控制 工程质量控制可用敲击检查法,也可用红外线和超声波检测。钢板的有效粘结面积不应小于95%。 重点检查结合面处理、植埋螺栓、粘贴、固化等工序。要求对粘贴后的钢板进行粘贴性能试验,以确保粘贴后的钢板能够与原结构共同受力。,2.1.8.2 加固工程质量检验评定方法,(1)基本要求 粘贴钢板加固所用材料类别、规格及质量应符合有关 规范及设计要求。 按规定的程序施工,加压及固化时间应符合设计要求。 锚固螺栓数量、规格、钢板的搭接长度不得少于设计 值。 按设计要求进行防腐处理。 (2)实测项目 实测项目参照公路工程质量检验评定标准(JTG F80/1- 2004)相关规定进行检验评定,特
23、殊实测项目见 表2-2 P9。,2.1.8.3 外观鉴定,所有钢板、螺栓表面应无铁锈,钢板周围应有 胶液挤出。 2.1.9 评述 (1)粘贴钢板由于质量轻,操作便利,易于控制工 程质量。 (2)钢板由于拉压强度均很高,加之粘贴后的钢板 主要承受活载,对于受弯、受压和受拉构件其 补强效果优于加大混凝土截面。 (3)结合面处理和钻埋螺栓孔对原结构有一定损 伤,因此, 应严格按照设计要求进行施工,将 损伤程度降到最低。,粘贴钢板加固法其他示例-1,粘贴钢板加固法其他示例-2,粘贴钢板加固法其他示例-3,粘贴钢板加固法其他示例-4,2.2 外包钢加固法,2.2.1 特点及适用范围 外包钢加固法施工简便
24、、效果直观明显,对施工环境影响小、成本低,不显著增大原构件截面尺寸和自重,但可大幅度提高其承载能力。 外包钢加固法适用于提高受压为主构件(桥墩、拱肋、桁架杆等)的承载力、刚度及延性,适用于环境温度在-2060范围内,相对湿度不大于70%及无化学腐蚀地区。,外包钢加固法示例,2.2.2 附加影响,(1)须对结合面进行处理,并钻埋螺栓孔,对原结 构有一定损伤。 (2)钢材需作防腐处理,增加了日后养护的费用。 2.2.3 材料要求 (1)钢材 外包钢采用的型钢、钢板、扁钢和钢管以Q235、 Q345钢16锰钢为宜,钢材、连接螺栓及焊缝的强度 设计值,应按现行钢结构设计规范规定采用。,(2)混凝土,被
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