论文部分内容阅读
1、桥梁病害诊断分析
混凝土结构桥梁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:第一类是由环境作用引起的混凝土結构损伤与破坏；第二类是由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤。
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。混凝土的碳化是指混凝土中的Ca(OH)2与渗透进混凝土中的CO2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质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，即混凝土的碱性降低，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。
2)氯离子的侵蚀。氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从
外界环境侵入已硬化的混凝土中造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区冬季道路及桥面撒盐、融雪剂等化雪除冰措施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。
3)碱—骨料反应。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—骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别：①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)，这是碱—骨料反应裂缝的特有现象；②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—骨料反应裂缝区别于其他原因裂缝的外观特征差别之一。③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5～10年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一般在施工后几天内出现。
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。
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、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。
1.2混凝土结构裂缝分析荷载及设计施工造成的混凝土结构损伤
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:第一类是由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝(又称为受力裂缝)；第二类是由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝。
1.2.1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ε=0.0001～0.00015，换句话说，混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力为σs=εEs=(0.0001～0.0015)×200000=20～30MPa，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不可避免的。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，钢筋不会生锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应小一些。新颁布的《钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定限值:Ⅰ类及Ⅱ类环境0.2mm；Ⅲ类及Ⅳ类环境0.15mm。
图1中①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中②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，应引起足够重视。
图1钢筋混凝土简支梁典型结构性裂缝分布
1.2.2非结构性裂缝
1)收缩裂缝。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为(3～4)×10-4。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，混凝土早期强度低，很容易出现收缩裂缝。
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、温度变形、温度应力的不同，温度裂缝可分为3种类型:①截面均匀温差裂缝。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。②截面上、下温差裂缝。以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度突然变化时，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。③截面内外温差裂缝。水泥在水化过程中会产生一定的水化热，其大部分热量是在混凝土浇筑后3d内放出。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。
2、桥梁改造加固方案设计
2.1设计的原则
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。
2.2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(强度加固)、使用功能加固(刚度加固)和耐久性加固三种情况。
1)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，注意新加补强材料与原结构的整体一致性。
2)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。
3)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，提高结构的可靠性及使用功能，延长结构使用寿命。
2.3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。在加宽宽度不变的情况下，尽量将加宽部分与原桥结构连为一体，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。
3、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:第一类为改变结构体系，调整结构内力，减轻原梁负担；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:
1)在受拉区直接增设抗拉补强材料，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的分阶段受力特点。后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下达不到抗拉强度设计值。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。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，设计就会变得很不安全。
2)采用预加力原理进行加固补强，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
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
混凝土结构桥梁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:第一类是由环境作用引起的混凝土結构损伤与破坏；第二类是由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤。
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。混凝土的碳化是指混凝土中的Ca(OH)2与渗透进混凝土中的CO2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质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，即混凝土的碱性降低，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。
2)氯离子的侵蚀。氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从
外界环境侵入已硬化的混凝土中造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区冬季道路及桥面撒盐、融雪剂等化雪除冰措施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。
3)碱—骨料反应。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—骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别：①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)，这是碱—骨料反应裂缝的特有现象；②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—骨料反应裂缝区别于其他原因裂缝的外观特征差别之一。③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5～10年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一般在施工后几天内出现。
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。
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、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。
1.2混凝土结构裂缝分析荷载及设计施工造成的混凝土结构损伤
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:第一类是由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝(又称为受力裂缝)；第二类是由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝。
1.2.1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ε=0.0001～0.00015，换句话说，混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力为σs=εEs=(0.0001～0.0015)×200000=20～30MPa，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不可避免的。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，钢筋不会生锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应小一些。新颁布的《钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定限值:Ⅰ类及Ⅱ类环境0.2mm；Ⅲ类及Ⅳ类环境0.15mm。
图1中①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中②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，应引起足够重视。
图1钢筋混凝土简支梁典型结构性裂缝分布
1.2.2非结构性裂缝
1)收缩裂缝。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为(3～4)×10-4。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，混凝土早期强度低，很容易出现收缩裂缝。
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、温度变形、温度应力的不同，温度裂缝可分为3种类型:①截面均匀温差裂缝。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。②截面上、下温差裂缝。以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度突然变化时，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。③截面内外温差裂缝。水泥在水化过程中会产生一定的水化热，其大部分热量是在混凝土浇筑后3d内放出。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。
2、桥梁改造加固方案设计
2.1设计的原则
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。
2.2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(强度加固)、使用功能加固(刚度加固)和耐久性加固三种情况。
1)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，注意新加补强材料与原结构的整体一致性。
2)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。
3)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，提高结构的可靠性及使用功能，延长结构使用寿命。
2.3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。在加宽宽度不变的情况下，尽量将加宽部分与原桥结构连为一体，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。
3、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:第一类为改变结构体系，调整结构内力，减轻原梁负担；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:
1)在受拉区直接增设抗拉补强材料，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的分阶段受力特点。后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下达不到抗拉强度设计值。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。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，设计就会变得很不安全。
2)采用预加力原理进行加固补强，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
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。