梁式桥病害及加固对策

2024-09-19

梁式桥病害及加固对策（精选3篇）

梁式桥病害及加固对策篇1

一、引言

桥梁在成桥运营中, 由于自然环境和使用环境的变化, 结构会产生损伤和性能指标的退化。尤其是许多桥梁超负荷使用, 已带来严重的安全隐患。而改造又限于资金的紧缺, 只能采取投资较少, 施工期短, 又能缓解当前运输紧张状态的维修与加固技术措施。因此, 在建和在役桥梁的病害防治, 包括桥梁的维修加固是现代桥梁所面临的重要课题。

梁桥病害主要有伸缩缝损坏、支座失效、梁体裂缝、柱墩裂缝以及跨中挠度过大等。其中梁体裂缝、柱墩裂缝以及跨中挠度过大等属于结构刚度不足所引起的, 其构件加固方法有别于支座、伸缩缝等可更换构件。以下就这几种常见病害及加固维修对策进行分析。

二、支座病害及处治

桥梁支座处于桥梁上、下部构造连接点的重要位置, 主要用来将上部结构荷载传递到下部结构, 容许上部结构在荷载、温度变化、混凝土收缩徐变等因素作用下自由变形 (包括轴向伸缩和转动) , 使结构的实际受力状况符合设计计算图式, 保护梁端、墩台帽不受损伤。支座一旦有所损坏, 将直接影响桥梁结构的安全性和耐久性。

支座在使用过程中, 由于设计、施工以及材料老化的原因, 往往容易发生以下几种病害: (1) 支座脱空、不均匀支撑; (2) 支座变形过大; (3) 橡胶老化、开裂; (4) 支座移位、偏压等。

对于上述几种支座病害的处理方法, 一般均需要更换支座。具体施工方法为:搭设顶升支架, 采用特制的超薄型油压千斤顶将梁顶起, 横桥向各片梁也应保证同时顶起, 具体施工流程如图1所示。

三、伸缩缝病害及处治

由于伸缩缝设置在梁端等构造薄弱部位, 直接承受车辆反复动力荷载及冲击作用, 同时还承受疲劳、磨损以及化学性和物理性的各种侵蚀。在各种综合作用下, 伸缩缝周围的混凝土在频繁冲击作用下容易破损, 从而使伸缩缝变形、破坏。

多年的桥梁检测实践表明, 桥梁伸缩缝已成为桥梁结构发生病害最为频繁的部件之一, 其主要病害有: (1) 伸缩量过大, 橡胶条被拉裂或挤出; (2) 橡胶条的老化、脱落; (3) 型钢断裂及锚固混凝土的开裂、破碎; (4) 伸缩缝安装标高与两侧路面有差异, 引起伸缩缝处跳车; (5) 伸缩缝本身变形或锚固筋脱落等造成早期损坏。

伸缩缝的维修及加固处理要视其病害的程度而采取不同的措施:对于橡胶条拉裂、老化或脱落, 但其他部位完好的伸缩缝, 仅需更换跨缝材料, 如毛勒缝、橡胶伸缩缝的橡胶条;对于锚固混凝土的破碎或出现粗长裂缝但伸缩缝型钢及伸缩缝钢筋完好、伸缩缝使用功能未受损害的伸缩缝, 则酌情对伸缩缝锚固混凝土重新浇筑;对于伸缩缝型钢或钢筋裸露、变形, 而致使伸缩缝使用功能明显受损的伸缩缝, 则需要更换整个伸缩缝装置, 包括跨缝材料和锚固件。

四、结构刚度不足及加固

由外荷载引起的结构裂缝, 以及荷载作用下的变形过大, 均预示结构承载能力可能不足或存在严重问题。这种病害在大跨PC箱梁桥里较为突出, 主要表现为主跨下挠过大、腹板斜裂缝、底板裂缝等, 因此需要对其结构刚度补强。

结构性补强一般通过增大构件截面、粘贴补强材料、改变结构体系等方法来实现, 从而改善结构性能, 恢复或提高现有桥梁的承载能力, 延长其使用年限, 适应现代交通运输的要求。

1. 增大截面法

增大截面法是指在原结构截面处, 增加受力钢筋, 加大混凝土截面尺寸, 使其与原结构形成整体, 从而增大构件的有效高度和受力钢筋面积, 增加构件的刚度, 提高桥梁整体承载力。该法主要针对受力钢筋和截面尺寸偏小、设计荷载等级偏低而导致承载力不足的缺陷, 适用于梁 (板) 桥及拱桥拱肋的加固。

但需注意的是, 加大构件截面, 会使上部结构恒载增加, 对原结构及基础承载力有一定影响, 主梁成为二次受力的叠合构件。原主梁截面除承担原自重产生的应力外, 还承担后期恒载和活载产生的应力, 需按二次受力叠合梁进行承载力极限状态和正常使用状态验算。如果桥面铺装也进行加固, 则可适当考虑部分铺装层参与受力。

该方法应用范围广, 施工工艺简单, 并具有成熟的设计和施工经验, 能有效增大截面尺寸及截面刚度, 但现场作业量大, 养护期长, 而且自重加大产生的内力增量会消抵部分或全部结构承载能力, 而且截面增大还需注意对结构外观和净空的影响。

2. 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固是采用粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉边缘或薄弱部位, 使之与结构物形成整体, 从而提高梁的承载能力的一种加固方法。钢板固定于受拉混凝土表面可以增加混凝土结构抗弯刚度, 使结构挠度减小, 限制了裂缝的发展, 且受力均匀, 不会在混凝土中产生应力集中现象, 除此以外, 该方法还具有施工简便, 快速, 不影响结构外形, 加固费用低, 不减小桥梁净空以及增加荷载不多等优点。不足之处是粘结剂的质量及耐久性是影响加固效果的主要因素。

此种结构除发生强度破坏外, 根据所粘贴钢板的范围, 粘贴用胶的强度及混凝土与钢筋的粘结力, 还可能出现粘结失效破坏和混凝土保护层剥落破坏。因此, 必须合理确定所用于加固或维修钢板的厚度、胶体的性能, 并从以下3个方面进行分析:

(1) 梁仅发生弯曲破坏, 即混凝土压碎时, 钢板亦屈服。

(2) 合理确定接触面应力以避免粘结力失效破坏。

(3) 合理确定剪切能力以避免混凝土保护层剥落破坏。

3. 外包钢法

外包钢法加固具有施工简便、受力简单直观 (按刚度比分担原结构的荷载) 、对施工环境影响小、不显著增大原构件截面尺寸和自重但可以大幅度提高其承载能力等优点, 主要适用于提高受压为主构件的承载力、刚度和延度, 如桥墩、拱肋、桁架杆件的加固。适用在环境温度:-20～60℃范围内, 相对湿度不大于70%, 无化学腐蚀地区。但需对结合面进行处理, 并钻埋螺栓孔, 对原结构产生了损伤, 且钢材需作防腐处理, 增加了日后的养护费用。

外包钢法加固可分为干式外包钢和湿式外包钢法加固, 外包钢用钢材有型钢、钢板、扁钢和钢管等。

(1) 干式外包钢法:当型钢与原柱间无任何联接, 或填塞水泥砂浆但仍不能确保结合面剪力有效传递时, 称为干式外包钢法。

(2) 湿式外包钢法:除钢筋联接外, 还以乳胶水泥粘贴或以环氧树脂灌浆等方法粘贴, 称为湿式外包钢法。湿式外包钢法除角钢可以分担原结构的荷载, 外套扁钢可以对核心混凝土产生约束作用, 提高其受压强度, 加固效果优于干式外包钢法。

4. 粘贴纤维复合材料

纤维复合材料是高强度的材料, 强度通常都达到3000MPa以上 (如碳纤维) , 可用于抗弯、抗剪、抗压 (偏心受压) 等构件的加固, 一般在混凝土梁式桥、板桥、盖梁的抗弯、抗剪加固中使用较多, 还适用于混凝土墩柱的抗压补强、抗震延性补强以及地震破坏后的修复。

纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性, 不存在屈服点或塑性区。碳纤维具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能, 以及施工速度快, 施工工期短, 粘贴质量容易得到保证等优点。采用缠绕粘贴高强复合纤维对轴向受压构件进行加固可以明显地提高柱的承载力, 由于高强复合纤维层的约束作用, 在纵向力的作用下, 混凝土处于三向受压状态, 可以较大幅度地提高结构的抗压承载力。

值得注意的是, 纤维复合材料的弹性模量相对其强度来说却小得多, 常用的一般为230 GPa, 高弹性模量也不过380～640 GPa。要发挥较大的强度, 纤维复合材料需要相当大的变形。当与钢筋共同工作, 钢筋完全发挥强度时碳纤维才发挥出不到20%的强度, 难以高效抑制结构的变形与裂缝的扩展。

因此, 采用粘贴高强复合纤维加固, 对结构的刚度提高不大, 对于以控制结构变形为主要目的的使用功能加固是不适宜的。在加固设计时, 不能简单地将碳纤维作为钢筋的替代物, 必须考虑碳纤维片材的受力特点。

5. 改变结构受力体系

改变结构体系加固常使用的方法有:简支变连续、梁桥转换为梁拱组合体系或矮塔斜拉桥法、增加辅助墩法等。

(1) 体外预应力加固:把具有防腐保护的预应力筋布置在梁体的外部 (或箱内) , 对梁体施加预加力, 靠后增设的转向装置调整体外预应力筋的方向, 以适应内力沿梁长方向的变化, 以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力, 达到提高承载力的目的。

(2) 简支变连续法:将两跨及两跨以上的简支梁的梁端连起来, 使受力体系由原来的简支转换连续, 减小跨中正弯矩, 提高结构的承载力。

(3) 梁桥转换为梁拱组合体系法:在原梁下设置拱肋, 拱肋上设立柱及盖梁来支撑原简支梁, 减小梁的跨进和及荷载作用下的跨中弯矩, 但原桥墩台地基应力及稳定性必须满足要求才能适用该加固方法。

五、结论

桥梁加固技术是目前桥梁工程的新热点, 大量的旧桥需进行改造或加固, 以满足公路运输发展的需要。历史和实践证明, 采取有效的加固处理措施, 可恢复甚至提高旧桥承载能力及通行能力, 延长桥梁寿命, 从而节省大量投资, 获得良好的社会效益和经济效益。

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梁式桥病害及加固对策篇2

预应力混凝土连续梁式桥以其施工方便、跨越能力强、造价经济、养护方便等优点,在我国公路建设中得到越来越广泛的应用。如:1985年建成的主跨111m的湖北沙洋汉江桥,是我国第一座主跨突破100m的连续梁桥;1988年建成的广东番禺洛溪大桥是我国第一座预应力混凝土连续刚构桥,其跨径布置为65m+125m+180m+110m,它的建造成功使得连续刚构这种经济合理的桥型在我国迅速得到推广应用;1997年建成的的广东虎门大桥辅航道桥,主跨达270m,是当时世界上最大跨度的预应力混凝土连续刚构桥;2006年9月25日通车的重庆石板坡长江大桥复线桥,采用主跨达330m的连续刚构箱梁桥。

然而,近年来这类型桥梁普遍出现主跨持续下挠、腹板斜裂缝、底板裂缝等病害,已成为困扰国内外同类桥型设计、施工及养护的主要问题。据统计,跨径80～100m以下的梁桥,病害较少;跨径100～160m的梁桥,病害较多;跨径160m以上的梁桥,病害就更多。

由于跨中下挠会进一步加剧箱梁底板腹板开裂,而箱梁梁体裂缝增多使结构刚度降低,进一步加剧了跨中下挠,这两者互相影响形成了恶性循环。这是一个由多因素引起的复杂问题,从设计施工到运营养护管理等各个方面都存在着导致问题出现的因素。目前由于其成因的多样性和复杂性,其因素之间相互作用的机理尚未明确,进行这方面的研究具有十分重要的意义。

二、常见病害

目前国内外的大跨径梁式桥,存在一些较常出现的病害。概括起来,有两大类:跨中持续下挠及梁体开裂。

预应力混凝土连续梁式桥运营阶段所产生的持续下挠是一个较普遍的现象,尤其是大跨径梁式桥,如表1所示。这主要是由预应力损失和混凝土收缩徐变估计不足引起的,严重时甚至会发生跨桥。如科罗·巴岛(KororBabeldaob)桥是一座跨中带铰的3跨连续预应力混凝土刚架桥,其跨径组合为72m+241m+72m,是当时世界上同类桥梁中跨径最大者。1978年建成通车,通车后不久就产生了较大的挠度,到1990年,其挠度达到1.2m。后来采用体外索施加预应力,使主跨中央挠度减小。1996年7月加固结束,加固处理后不到3个月就发生了倒塌事故。

预应力混凝土连续梁式桥的梁体开裂也是一个很严重的问题,主要表现在施工过程中的裂缝及运营阶段产生的裂缝,两者机理稍有差别。在施工过程中,裂缝的产生主要是由于混凝土收缩或构造不合理产生,一般有两种情况:不同龄期混凝土收缩裂缝以及预应力布置不合理或者施工偏差造成的裂缝。由于各个构件混凝土浇注时间不同,早期浇注的混凝土将对新浇注混凝土的收缩产生约束从而引起裂缝。这类裂缝一般有以下几种:①墩身与承台交界处的竖向裂缝;②1号块与0号块之间接缝附近的纵桥向裂缝(主要在顶底板);③腹板分层浇筑接合面处竖向接缝;④人孔附近等。预应力布置不合理或者施工偏差造成的裂缝主要有:①顶板横向裂缝;②预应力锚头附近的裂缝;③曲线底板的分层劈裂等。

运营阶段所产生的裂缝主要有顶板纵向裂缝、腹板斜向裂缝、底板横向裂缝和底板纵向裂缝等。如广东南海金沙大桥运营6年后,检查发现主跨跨中挠度达22cm,主跨箱梁腹板有大量斜裂缝,最大裂缝宽度1.15mm;黄石长江大桥在运营7年后,通过对箱梁的详细检查,共发现裂缝6638条,其中5328条分布在箱梁腹板内表面上,1073条分布在箱梁腹板外表面上,237条分布在箱梁底板上。

三、病害原因

根据结构的受力特性,使主梁产生持续下挠可能与主梁混凝土收缩及徐变、主梁刚度变化、主梁纵向预应力有效性降低及荷载增加等因素有关;使箱梁产生裂缝可能与主梁纵向、竖向预应力有效性降低、局部受力、混凝土徐变收缩、混凝土性能不稳定以及施工质量等因素有关。

1混凝土徐变计算

大跨径梁式桥的恒载内力占总内力的80%甚至90%以上,为减小恒载内力,设计时常通过减薄板件来减小桥梁的恒载。然而板件的减薄同时带来两个直接后果:1)由徐变理论可知箱梁的板件越薄,理论厚度就小,就有较大的徐变系数;2)板件薄,混凝土的应力就高,而徐变变形又与应力成正比。而混凝土收缩、徐变的计算是一个十分复杂而又难以精确计算的非线性问题,所有影响收缩、徐变的因素,连同它们所产生的结果本身都是随机变量,它们的变异系数最好也要达到15%～20%。现在大跨径梁桥箱形截面越来越轻型,板件越来越薄,混凝土强度等级越来越高,使得徐变对结构的影响越来越大而往往又估计不足。

此外,设计时徐变挠度计算只针对恒载。但在繁忙交通的路段上,桥上车流日夜不断,部分活载也实际成了“恒载”,也会产生徐变挠度,导致下挠增大。

2预应力配置

目前设计人员对预应力的认识不足,一般设计时仅按上、下缘混凝土不出现拉应力来控制预应力筋数量,未充分考虑预应力对控制徐变的作用。对于同一座桥梁来说,预应力的不同配置,将引起沿截面高度的压应力分布不同,从而会导致徐变变形的大小甚至方向,如图1所示。

a)徐变下挠大;b)徐变下挠小;c)只有轴向徐变;d)徐变上拱

预应力配置不足将使恒载下挠在悬臂浇筑各施工阶段的数值均较大,而设计时只是被动的去设置节段预拱度来解决恒载挠度。殊不知徐变下挠与恒载弹性下挠大体成正比,设预拱度是被动的,它可以抵消一部分下挠,但却丝毫不能减小徐变下挠总量,从而导致在运营阶段主跨持续下挠。

3预应力损失估计不足

大跨径梁式桥多采用悬臂浇注法施工,其预应力管道往往跨越几个节段。由节段施工引起的管道偏差等施工问题,将使得预应力与管道的实际摩擦系数u以及管道偏差系数k通常比规范规定的要大。实际施工时,对进行预应力损失试验重视不够,没认真去做。有试验表明,预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失,比设计采用值大很多,甚至差几倍。这样就会导致有效预应力不足,下挠增大。

由混凝土收缩、徐变引起的损失和预应力钢筋松弛损失随着时间的增加而逐渐增大,并且两者相互影响,一方面混凝土收缩、徐变使结构缩短,加剧了预应力松弛损失;另一方面,预应力松弛改变了结构的内力状态,从而影响着混凝土收缩、徐变。所有这些都影响了预应力损失的计算精度,使得预应力损失的实际值与理论计算值有较大差别。

4预应力施工

目前我国施工质量水平总体不高,管理不完善,施工人员素质参差不齐,往往对预应力的认识不够,从而出现预应力施工质量问题。

在纵向预应力施工过程中,经常发生管道不平顺、管道偏离设计位置或灌浆不饱满、忘记灌浆等情况,这将导致预应力束的偏心距改变、预应力摩阻损失增大或者预应力钢筋锈蚀等问题。纵向预应力不足时将使得主梁腹板产生斜裂缝或者下挠加大。

竖向预应力张拉施工中,技术人员往往对其重视不够,常常出现张拉吨位不足甚至未张拉,或者张拉时锚具不垂直或锚具与垫板间有杂物,使锚口损失增大等问题。预应力产生的腹板主应力不足,将造成斜裂缝。

横向预应力施工时,如若管道固定不足,在混凝土浇注时管道上浮,也会产生顶板横桥向沿预应力管道裂缝。

5片面强调缩短施工周期

中国的桥梁工程往往追求速度,设计图纸上往往仅标明混凝土强度达到设计强度的80%～90%后,即可张拉预应力,而没有对混凝土的加载龄期提出要求。因此,施工单位常采用添加早强剂的办法来缩短施工周期,有的甚至在浇筑混凝土3天内即张拉预应力。而早期混凝土弹性模量的增长明显滞后于强度的增长,添加早强剂后,混凝土虽很快达到规定强度要求,但其弹性模量往往仅达到设计值的70%甚至更小。对混凝土结构的过早加载会不仅使预应力的徐变损失加大,而且使徐变挠度增大。

3.6其他

此外,在分层分段浇筑时,由于各个构件混凝土浇注时间不同,早期浇注的混凝土将对新浇注混凝土的收缩产生约束,从而引起裂缝。竖向分层间的不同步收缩裂缝有承台与桥墩交界处混凝土竖向裂缝和腹板后浇混凝土开裂(竖向裂缝);纵向节段间的不同步收缩裂缝主要出现在0号与1号块之间,1号块顶底板纵向裂缝。因此,节段浇筑时间间隔不要过长,截面配筋要考虑收缩影响。

对于上世纪早期建造的桥梁,由于设计荷载标准低,已不能满足日益增长的汽车通行要求,且超载超限行驶的车辆渐多,这也是导致桥梁病害的主要原因。在大跨径桥梁中,超载特别是超重车轴荷载的作用,对横向的影响比纵向更大。这是因为纵向弯矩中,自重占绝大部分;而横向弯矩,主要由活载引起,轴重超过规范时,易出现顶板下缘的纵向裂缝。汽车超载将增加桥梁总体下挠,且桥梁薄弱截面经常会出现临时裂缝、横向裂缝等。

四、防治对策

针对以上分析,在设计上,可以采用以下措施来预防和处治跨中持续下挠以及梁体裂缝等病害:1)保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度。设计计算中要充分考虑混凝土收缩、徐变的不确定性,做好一些备用措施的设计,比如预留备用预应力管道,在跨中下挠过大时可以及时采取补救措施;2)优化预应力钢束的设计,控制截面应力分布的梯度。如果梁的正截面和斜截面强度得到保证,而且截面应力梯度小,则不会同时出现下挠与开裂。在这样的前提下,只需设较小的预拱度,以抵消预应力徐变损失以及由合龙后混凝土徐变引起的徐变挠度;3)做好箱梁的抗剪设计,提高结构的耐久性,使得箱梁不产生裂缝,以保证结构的刚度和预应力钢筋不被腐蚀;4)跨中区段结构轻型化。如Stolma Bridge和RaftSundet Bridge的中跨采用18kN/m3的轻质混凝土;跨度为330m的石板坡复线桥中跨采用108m的钢梁,其根部弯矩仅相当于270m跨度的弯矩。

在施工方面,要做到以下几点:1)预应力管道定位一定要准确,提高预应力施加的可靠性,确保建立足够的预应力度;2)预应力钢束张拉后要及时灌浆,而且灌浆要饱满;3)合理安排施工工期,为了减小混凝土长期收缩、徐变,应适当延长混凝土初次加载龄期;4)规范施工控制,严格做好挂篮和模板的变形控制以提高施工精度;5)应做好现场混凝土收缩、徐变试验和预应力孔道的摩阻试验,获得比较接近现场实际的收缩、徐变系数和管道摩阻、偏差系数,以便校正设计。

在长期运营阶段,要加强桥梁的使用管理、健康检测和维护,可以通过设置动态称重系统,以计重收费的方式来限制车辆荷载。

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