桥梁结构病害分析与改造加固设计-张树仁.

桥梁结构病害分析与改造加固设计哈尔滨工业大学张树仁教授桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授1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。桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授2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，检测应重在桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授3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。桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授4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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授5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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授6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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授7§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，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。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造成的。海水是氯离子的主要来源，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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授8§1-1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏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。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，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。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是：第一章桥梁病害诊断桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授9§1-1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏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）；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—骨料反应裂缝区别与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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授10§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：①表面分层剥落，骨料暴露，但剥落层下面的混凝土完好；②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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授11§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；③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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授12§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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授13§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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授14§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桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授15§1-2混凝土结构的裂缝分析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，允许裂缝宽度还应桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授16小一些。新颁布的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2004（以下简称桥规JTGD62）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：Ⅰ类及Ⅱ类环境0.2mmⅢ类及Ⅳ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122图1-1钢筋混凝土梁结构裂缝桥梁结构病害分析与改造加固设计2005年1月哈尔滨工业大学交通科学与工程学院张树仁教授17图1-1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1-1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