桥梁加固设计理念的再思考解析

桥梁加固设计理念的再思考桥梁杂志2012年第一期发表了笔者所写的 桥梁加固设计理念的再 思考文，现转发供参考。编者按：本文作者张树仁教授曽相继发表了从被动加固到主动加固的思考一一桥梁加固设计思想之我见 和桥梁加固设计理念剖析与商榷 两篇 文章。他提出的“坚 持桥梁带载加固必须考虑分阶段受力特点的基本观点，从解决后加补强材应变滞后，提高材料利用效率的根本目的出发 ，积极倡导预应力主 动加固技 术的推广应用”的桥梁加固设计思想 ，已逐渐被同行专家所认同，就全 国范围而言，己 有越来越多的从事桥梁维修加固设计与施工的工程技术人员和管理工作者，从“不分加固性质，盲目乱贴碳纤维布”的桥梁加固误区解脱出来，在认真思考和积极实践“预应力主动加固技术”设计思想的真实含义和实用价值，这是我国桥梁加固事业逐步走向理性化的良好开端。1加深对桥梁加固分阶段受力特点的认识是树立正确设计思想的前提,桥梁加固设计是比新建桥梁设计更为复杂的系统工程， 应充分考虑在 役桥梁 结构的实际情况和加固受力特点。 桥梁结构自重和恒载大，一般均采用带 载加固，即在不 卸除结构自重和恒载的情况下对结构进行加固补强， 待后加补强 材料与原结构粘结为整体后，开放交通允许车辆通行。4图i-i桥梁加固钢筋混凝土受弯构件分阶段受力示意图桥梁加固薄弱构件的承载力计算，必须考虑分阶段受力特点。图i-i所示为佃政图一期荷载作二雅用下的曲團用下的曲團桥梁加固钢筋混凝土受弯构件分阶段受力示意图。 构件自重和不拆除的恒 载由原梁承担 ， 车辆荷载及后加恒载由加固后的组合截面承担。 与原梁钢筋相比， 后加 补强材料应变（应力）相对滞后，一般情况下， 在极限状态时其应力是达不 到抗拉强度设计值。 计算结果表明， 考虑分阶段受力的影响， 加固构件以原梁钢 筋的拉应力控制设计， 后加补强材料拉应力较小 ，不能充分发挥作用。特别是采 用的直接粘贴高强碳纤维布 （ 板 片 ）的被动加固方案，后加补强材料的高抗拉性能 是很难发挥作用，“大马拉小车”是一 种极大的浪费。桥梁加固构件的设计与计算，应考虑带载加固分阶受力特点，这是桥梁加固设计 与新建桥 梁设计的最大区别，与一般房屋结构加固设计相比，桥梁加固构件受分 阶段受力的影响程 度更为突出。2 预应力加固的根本目的是解决后加补强材料应变滞后桥梁带载加固后加补强材料应变（应力）滞后是影响加固构件工作性 能、制约 后加补强材料利用效率和控制加固工程成本的瓶颈。解决后加补强材料 应变（应力）滞后 的根本途径是变被动加固为主动加固， 对后加补强材料施加预 应力，做成预应力加固体系 ，正截面抗弯加固要加预应力 ，斜截面抗剪加固更要加 预应力。 靠预应力的主动受力，从根本上解决后加补强材料的应变 （应力）滞后， 提高后加补强材 料的利用效益，以最少的成本创造最佳的加固效果。由于预加力 的作用改善了原梁的应力 状态，可以提高原梁的承载力和抗裂性能。预应力技术是 20 世纪最具革命性的结构构思，已广泛用于土木和建筑工程。针 对桥梁带载 加固后加补强材料应变 （应力）滞后的先天不足，预应力加固技术在 桥梁加固中的应用具 有更为特殊的意义。用于桥梁结构加固的预应力体系主要有四种： 体外预应力加固体系体外预应力加固是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。体外预应力加固是目前桥梁加固采用较多的方法之一。特别适用于大跨径预应力 混凝土连 续箱梁和连续 T 构箱梁桥的加固。其关键技术是体外预应力筋的锚固、转向和防腐保护问题。 无粘结预应力加固体系无粘结预应力技术是将具有防腐保护的预应力筋布置在梁体的内部， 待混凝土硬 化后张拉预应力筋，对梁体施加预加力。将无粘结预应力技术推广用于桥梁加固， 其核心 问题是解决为锚固无粘结预应力筋而增设的混凝土支承保护层与被加固 梁体的可靠粘结问 题。无粘结预应力加固，特别适用于中、小跨径钢筋混凝土 T 形梁的加固，构造简单，施 工方便。 高强复合纤维预应力加固休系采用锚固、粘贴在梁休外部（或箱内）的高强复合纤维布条（或板条）对梁体施 加预加力。 这种加固休系目前尚处于试验研究阶段， 其关键技术是解决适应于桥 梁加固现场施工的预 应力纤维布（板）的张拉、锚固和张拉后纤维布条（或板 条）与被加固梁休的可靠粘结问 有粘结预应力加固体系 有粘结预应力加固体系是采用锚固于被加固梁体上的2? 3 股钢绞线、小直径精轧螺纹钢或普通热轧钢筋，对梁体施加预加力，然后喷注具有较高抗拉强度的复 合砂浆，将预应力筋与被加 固梁体粘结为一体，构成有粘结预应力加固体系。混凝土及预应力混凝土连续有粘结预应力加固体系特别适用于中、小跨径的钢筋混凝土T 形梁和空心板梁的加固，尤其是对高速公路和城市立交工程中大量采用的中等跨径的钢筋 箱梁桥， 采用在箱梁底部增设预应力筋，然后喷注高 性能复合砂浆的有粘结预应力加固体系是理想的加固 方案之一。3 有粘结预应力加固构造要点和关键技术采用锚固于被加固梁体上的小直径钢绞线或普通热轧钢筋，对梁体施加预加力， 然后喷注高性能抗拉复合砂 浆的有粘结预应力加固体系是笔者于 2004 年在总结韩国 SRAF 技术的基础上提出的加固设计新构思 , 其关键技术是预应力筋张拉与 锚固和高强复合砂浆的合理 选择与喷注 ?3.1 预应力钢筋种类、张拉与锚固 用于有粘结预应力加固体系的预应力钢筋， 可采用 2 股或 3 股钢绞线、小直径精 轧螺纹钢等国产钢材。由于用于旧桥梁加固的预应力筋应力损失较小， 张拉控制 应力较低，对某些情况下甚至可以采用小直径的普通热轧钢筋（ HRB40C 或 HRB335 作预应力筋。小直径精轧螺纹钢采用厂家配套的螺帽锚固，采用小型液压测力扳手进 行张拉，张拉控制应力可取 0.7-0.8f Pk 。小直径钢绞线（ 3 股或 2 股钢绞线）采用夹片锚具锚固，采用小型千斤 顶进行张拉，张拉控制应力 可取 0.5-0.6f pk 0小直径钢绞线和精轧螺纹钢预应力筋采用锚固于梁体上的 支承角钢固 定，支承角钢与被加固梁 体的锚固方式因原梁钢筋布置的情况而异， 可以采用膨 胀螺栓（或植筋），亦可采用膨胀螺栓与胶结（或 焊接）相结合的方式。小直径的热轧钢筋（ HRB40C 或 HRB335 可采用焊接连接锚固。将钢筋的两 端焊接在固定于被加固 梁体上的锚固钢板条上 ，采用横向拉紧变形法进行张拉 ， 张拉控制应力可取与一期荷载作用下原梁钢筋应 力大致相同的水平，一般取0.4-0.6f pk o3.2 高性能抗拉复合砂浆的选择和喷注有粘结预应力加固体系依靠后喷注的高性能抗拉复合砂浆，将预应力筋 与被加固梁体粘结为一体， 复合砂浆的高粘结强度是保证两者共同工作的基础，提。复合砂浆的高抗拉性能是控制结构抗裂性、保护后加预应力钢筋免于腐蚀的前目前国内生产的高性能复合砂漿种类很多，尚无统一的生产标准，生产厂家给出的性能指标也不尽相同。笔者建议用于桥梁加固的高性能复合砂浆，应滿足表3.2-1规定的性能要求。桥梁加固用高性能复合砂浆主要性能要表 3.2-1砂漿性能抗压抗拉强度粘结面抗剪标准碳化氯离分级强度标准强度标准值深度子标准值值(Mpa)(Mpa)(mm)渗透性(Mpa)(库伦)一级 3585很低(100-1000) 30玄68很低(100-1000)二级三级 304 10 低(1000-2000)四级 303 15低(1000-2000)注：抗压强度采用 GB-18445-2001标准试验测； 抗拉强度采用劈裂试验测定； 粘结面抗剪强度采用纯剪试验测定，并应标明所用界面剂和界面处理情 况； 碳化深度采用GBJ 82-85标准试验测定； 氯离子渗透性米用 ASTMC 1202-97标准试验测定，根据测得的电量,判断 氯离子渗透性,4000 库伦,渗透性高；2000-4000库伦,渗透性中等；1000-2000库伦,渗透性低；100-1000库伦,渗透性低；100 库伦； 上述强度标准值应具有 95 %1 勺保的保证率。复合砂浆的选择应综合考虑桥梁的使用环境、加固设计抗裂性要求和加固施工情况的影响,建议按下列意见处理：(1)用于梁底受拉区正截面抗弯加固 采用小直径钢绞线、高强钢丝和精轧螺纹钢筋的有粘结预应力加固:对处于I、 U类环境的桥梁，可采用二级复合砂浆；对处于类环境的桥梁 宜采用一级复合砂浆。 采用普通热轧钢筋 （HRB335 HRB400 ）的有粘结预应力加固：对处于 I、 U 类环境的桥梁可采用三级复合砂浆 ；对处于川、 W 类环境的桥梁宜 采用二级复合砂浆。（2）用于腹板 （梁肋 ）侧面的斜截面抗剪加固采用普通热轧钢筋 （HRB335 HRB400 ）的有粘结预应力加固 , 可采用三级复 合砂浆注：桥梁使用环境类别按桥规 JTG D62-2004 的规定划分 ，I 类 环境系指温暖或寒冷地 区的大气环境 ，与无侵蚀性水或土接触的环境 ；U 类环境 系指严寒地区的大气环境、使用除冰盐环境、滨 海环境；川类环境系指海水环 境；W类环境系指受侵蚀性物质影响的环境。复合砂浆的保护层的厚度（砂浆表面至钢筋表面的距离）应根据材料 抗碳化性能和抗化学腐蚀能 力，由耐久性要求确定， 一般取（1015 ） mm 复合砂 浆的喷注厚度与钢筋布置情况有关， 一般为（ 3040 ） mm 布置支承角钢（锚垫 板）的梁段的喷注厚度较大，应分层喷注。笔者近年开展试验研究和工程实践表明 ?有粘结预应力加固体系以 其加固效果显著、结构耐久 性好和施工方便的综合技术优势， 受到土木工程界的 重视,己在黑龙江省哈同公路蚂蚁河 2 号桥、曲家屯桥， 河北省京沪高速漳卫新 河岔河大桥，山西省太旧高速宿武立交枢纽工程，山东省烟台开发区夾河大桥， 辽 宁省鹤大公路丹东大洋河大桥，沈阳环城高速后丁香大桥和苏北大桥等多座桥加固中应用，取得了良好的加固效果。但就全国范围而言 ，有粘结预应力加固技 术推广应用进展不快 ，其主要原因是由于后喷注的高性 能抗拉复合砂浆 （或聚合 物砂浆）的价格较贵，加固成本较高， 限制了这一先进加固技术的进一步推广应 用。 因此，从我国桥梁加固工程的实际需求出发，研究开发施工更为方便、加固 成本相对较低的有粘结应力加固 应用技术是十分必要的。4 横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加技术的研制与开发笔者在总结近年来有粘结预应力加固技术推广应用经验和问题的基础上，于 2010 年开展了横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固新技术的研制与开发，并申报了国家发明专利。横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固技术的核 心内容是：采用具有防腐保护的环氧涂层钢筋，替代高强 钢绞线或普通热轧钢筋 做预应力筋，这样 ，可降低对后喷的复合砂浆的抗裂性要求（甚至可允许加固后 构 件出现不大于 0.2mm 的裂缝），可以用抗拉强度相对较低的复合砂浆（或混凝 土）替代价格昂贵的高性能 抗拉复合砂浆（或聚合砂浆），使加固成本大幅度降 低。环氧涂层钢筋的母材可采用普通热轧钢筋（ HRB 355 或 HRB 400。（1）用于桥梁加固的预应力筋预应力损失小 ，这为采用强度相对较低的普通 热轧钢筋（ HRB 355 或 HRB 400 作预应力筋提供了可能。采用普通热轧钢筋（HRB 355或HRB 400作预应力筋的优点是： 普通热轧钢筋的可焊性好 ，可以采用焊接连接 ； 普通热轧钢筋的塑性好 ，可以防止材料的脆性破环 ； 普通热轧带肋变形钢筋与砂浆的粘结强度高。4.1 横向张拉控制应力的选择与控制桥梁加固中对后加补强材料施加预应力的主要目的是解决变 （应力）滞后， 施加的张拉控制应力 ，应与一期荷载作用下原梁钢筋应力处于大致相同的水平 ， 一般取张拉控制应力 0.5-0.6f pk ,式中 fpk 为后加预应力筋的抗拉强度标准值。施工时张拉控制应力用可横向张拉后钢筋的倾斜角 （或钢筋转折点的坐标 ） 来测量和标定 ?其数值可 由下式计算。式中：Li- 张拉前两焊接锚固点间钢筋长度 ；L2张拉后钢筋的长度9 - 张拉后钢筋的倾斜角 ；EP预应力筋的弹性模量。4.2 复合砂浆（或混凝土）保护层材料选择及施工方法根据加固部位的抗裂要求和工作条件，选择复合砂浆（或混凝土）保护层材料和 施工方法。择三、四级复合砂浆 ， 采或箱内） ，可选择四级 板、梁的正截面抗弯加固，补强预应力筋布置在梁的底面受拉区，可选 用喷射法施工。 T 形梁和箱梁桥的斜截面抗剪加固，补强预应力钢筋布置在腹板的两侧复合砂浆（或混凝土） ，采用抹压法施工。4.3 横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固技术的应用横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固技术是有粘结预应力加固设计 思想的重大突破，将以加固 工作原理先进、加固效果显著、加固施工方便、材料 利用效率高和加固成本低的综合技术经济优势，成为桥 梁加固最具有竞争力的方 案。横向张拉环氧涂层有粘结预应力加固技术适用钢筋混凝土及预应力混凝 土桥梁加固，亦可用于房屋 建筑等其他结构的加固 ， 主要用于下列情况： 钢筋混凝土及预应力混凝土板、梁桥的正截面抗弯承载力加固； 钢筋混凝土及预应力混凝土 T 形梁、箱形梁桥的斜截面抗剪承载力加固 ; 多跨简支板、梁桥的简支转连续加固； 曲线型匝道桥的正截面抗弯承载力加固。(1 )横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力正截面抗弯承载力加固图 4.3-1.aLiIn图 4.3-1.b对空心板桥梁正截面加固示意图图4.3-1为采用横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力体系对空心板桥梁进行正截面加固示意图。在板底增设平行布置的小直径（0 12? 16 ）环氧涂层普通热轧钢筋（HRB355或HRB400 ），钢筋间距为（100? 200） mm （具体间距应按正截面抗弯承载力要求确定），钢筋两端焊接在固定于原梁底板两端的锚固钢板条上（锚固钢板条的厚度应不小于5mm。在钢筋的中部位置，对相邻两根钢筋施加横向拉紧力，将钢筋拉紧并固定呈折线形（图4.3- 1a ），用横向卡紧器固定。对于较长的钢筋应根据施加预应力的需要（即张拉后折线形预应力筋倾斜角），在相邻两根钢筋之间设置若干横向撑板（或锚固钢筋）将钢筋分段，在每段的中部位置，对相邻两根钢筋施加横向拉紧力，将钢筋拉紧并固定为多段折线形（图4.3- 1.b）,用横向卡紧器固定。然后，在板的底面喷注（30? 40） mm的复合砂浆，将预应力筋与原梁粘结为一体，构成有粘结预应力加固体系。（2）横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力斜截面抗剪承载力加固图4.3-2横向張拉环氧涂层钢筋有粘结预应力斜截面抗剪加固示意图图4.3-2为采用横向張拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固体系对预应力混凝土连续箱桥进行斜截面抗剪加固的构造示意图。该桥为顶推法施工的跨径40m的预应力混凝土连续箱梁桥，已使用10年，调查与检测发现，在靠近支点梁 段的箱梁腹板均出现多 条大致为45度方向的斜裂缝,裂缝宽度为0.1 0.4mm预 示斜截面抗剪承载力不足。众所周知,顶推法施工的预应力混凝土连续箱梁为适应顶推施工过程产生的正、负弯矩和剪力的反复作用，箱梁顶层和底层配置纵向水平预应力筋束较多，一般情况下正截面抗弯承力是足够的，但是由于无法配置弯曲预应力筋束,斜截面的抗剪承力不足，导致大量斜裂缝的出现的病害带有普遍性？经多方案对比分析，推荐采用横向張拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固体系对预应力混凝土连续箱桥进行斜截面抗剪加固（图4.3-2）。在靠边支点梁区段范围，在 腹板两侧增设竖向预应力筋，竖向预应力筋采用直径 为16-20mm的环氧涂层HRB40C钢筋，间距为200? 400mm （具体间距应根据斜截面抗剪承载力受力要求确定）。预应力筋的两端焊接在固定于腹板上的锚固钢板条上。在预应力筋中部，对相邻两根预应力筋施加横向拉紧力，将预应力筋拉紧呈折线形，用横向卡紧器固定，然后，在腹板两侧喷注 （抹压 ）40-60mm 厚的复合砂浆，将预应力筋与腹板 粘结为一体，构成有粘 结预应力斜截面加固系统。结束语坚持桥梁带载加固必须考虑分阶段受力特点的基本观点 ，从解决后 加补强材应变滞后 ， 提高 材料利用效率的根本目的出发 ，积极倡导预应力主动加 固技术的推广应用是我反复宣传的基本观点。 有粘结预应力加固体系加固设计思想先进，以其加固效果显著、结构 耐久性高、预应力锚固简 单和施工方便的综合技术优势，受到国内外土木工程界 的重视。但是，就全国范围而言，有粘结预应力加固 推广应用进展缓慢，后喷注 的高性复合砂桨（或聚合物砂桨）的价格贵，加固成本高 ， 限制了该项先进技术 的推广应用 ? 横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固技术是粘结预应力加固的新 突破，将以加固工作原理 先进、加固效果显著、加固施工方便、材料利用效率高 和加固成本低的综合技术经济优势，成为桥梁加固最 具有竞争力的方案之一。上述各点是我对桥梁加固问题的基本看法，抛出来与广大的同行专家 讨论和商榷。寄希望那些有远见卓识的领导者、企业家和工程技术人员的共同努力， 把我国桥梁加固设计工作提 高为更加理性化的新水平。