桥梁结构常见病害

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,*,桥 梁 结 构 常 见 病 害及其,FRP,防护、加固、修复新技术,张 锡 祥,重庆交通大学复合材料桥梁研究所,代 彤,林同棪国际（重庆）工程咨询有限公司,11/26/2024,1,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,摘 要,系统介绍桥梁结构的常见病害及其纤维增强聚合物复合材料（FRP）防护、加固、修复新技术,研究指出FRP技术是未来桥梁结构病害处治的发展,方向,1,2,11/26/2024,2,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,主 要 内 容,桥道梁常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术,桥梁墩柱常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术,桥梁索杆结构常见病害及其FRP防护、加固、修复新技术,结论,1,2,3,4,11/26/2024,3,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,1.桥道梁常见结构病害及其 FRP防护、加固、修复新技术,1.1 混凝土(RC)梁式、板式桥,1.2 钢箱梁桥,1.3 钢桁架桥,11/26/2024,4,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,1.1 混凝土（RC）梁式、板式桥,RC梁式、板式桥桥道梁、板常见,结构病害,RC梁式、板式桥桥道梁、板FRP,防护、加固修复新技术,11/26/2024,5,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,RC梁式、板式桥桥道梁、板常见结构病害,a）非自然病害：设计、施工缺陷及超载、改变用途、不可抗力破坏等作用,结构强度、刚度不足，裂缝宽度超限，延性降低 结构承载能力极限状态,及正常使用极限状态的安全条件不满足；,b)自然病害：自然环境及老化影响 混凝土表面碳化、破碎、腐蚀剥落,结构耐久性、安全性降低,RC梁式、板式桥桥道梁、板FRP防护、加固、修复,新技术,RC梁、板FRP防护、加固、修复构造,RC梁、板FRP防护、加固、修复技术性能,RC梁、板FRP防护、加固、修复施工技术（略）,11/26/2024,6,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,RC梁、板FRP防护、加固、修复构造 RC-FRP复合梁、板结构构造,a)RC梁、板受拉区外缘粘贴（满面粘贴或条带间隔粘贴）FRP层合板抗弯及,延性加固型RC-FRP复合梁、板构造（图1 a）；,b）RC梁、板受剪区侧面粘贴（满面粘贴或条带间隔粘贴）FRP层合板抗剪及,延性加固型RC-FRP复合梁、板构造（图1 b）；,c）RC梁、板截面周边包覆（横向连续包覆）FRP层合壳抗弯抗剪及延性、,耐久性加固 型RC-FRP复合梁、板构造（图1 c）；,a）型RC-FRP梁,b）型RC-FRP梁,c）型RC-FRP梁,图1 FRP加固RC梁截面构造,GRP层合板,RC 梁,GRP层合板,RC 梁,RC 梁,GRP层合板,11/26/2024,7,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,RC梁、板FRP防护、加固、修复技术性能 RCFRP复合梁板技术性能,结构性能,a)以,梁中钢筋（适筋梁）达到屈服极限,作为比较标准；型RC-GFRP复合梁,及型RC-CFRP复合梁的,极限承载能力,可分别提高20及40左右，型RC-CFRP,复合梁的,极限承载能力,可提高50以上（承载能力极限状态比较）；,b)以,梁的最大裂缝宽度,作为比较标准，型RC-GFRP复合梁荷载达到桥规,规定的时，,裂缝宽度,减小3040；以桥规规定的裂缝宽度来确定梁的,承载,能力,，型RC-GFRP复合梁比RC梁的,承载能力,可提高1530左右（正常工作极,限状态比较）；,c)以,梁的挠度控制,作为比较标准，在RC梁破坏前，型RC-GFRP复合梁的挠,度比RC梁的,挠度,减小不多，型RC-CFRP复合梁的,挠度,可减小1030，型RC-,GFRP复合梁的,挠度,可减小2030，并且，型RC-GFRP复合梁破坏前RC比梁具,有更大的挠度，使RC梁的,延性,增加，但应注意，型RC-CFRP复合梁的,延性,比RC,梁降低（正常工作极限状态比较）；,11/26/2024,8,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,d)以,梁的抗剪承载能力,作为比较标准；型RC-GFRP复合梁及,型RC-CFRP复合梁的,极限承载力,比RC梁可分别提高1030及20,40；型RC-CFRP复合梁的,极限承载力,可提高3070；,e)以,梁的动态疲劳性能,作为比较标准，型RC-GFRP梁随着疲劳,次数的增加，加固增强的效果愈明显。疲劳循环50万次后，型RC-,GFRP复合梁与RC梁相比，,钢筋最大应变,减小约15，,跨中挠度,减小,约40，,开裂高度,减小约15，裂缝宽度减小约70，疲劳循环200,次的寿命增大约2倍。,防护性能,FRP材料自身耐腐蚀、耐老化，在对RC梁、板进行修复和抗弯、,抗剪、抗裂、抗振、抗疲劳加固的同时，能对RC梁、板表面进行封,闭防护，阻止有害气体和雨水进入裂缝腐蚀钢筋，还能防止混凝土,表面碳化，提高结构的耐久性。,11/26/2024,9,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,1.2 钢箱梁桥,钢箱梁常见结构病害,a)自然病害：主要表现为钢箱锈蚀造成的壁厚减薄、强度、,刚度、稳定性及耐久性下降；,b)非自然病害：主要表现为设计施工缺陷及结构超载、改,变用途，不可抗力等因素作用造成的结构强度、刚度、稳定性、,耐久性缺陷,钢箱梁FRP防护、加固、修复新技术,钢箱梁FRP防护、加固、修复构造,钢箱梁FRP防护、加固、修复技术性能,钢箱梁FRP防护、加固、修复施工技术（略）,11/26/2024,10,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,钢箱梁FRP防护、加固、修复构造,集钢箱梁（S箱梁）防护、加固、修复为一体的有效方法，是沿,钢箱梁的截面周边包覆FRP层合壳构成S-FRP复合箱梁（图2）,图2 S-FRP复合箱梁截面构造,单箱单室钢箱梁,FRP层合壳,单箱单室钢箱梁,FRP层合壳,11/26/2024,11,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,钢箱梁FRP防护、加固、修复技术性能,a）S-FRP复合箱梁的,强度、刚度,由S箱梁的,剩余强度、刚度,及新增FRP箱,壳的,补充强度、刚度合成,，决定复合箱梁的承载、跨越能力；,b）FRP箱壳既是复合箱梁的,承力结构,之一，又是复合箱梁的,围护结构,，,二者既能连接牢固、变形协调、共同工作并提高箱梁的抗振、抗疲劳性能，,还能一劳永逸地解决S箱梁的防锈问题并提高结构的,耐久性,；,c）FRP箱壳壁厚较薄，自重较轻，对原S箱梁的结构自重及截面尺寸增,加可忽略不计，但其,阻止了S箱梁因锈蚀导致的壁厚继续减薄、强度、刚度下,降的结构病害发生,，实际提高了S箱梁的结构安全性；,d）CFRP的强度是结构钢材的10倍，弹性模量与其相当，GFRP的强度是,结构钢材的8倍，弹性模量为其1/3左右，二者的耐疲劳性能均优于钢材，故,FRP箱壳对S箱梁既不会构成附加约束而增加约束内力，也不会先于S箱梁破坏,而使结构防护、加固、修复失效。,11/26/2024,12,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,1.3 钢桁架桥,钢桁架桥常见结构病害,a)自然病害：主要表现为桁架固锈蚀造成的桁架杆件截面尺寸减小、,结构强度、刚度、稳定性、耐久性下降；,b)非自然病害：主要表现为设计、施工缺陷及结构超载、改变用途、,不可抗力破坏等因素作用造成的桁架局部或整体结构强度、刚度、稳定性、,耐久性缺陷,钢桁架桥FRP防护、加固、修复新技术,钢桁架FRP防护、加固、修复构造,钢桁架FRP防护、加固、修复技术性能,钢桁架FRP防护、加固、修复施工技术（略）,11/26/2024,13,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,钢桁架桥FRP防护、加固、修复构造,a)桁架杆件防护、加固、修复技术构想（图3）b)桁架整体封闭防护、加固、修复构造（图4）,图4 复合桁箱梁截面构造,图3 复合桁架杆件截面构造,聚氨酯硬质泡沫,GRP层合壳,角 钢,GRP层合壳,空 间 钢 桁 架,11/26/2024,14,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,1.3.2.2 钢桁架FRP防护、加固、修复技术性能,a)复合桁架杆件构造，基于单根桁架杆件的防护、加固和修复，以提高单,根桁架,杆件的刚度,增大桁架结构的,总刚度,，修复后桁架的外轮廓形状不变、结构,受力方式不变，仍是通过结点传力的杆件受力体系；,b)复合桁箱梁构造，基于整体桁架的防护、加固和修复，以新增,FRP外箱壳,补充原桁架的强度、刚度、稳定性并兼作围护结构,，修复后的桥梁外形、结构受,力方式有较大改变，由通过结点传力的杆件受力体系变为以杆件为加劲肋的肋板,复合箱梁结构；,c)两种构造都能很好地封闭桁架杆件，防止水、气介质腐蚀钢桁架，避免其,截面尺寸锈蚀减小，强度、刚度消弱的结构隐患，还能省却钢桁架日常养护的除,锈蚀刷漆繁重工作和大量费用；,d)复合桁架杆件构造设计简单，施工复杂、费用较高，仍处于研究试验阶,段，效果有待于实践检验；,e)复合桁箱梁构造设计复杂、施工简单、费用较低，已用于桥梁防护、加固、,修复工程、效果较好。,11/26/2024,15,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,2.桥梁墩柱常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术,2.1 桥梁墩柱常见结构病害,主要表现为振动时易发生剪切脆性破坏，混凝土易压,碎、劈开和剪切裂缝较多。,2.2 桥梁墩柱FRP防护、加固、修复新技术,RC墩柱FRP防护、加固、修复构造,RC墩柱FRP防护、加固、修复技术性能,RC墩柱FRP防护、加固、修复施工技术（略）,11/26/2024,16,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,2.2.2 RC墩柱FRP防护、加固、修复技术性能,结构性能,a)墩柱受压时，FRP层合壳,约束,阻止RC墩柱横向膨胀，可以提高混凝土的抗,压强度，并改善混凝土的变形性能，从而,提高墩柱的极限承载力,（提高1080,），并,减缓墩柱的破坏过程,；,b)墩柱受剪时，FRP外壳可,防止RC柱中纵向钢筋切断截面周围的剪切破坏,，,对混凝土的约束作用比箍筋对混凝土的约束作用更为直接和有效，同时使墩柱的,延性显著改善（提高30以上），从而对减轻地震引发的桥梁墩柱剪切脆性破坏,具有明显的改善作用。,防护性能,a)FRP外壳既是RC-FRP复合墩柱的外层承力结构，又是RC墩柱的外层围护结,构；,b)FRP外壳对RC墩柱构成密贴封闭防护，可防止RC墩柱混凝土表面碳化和腐,蚀介质渗入裂缝锈蚀钢筋，提高结构的耐久性。,11/26/2024,17,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,RC墩柱FRP防护、加固、修复构造,a)先对RC墩柱裂缝压注EP修复，再根据墩柱的受力特点采用环向包覆FRP层,合壳或环向包覆FRP层合壳加纵向粘贴FRP层合板构成RC-FRP复合墩柱；,b)对于环向包覆FRP层合壳的矩形截面RC墩柱的柱角要先倒圆角再缠包，以,减小角点应力集中。,拱桥立柱CFRP抗压、抗剪加固实例,11/26/2024,18,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,3.桥梁索杆结构常见病害及其FRP防护、加固、修复新技术,3.1 桥梁索杆结构常见病害,主要表现为结构受力和环境腐蚀造成的索、杆表面防护失效，,危及结构安全使用。,3.2 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复新技术,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复构造,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复技术性能,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复施工技术（略）,11/26/2024,19,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复构造,a)新桥索杆的表面防护构造,在张紧的高强钢丝束或高强粗钢筋束的外围直接挤拉成型与钢丝、钢筋束连,成结构整体的FRP索杆外壳构成表面防护；,b)旧桥索杆的防护、加固、修复构造,在桥梁使用状态下，现场缠绕成型与索杆已损伤的PE护壳连成整体的FRP外,壳，对索杆进行防护、加固和修复。,吊桥吊索的GFRP防护外壳构造,GRP防护套管,A-A,桥梁钢拉（吊）索,GRP护套管外壳（t1=