桥梁加固方案设计与施工关键技术研究

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1、桥梁结构加固设计与施工关键技术研究3桥梁改造加固方案设计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法。3.1桥梁改造加固方案设计的原则1分清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）和耐久性加固等三种情况。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工作。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

2、截面尺寸，增加截面刚度，以满足结构使用功能要求。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，提高结构的使用功能，延长结构使用寿命。2桥梁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。在加宽宽度不大的情况下，尽量将加宽部分与原桥连为一体，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注意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。例如：加斜撑减少梁的跨度、简支梁改为连续结构、

3、增加纵梁数目、调换梁位、加大新建边梁，调整横向分布系数，减轻原梁负担等。第二类为加大截面尺寸和配筋，加固薄弱构件。例如：粘贴钢板、加焊钢筋，粘贴高强纤维复合材料，体外预应力加固。设计中应注意各种加固方法的综合利用，通过调整结构内力，尽量的减轻原梁的负担，将加固补强工作量压到最少。3.2加固方案简介结构的一般加固方法：结构的加固方法可以分成两大类，即直接加固法和间接加固法。3.2.1 直接加固法 直接加固法是通过一些技术措施，直接提高构件的承载力和刚度等，目前常用的直接加固法有以下几种。1 加大截面加固法该方法可以用来提高构件的抗弯、抗压、抗剪、抗耐久等能力，同时也可以用来修复已经损伤的混凝土截

4、面，提高其耐久性，可以广泛地用于各种构件的加固。但是这种加固方法一般对原有构件的尺寸有一定程度的增加，使原有的使用建筑空间变小。2 外包钢加固法 外包钢加固可以大幅度提高构件的抗压和抗弯性能，由于采用型钢材料，施工周期相对较短，占用空间也不大，比较广泛地应用于不允许增大截面尺寸，而又需要较大幅度提高承载力的轴心受压和小偏心受压构件。外包钢加固也可以用于受弯构件或大偏心受压构件的加固，但宜采用湿式外包钢加固法。3 体外预应力加固法体外预应力加固法是采用高强钢筋或型钢等，在被加固构件体外增设预应力拉杆或撑杆，其拉杆加固广泛适用于受弯构件和受拉构件的加固，在提高构件承载力的同时，对提高截面的刚度、减

5、少原有构件裂缝宽度和挠度、提高加固后构件截面的抗裂能力是非常有效的。4 外部粘贴加固法 外部粘贴加固法是用粘结剂将钢板或纤维增强复合材料等粘贴到构件需要加固的部位上，以提高构件的承载力和刚度的一种加固方法。粘钢加固法是在构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，以提高结构构件承载力的一种加固方法。纤维增强复合材料是把高性能的纤维织物，如玻璃纤维、碳纤维和阿拉米德纤维等，放置在环氧树脂等基材上，经胶合凝固后形成的。近年来，已有将短纤维加入混凝土是制成纤维混凝土，将丝制成棒状代替钢筋，加工成束或绳状用于拉索，制作预制板，用于路面。在结构加固方面，1984年，瑞士国家实验室首先开始了外贴纤维复合材料加固的

6、实验研究。使用其进行加固的优点是：它具有很高的抗化学腐蚀能力和支被加固结构的保护能力，提高了结构耐久性；材料强度高，外贴加固用量少(厚度小) 等。5 辅助结构加固法辅助结构加固法是一种体外加固方法。它是直接用设置在被加固构件位置处的型钢、钢构架或其他预制构件(如桩等)分担作用在加固构件上的荷载。该方法适用于原有构件损伤严重，又需要大幅度提高承载力和刚度的构件的加固，也可以用于地基基础的加固。6 注浆加固法注浆加固法是采用压力，把具有较好粘接性能的材料注入被加固构件内部的空隙中，以提高被加固构件的完整性、密实性，提高材料的强度。该方法在混凝土或砌体结构的裂缝等内部缺陷的修复加固，以及地基加固中广

7、泛应用。3.2.2间接加固法 间接加固法是根据原有结构体系的客观条件，通过一些技术措施，改变结构传力途径，减少被加固构件的荷载效应，目前常用的间接加固法有以下几种。1 增设构件加固法2 增设支点加固法3 增加结构整体性加固法由于整体结构破坏的概率明显小于单个构件，因此在不加固原有构件中任一构件的情况下，整体结构可靠度提高了，达到了结构的目的。4 改变结构刚度加固法 该方法一般多用于提高结构抗水平作用的能力。5 卸载加固法表2维修加固方法汇总表维修加固方法适用性材料及工艺要点注意事项截面增强法简支T梁、空心板梁、箱梁等连续梁和连续刚构的局部材料：钢筋、混凝土、膨胀螺栓等主要工艺：表面凿除、钢筋布

8、设、立模浇注、养生施焊钢筋时应避免烧伤原有混凝土；钢筋定位应准确；浇注混凝土应湿润；采用早强或膨胀混凝土；必要时对腹板和上托梁处的新老混凝土接触面增设压浆管压浆粘贴加固法钢板粘结加固法原则上适用于任何梁，但从经济的角度看，更适用于不希望增大恒载和短期要完成加固的跨度较大的连续结构材料：钢板、膨胀螺栓、环氧树脂粘结剂等主要工艺：混凝土表明磨平、钻孔安装膨胀螺栓、涂抹粘结剂、压贴钢板、拧紧膨胀螺栓、粘结剂固化养生、填塞缝隙、钢板涂漆钢板应平整；粘结剂按规定养护；采用的钢板应比计算需要的钢板厚些；钢板的形状和粘贴部位根据需要确定；作业中要防火、防毒碳纤维粘结加固法材料：碳纤维片、环氧树脂粘结剂等工艺

9、：混凝土表明处理、粘贴碳纤维片、养护、表面涂装材料应符合设计要求；粘结剂应根据不同的温、湿度决定配比；混凝土表明处理要精细；避免出现空鼓，否则必须处理；粘结剂按规定养护；作业中要防火、防毒预应力加固法预应力度下降，挠度异常增大，并预留有孔道或可加设体外束的预应力梁；钢筋混凝土梁材料：预应力钢杆、钢筋、钢丝束、钢绞线等对大跨度预应力连续梁和连续刚构，应通过实测挠度和施工记录模拟反算原有预应力的损失情况，确定新设预应力的布置和张拉值。在张拉时，除做好梁的挠度监测外，最好在梁体贴片监测其应力应变，指导施工。采用体外预应力补强时，应重视各着力点的设置，保证其牢固可靠、过渡圆顺，并采用严格的防锈措施；充

10、分考虑预应力损失注浆法各类混凝土梁桥的裂缝修补。裂缝宽度小于0.3mm或表层裂缝采用表面封闭；缝宽0.30.5mm采用化学灌浆封闭；大于0.5mm的裂缝采用凿槽嵌补法修复材料：非受力产生的裂缝，可采用水泥浆封闭；一般用环氧树脂和丙烯酸酯类（甲凝）等化学材料。压浆工艺：裂缝检查及清理；钻孔埋嘴；嵌缝止浆；压水（气）试验；压力注浆；表面处理及检查裂缝较大时采用手压泵注浆；裂缝较细或灌浆量小时采用注射器注浆；封闭应严格；凿槽嵌补时应将槽内清除干净，用水泥砂浆填补时槽内应湿润，用环氧砂浆时槽内应干燥；作业中要防火、防毒改变结构体系加固法临时通过超载车辆；桥下增加的设施不影响交通或泄洪材料：钢筋、混凝土

11、、钢构件等确定方案时应充分考虑当前和今后的桥下交通。对结构体系改变产生的支点负弯矩应认真验算并采取措施；采用加劲梁或叠合梁时应合理简化受力模式，应分清受力的主次结构3.3既有桥梁加固实例井冈山大桥位于江西省吉安市区东北井冈山大道东端，跨越赣江，是江西省南部地区的重要交通通道，也是通往革命圣地井冈山的门户。井冈山大桥始建于1969年，1970年10月交付使用，设计全长1090.26m，设计荷载为汽车13级；拖车60；人群3.5kN/M2。上部构造为16孔预应力T型刚构，孔径组成为48.13+14x71+48.13，T型刚构的悬臂长为23.5m，钢筋混凝土挂梁跨径为21m，T构箱梁采用单箱双室变截

12、面设计；下部结构采用柱式桥墩，沉井基础。由于大桥交通量增长迅速，已由建桥时的400辆/日发展到1991年的4439辆/日，拥挤度已超过设计通行能力的2倍以上。根据2002年江西省吉安市井冈山大桥结构检查与现状评定报告，该桥病害较严重，已危及大桥的运营安全，主要缺陷有：悬臂箱梁的预应力有效值受到一定的损失；桥面混凝土破坏严重、各挂梁跨中部位明显下沉，桥面成波浪形；人行道梁悬臂支点部位混凝土多数存在碎裂脱落，人行道板破坏严重；伸缩缝、支座破坏严重、梁体裂缝较多，挂梁腹板在跨中产生竖向裂缝，翼板在横向接缝处开裂，T构箱梁主要在腹板上缘开裂，为纵向裂缝；两岸桥台变形较大（向前倾），溜坡及两侧挡土墙破坏

13、较严重。2002年8月对大桥进行维修加固，加固设计荷载标准按汽车15级、挂车80（与原设计荷载相当）进行。针对该桥的具体病害情况，加固分为两部分：对桥梁病害部分进行维修整治和对桥梁的承载能力进行恢复。并根据当前技术发展，采用了化学灌浆/碳纤维布粘贴和体外预应力加固等措施。3.3.1桥梁病害的维修整治设计布嘴图清洗裂缝粘灌浆嘴封闭裂缝检查裂缝封闭情况配 浆灌 浆效果检查补漏气处（1）对挂梁、箱梁的裂缝采用化学灌浆，并按裂缝宽度分别处理。工艺流程见图2，同时在挂梁边梁和T构箱梁的腹板部分，当裂缝宽度大于0.2mm时，采用粘图6 化学灌浆工艺流程图贴碳纤维布对裂缝进行约束处理。（2）凿除原桥面铺装，

14、全部重新浇筑40号钢纤维混凝土（加筋），由于钢纤维混凝土抗拉强度较高，并设有较强的钢筋网，不仅耐磨，抗冲击，而且对挂梁的横向刚度有较大提高。（3）重新更换支座和伸缩缝。（4）对箱梁预应力锚头进行防锈处理：在锚头上挂钢筋网，再浇筑15cm环氧树脂混凝土封锚。（5）对原人行道、栏杆进行全面的检查、查明病害情况，对有问题的进行维修整治。3.3.2恢复桥梁的承载能力部分在主墩上部凿开孔洞，在箱梁中采用植筋技术，设置齿板，用体外束（无粘结束）对箱梁进行加固。根据计算，箱梁每室中设置长、短束各4束，全桥共计240束。张拉控制力1094KN，其中长束采用可调式体外束锚具，用来考虑结构性能的不确定性，以方便调

15、整索力，短束采用永久性体外束锚具。体外束布置如图3所示。图7 箱梁一室体外预应力束布置示意图（2）桥台的加固采用动态设计的原则，在台后加2根直径1.2m的钻孔灌注桩，再浇筑承台与原承台连接。加固完毕后即进行荷载试验和检查评定，各项指标均满足相关要求。并于2004年7月缺陷责任期满后进行再次检测，该桥的整体性能仍完好，说明加固效果理想。3.4混凝土受弯构件可加固性分析3.4.1各国规范对比分析“构件的破坏可能表现为脆性破坏或延性破坏，脆性破坏是设计中所不期望的，它意味着构件立刻丧失承载能力。必要的延性能力是避免脆性破坏的保证，其特点是在发生任何承载能力丧失之前呈现出较大的非弹性变形，提供结构失效

16、的警告信号。”（摘译AASHTO）154。“必要的延性能力能够降低承载能力对混凝土材料强度变异性的敏感性，能够包容设计计算表达式中可能存在的错误，以及保证其具有必要的可靠性。” （摘译ACI318-2002）155。各国规范中极少有具体的延性指标规定，往往都是通过限制最大相对受压区高度、截面最大配筋率以及拉区钢筋最小应变等措施来间接的予以保证：1. AASHTO规范美国联邦公路设计规范1.3.2中规定，每种极限状态应满足：、荷载系数、荷载效应；乘有系数的抗力：；0.95，为关于延性、超静定性和重要性的系数的乘积；规范1.3.3条例对强度极限状态的检算中，有关延性的系数的规定： 1.05，用于非

17、延性的构件和连接件；0.95，用于采用额外的措施提高其延性能力的构件和连接件； 1.00，用于符合规范有关规定的常规构件；5.7.3.3.1条例规定，对受弯构件（包括预应力和非预应力两种状况），其截面最大配筋应满足：混凝土受压区高度，中和轴至混凝土最大受压边缘的距离； 截面有效高度，拉区纵筋中心至混凝土最大受压边缘的距离；2. ACI318规范ACI318-2002中10.3.3条例及其说明规定：受弯构件的破坏形式分为受拉控制破坏和受压控制破坏两种，其中受拉控制破坏为极限状态时拉区最外层钢筋净应变大于等于0.005（极限状态以受压区混凝土最大应变达到0.003），如图所示，钢筋净应变是指除去预

18、应力、松弛以及蠕变应变的应变；受压控制破坏的界限为极限状态时最外层钢筋小于等于屈服应变，对Grade60钢筋（）和预应力钢筋则取0.002；在受拉控制破坏与受压控制破坏两者之间则为过渡状态。ACI318-2002采用承载力折减系数来考虑不同破坏状态的影响，对不同延性能力的构件采用不同的折减系数，以实现“延性不足，强度来补”的思想：承载能力折减系数；名义极限承载能力；基于系数组合的承载力需求；9.3.2条例规定，由受拉控制破坏至受压控制破坏状态，折减系数采用线性过渡，如图9所示，其中图中虚线所示为采用螺旋箍筋的情况。图8 净应变示意图图9 折减系数与净应变=0.0020.650.70螺旋箍筋0.

19、90=0.005=0.6=0.375受压控制受拉控制过渡区=0.004条例10.3.5同时规定对非预应力钢筋混凝土受弯构件，受拉区钢筋在极限状态时的净拉应变不应小于0.004。3. ACI440F规范ACI440F参照ACI318附录B中的有关规定，定义承载能力折减系数如下： 最外层钢筋极限状态时应变；钢筋屈服应变；4. CHBDC第16章和Dat Duthinh（2004）加拿大公路设计规范将FRP材料的应用作为其公路设计规范中的一个章节第16章，其中对采用FRP加劲材料的受弯结构给出了新的规定：极限状态时（最大混凝土压应变为0.0035）截面混凝土受压区高度与截面有效高度的比值应在0.25

20、0.50之间，同时根据Jaeger的研究成果，提出了一个新的综合性指标J以限制FRP的最大用量，详见式4.6，并规定对矩形截面J指标不得小于4，T形截面J则不得小于6。Dat Duthinh（2004）通过7片矩形截面外贴CFRP加固的模型梁试验证实，对于所有的混凝土压碎破坏状态的梁其J指标均满足规范要求，而大部分的发生粘结剥离破坏的梁则不满足J指标要求，证实该指标用于采用FRP加固的钢筋混凝土构件的延性控制是可行的。5. 我国有关规范我国现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范JTG D62-2004限定截面相对受压区高度不得超过平衡破坏时的界限相对受压区高度，如表5.1所示。我国碳FR

21、P片材加固混凝土结构技术规程CECS146:2003则规定采用CFRP加固的混凝土构件截面相对受压区高度不得超过0.8。表5.1 JTG D62-2004相对界限受压区高度混凝土强度等级钢筋种类C50及以下C55,C60C65,C70C75,C80R2350.620.600.58HRB3350.560.540.52HRB400,KL4000.530.510.49钢绞线,钢丝0.400.380.360.35精轧螺纹钢筋0.400.380.36对上述各规范比较可以看出，AASHTO规范对预应力和非预应力受弯构件给出了相同的受压区高度限值；ACI318 2002版中对钢筋混凝土受弯构件规定拉区钢筋极

22、限状态时净拉应变大于等于0.004，预应力混凝土受弯构件并无限值，但通过不同的折减系数考虑延性能力随受压区高度增加而降低的影响；ACI440F则参考了ACI318附录B的规定，其折减系数的取值略有不同；加拿大规范采用一个综合强度和变形能力因素的综合指标J，Mufti（1996）和Jaeger（1997）对这一指标的概念进行了解释，该指标可以认为是承载能力极限状态与压区混凝土最大应变达到比例极限应变（0.001）时的状态的能量比。并且，与其他各规范不同的是，该指标对矩形截面和T形截面给出了不同的限值要求；我国规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范JTG D62-2004以界限受压区高度为配

23、筋限值；中国工程建设标准化协会标准碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程CECS146:2003采用0.8。3.4.2可加固性及其两个构成要素混凝土桥梁的可加固性分析实质上包含两个方面：一方面是桥梁结构构件本身加固的可行性，因为不是所有的构件都可以加固，例如对于梁高未采用经济梁高，原配筋率已接近平衡配筋的既有构件，由于压区混凝土剩余强度空间不足，若一味采用外贴加劲材料强行加固，将难以收到预期的加固效果，浪费资金158；另一是加固方法本身的有效性，加固方法应能够保证其达到预期的性能目标，同时减少次生影响。构件的可加固性和加固方法的可加固性两者之间相互依赖，不可分割，混凝土桥梁结构的可加固性总是针对既

24、有的加固方法及其特点而讨论的159，是相对的，例如对于未采用经济梁高，原配筋率已接近平衡配筋的主梁若在采用外贴加劲材料进行加固的同时也采取措施对压区混凝土进行加固，则原构件又是可加固的。因此，加固设计中的可加固性研究必须有机结合这两方面的特点，选择技术指标合理可靠、工艺简洁、经济指标优良的加固方案62, 160-164。外贴加固法的既有构件最大可加固空间根据规范建议用以保证加固后截面具有足够延性能力的临界延性相对受压区高度，结合原构件的截面相对受压区高度即可确定构件的可加固空间。如图10所示：， （5）联合上式，可以推得： （6）式中，分别为加固前截面相对受压区高度，加固后截面相对受压区高度增

25、量和临界延性相对受压区高度；，分别加固前截面受弯承载力、截面承载力最大增量；图10 最大承载力增量示意，加固前极限状态时受压区混凝土等效应力块中心距离拉区钢筋中心的距离，加固后极限状态时新增受压区混凝土等效应力块中心距离拉区钢筋中心的距离；其他符号意义同前或见图10中所示；对于矩形截面，式（5）和（6）可进一步简化为： （7）式（7）可进一步表示为： （8） （9）式中符号意义同前；图11为根据式（9）计算所得的矩形截面原始相对受压区高度与最大弯矩承载力相对增量之间的关系。从图中可以看出，截面的最大可加固空间主要受加固前截面原始相对受压区高度的影响，在原截面相对受压区高度较小的情况下，承载力的

26、提高幅度可以达到加固前的两倍，而随着截面相对受压区高度的增加，承载力的可提高幅度也随之锐减。钢筋混凝土构件和预应力混凝土之间的差异主要是由于对不同工况所建议的不同的所引起的。图12为根据式（6）计算所得的T形截面（，）原始相对受压区高度与最大弯矩承载力相对增量之间的关系。从图中可以看出，对于T形截面，截面的最大可加固空间也主要受加固前截面原始相对受压区高度的影响，随着截面相对受压区高度的增加，承载力的可提高幅度也随之锐减。T形截面与矩形截面相比，对应相同的加固前截面相对受压区高度，其最大可加固空间要远小于矩形截面工况，此外，对T形截面不同加固工况所建议的不同值也对最大可加固空间存在影响。图11

27、 矩形截面原始相对受压区高度与最大理论可加固空间，图12 T形截面原始相对受压区高度与最大理论可加固空间，鉴于T形截面最大可加固空间受截面形状因素的影响较大，图和图分别针对不同的和形状参数分析其截面原始相对受压区高度与最大可加固空间之间的关系，其中图中不同的系列代表不同的，参数0.1；图中不同的系列代表不同的，参数5。图13 T形截面原始相对受压区高度与最大理论可加固空间，图14 T形截面原始相对受压区高度与最大理论可加固空间，从图13中可以看出，形状参数对T形截面最大可加固空间的影响比较大，随着的增加，对应同一原始相对受压区高度，其最大可加固空间锐减，这主要是不同截面形状对加固前后混凝土受压

28、区面积相对增量影响较大所造成的。矩形截面可以认为1的特殊的T形截面，参数对最大可加固空间的影响规律正好诠释了图11和12对比分析中矩形截面最大可加固空间较大的结论。图14是针对同一截面形状参数5，比较不同对最大可加固空间的影响，从图中可以看出，不同系列之间曲线相互交叉，规律相对复杂，对应原始截面相对受压区高度较小的区段，较大的对提高最大可加固空间有利，而此后随着原始相对受压区高度的增加，较大的系列迅速衰减并低于较低的系列。3.5典型桥梁加固方案评述1鞍千9号桥加固设计设计单位：原哈尔滨建筑工程学院实施时间：1987年（1）原桥的基本情况和加固设计要求鞍千9号桥位于辽宁省鞍山至千山公路上，原桥为

29、跨径L=12m的单跨二梁式钢筋混凝土简支梁桥，设计荷载为汽15，挂80，桥面净空为净7，下部结构为座落于岩盘上的沉井基础，重力式混凝土桥台。鞍千公路扩建为二级路，路基宽度为12m，行车道宽度为9m，在桥位处道路双侧加宽，桥面净空为净9+21.5m，桥梁的设计荷载提高为汽20，挂100。（2）桥梁现场调查和承载力检算现场检测发现，原梁混凝土质量良好，未有发现可见裂缝，实测混凝土强度在26Mpa以上。经检算原梁可以满足原设计荷载汽15，挂80的要求。但距汽20，挂100的要求，正截面承载力相差约15%。查阅原设计图纸和现场实际核对，原桥为座落于岩盘上的小沉井基础，桥台混凝土质量良好，经检算认为原桥

30、基础具有较大的超载潜力。（3）加固设计要点利用原桥基础的承载潜力，采用插入锚固钢筋，加大桥台盖梁悬臂长度。新加宽部分与原梁整体工作，适当加大新增主梁的截面尺寸，增加边梁刚度，调整荷载横向分布系数，减轻原梁的负担。为了加强新加宽的部分与原梁的整体工作，将原梁悬臂混凝土凿掉50cm，露出悬臂钢筋与新加宽部分桥面板钢筋焊接；在支点和跨中增设连接横梁。清除原桥面铺装层，全桥统一加铺10cm厚的桥面铺装混凝土，为了加强新旧混凝土之间的连接，将原桥面顶面凿成齿槽，保证新旧混凝土共同工作。计入6cm桥面铺装层参与主梁工作，即梁的有效高度增加6cm。图15 鞍千9号桥加固方案示意图（4）方案评述该方案充分利用

31、了原桥沉井基础的承载潜力，采用插入钢筋接长墩台盖梁悬臂，节省了大量的下部结构工量费用。采用加大新建边梁刚度，调整荷载横向分布系数，减轻原梁负担和桥梁铺装层参与主梁工作，增加梁的有效高度等综合措施，使原梁在不增加配筋的情况下，满足汽20，挂100的承载要求。（5）改进建议盖梁悬臂接长，若采用体外预应力筋或预应力锚筋技求施工更为方面，结构更为可靠。为保证桥面铺装混凝土与桥面板的共同工作，加强两者之间的连接，应设置锚固短键，桥面铺装层应设置双层钢筋或掺入高强复合纤维，增强混凝土的抗裂能力。2洪河1号桥设计单位：原哈尔滨建筑工程学院实施时间：1988年（1）原桥的基本情况和加固设计要求洪河1号桥位于黑

32、龙江省二龙山至抚远公路，原桥为跨径8m的单跨装配式钢筋混凝土简支板梁桥，全桥由7块宽度为100cm板组成。设计荷载为汽15，挂80，桥面净空为净7，下部结构为混凝土轻型桥台，扩大基础。二抚公路扩建为二级公路，路基宽度为12m，行车道宽度为9m，在桥位处道路双侧加宽，桥面净空为净9+21.5m，桥梁的设计荷载提高为汽20，挂100。（2）桥梁现场调查和承载力检算现场检测发现原梁的混凝土质量良好，经回弹测定混凝土强度在28Mpa以上。经检算原桥可以满足汽15、挂80的承载要求，但距汽20，挂100的要求正截面承载力相差的18%。现场调查发现，原桥桥台前墙混凝土质量良好，没发现基础不均匀沉降现象。（

33、3）加固设计要点按加宽的桥面净空要求，加宽部分采用22块宽度为125cm的钢筋混凝土矩形板。按新加宽部分与原桥共同工作计算，靠边第2、3块板受力最大，边板基本上位于人行道下面，受力较小。为此，将原桥边板（1号和7号）块分别引至新加宽部分的最外侧位置，中间空出250cm的空隙，布置新制作的2块125cm的钢筋混凝土矩形板，新板的钢筋按受力需要配置。将原桥面铺装混凝土凿除，全桥统一加铺10cm的C30陶砾混凝土。为了加强新旧混凝土之间的联系，在原桥面应凿成齿槽。原桥桥台及基础双侧加宽，新基础部分基底设50cm的水撼砂垫层。为了加强桥台台身新旧混凝土之间的连接，在原桥台台身插入锚固短筋。图16 洪河

34、1号桥加固方案示意图(图中尺寸单位为cm)（4）方案评述与改进意见采用调换梁位的方法，合理利用原板的承载潜力，最大限度的发挥新加板的作用。改用轻质陶砾混凝土桥面铺装，减轻桥梁恒载内力。采用上述综合措施，在保持原梁配筋不增加的前提下，达到了汽20，挂100的承载要求。陶砾混凝土桥面铺装中应设置钢筋网或掺入适量的高强复合短纤维，提高桥面铺装的抗裂能力。3坂头大桥设计单位：交通部第一公路工程总公司设计所4厦门市公路局5实施时间：第一次加固1955年第二次加固1999年（1）原桥的基本情况及承载力评估板头大桥位于国道324线厦门段，原桥建于1953年，其结构为四跨钢筋混凝土变高度连续T梁，外加一跨钢筋

35、混凝土简支梁，其跨度划分及桥梁横断面如图2-3所示。图17 坂头大桥的一般构造图原桥的设计荷载为汽13级。国道324线厦门段改扩建工程要求将桥梁的设计荷载提高为汽超20级。为了探讨原桥加固利用的可行性，1995年对原桥进行详细的外观检查和荷载试验。试验结果表明：桥梁主体结构未发现明显的破损和裂缝，混凝土质量较好，强度等级均在C25以上；连续梁各支点截面抗弯承载较高可以满足汽超20的承载要求。连续梁各跨中截面抗弯承载力较低，不能满足汽超20的要求，必需进行加固补强。各跨中截面的实测挠度值，均小规范规定允许值。（2）加固设计要点针对原桥为变高度连续梁的特点和只需对跨中正截面抗弯承载力进行加固补强的

36、要求，采用沿桥梁全长布置的直线型体外预应力束加固。在每个梁肋两侧跨中截面下缘处对称布置515.2钢绞线，钢绞线束在梁端张拉，采用OVM锚锚固，钢绞线束采用钢套通保护。（见图2-4）图18 坂头大桥加固方案示意图该桥第一次加固于1995年完成，据文献5介绍，桥梁加固后使用情况良好，但1999年4月检查发现有一根钢绞线束下垂，进一步调查发现有一根钢绞线在桥头端断裂，有二根钢绞线在游动锚板处断裂。应该指出文献5介绍的桥梁加固施工的情况与文献4介绍的加固设计方案（图3-4）略有不同。实际实施时，体外预应力筋束张拉改为采用自行设计的游动锚板在中间张拉的方案，钢绞线束在桥梁的端部用墩头锚固。文献5认为施工

37、中采用的锚具选型不当，游动锚板固定差，钢绞线防护钢套筒空隙过大是造成钢绞线束下垂和断裂的原因。在第二次加固时，做了以下改进：取消中间的游动锚板，仍采用通常布置的直线钢绞线束，钢铰线束在一端桥台张拉，另一端为固定端，采用OVM锚具。取消钢铰线束外面的防护钢套管，改为聚乙烯塑料包裹，并做好固定措施。1999年按上述改进方案对所有8根体外预应力筋束进行了更换。到目前使用情况良好。（3）方案评述与改进建议该加固设计巧妙地利用了原桥为变高度连续梁的纵向布置特点和只需对跨中截面抗弯承载力加固的设计要求，采用靠近跨中截面下边缘通常布置的直线型体外预应力筋加固补强的原设计方案基本上是合理的。施工中采用游动锚中

38、间张拉方案，构造不够合理。，中间游动锚板的双向锚具变形损失过大是造成钢绞线束下垂，有效预应力值降低的直接原因。为了避免在桥台端进行张拉的施工不便，可在连续梁支点截面下方设置锚固装置，钢筋分 段设置，分段张拉。体外预应力筋锚固的可靠性是保证全桥安全工作的基础。应用采用具有防松动装置的专用OVM锚具，锚孔端部应扩孔为喇叭型，以防上钢筋振动时，卡紧断丝。为了减少体外预应力筋束的振动影响，对于较长的体外预应力筋束，每隔610m，应设置一个固定装置。体外预应力筋应采用专门生产的具有防腐蚀保护钢绞线，我国一般采用PE管外套，内装黄油保护层。4桥梁加固薄弱受弯构件承载力极限状态计算4.1桥梁加固薄弱构件分阶

39、段受力特点桥梁结构自重较大，一般均采用带载加固。构件自重及恒载由原梁承受，活载由加固后的截面承受。桥梁加固薄弱受弯构件承载力计算，应考虑分阶段受力的特点，按两阶段受力构件计算。桥梁加固薄弱受弯构件正截面补强加固方法很多，基本可划分为加筋类和加砼类两种情况：加筋类：采用加焊钢筋、粘贴钢板或其他纤维复合材料，对构件的受拉区进行补强。加筋类加固构件的受力特点是，后加钢筋（或其他纤维复合材料）只承受活载引起的拉应力。在一般情况下，后加补强材料的强度不能充分发挥作用，加固构件的破坏由原梁受拉钢筋控制，设计时应考虑分阶段受力的特点。加砼类：采用加厚桥面板的方法，对混凝土受压区进行补强，增加梁的有效高度，亦

40、可达到提高构件承载力的目的。对受压区加砼类构件来说，由于考虑混凝土的塑性发展，分阶段受力影响不大，其承载力可按一般钢筋混凝土的构件计算。桥梁加固薄弱受弯构件斜截面一般采用粘贴钢板（或其它纤维复合材料）增加斜筋或箍筋截面面积进行补强。后加钢板（或其他纤维复合材料）只承受活载引起的剪力，设计时亦应考虑分阶段受力特点。4.2桥梁加固薄弱受弯构件正截面抗弯承载力计算4.2.1加筋类加固薄弱受弯构件正截面抗弯承载力计算在试验研究的基础上，引入下列基本假设作为加筋类桥梁加固薄弱受弯构件正截面抗弯承载力计算的依据：桥梁带载加固应考虑分阶段受力特点。一期荷载效应（自重及恒载效应）由原梁承担，构件处于弹性工作阶

41、段，截面应力（或应变）按材料力学公式计算；二期荷载效应（活载效应）由加固后的截面承担；不同受力阶段的截面变形均符合平截面假设；在极限状态下，截面受压边缘混凝土的应变达到极限值。截面受压区混凝土的应力按简化的矩形应力图计算，其抗压强度取实测混凝土抗压强度设计值，矩形应力图高度取（式中为二期荷载效应作用后截面变形零点至截面受压边缘的距离，为受压区高度折减系数，对C50以下混凝土，取）；在极限状态下原梁受拉钢筋应力取抗拉强度设计值（或），受压钢筋的应力取抗压强度设计值；在极限状态下，后加钢筋（或其它纤维复合材料）的应力由其应变确定，即取，但应小于其抗拉强度设计值。后加钢筋（或其它纤维复合材料）的应变

42、，根据分阶段受力特点，由截面变形条件确定。根据上述基本假定建立的加筋类桥梁加固薄弱受弯构件正截面抗弯承载力计算图式示于图4-1。 断面图 应变图 一期荷载下应力图 二期荷载下应力图图4-1 加筋类桥梁加固薄弱受弯构件正截面抗弯承载力计算图式加固薄弱构件正截面抗弯承载力计算公式，由内平衡条件求得（图4-1）： （4-1） （4-2）公式的适用条件： （4-3）式中：混凝土抗压强度设计值，根据实测强度等级参照确定；原梁受拉钢筋抗拉强度设计值，根据实测强度参照确定；原梁受拉钢筋的混凝土受压区高度界限系数，R235钢筋（原级钢筋）取，HRB330钢筋（原级钢筋）取，HRB400钢筋（原级钢筋），取；极

43、限状态下，后加钢筋（或其他纤维复合材料）的应力，其数值按下列公式计算。 （4-4） （4-5） （4-6） （4-7） （4-8） （4-9）后加钢筋（或其他纤维复合材料）的弹性模量；为后加钢筋（或其他纤维复合材料）的抗拉强度设计值；后加钢筋（或其他纤维复合材料）的应变；二期荷载效应下，原梁受拉钢筋的应变增量；二期荷载作用下，上缘混凝土的压应变增量；一期荷载作用下，原梁受拉钢筋应变；一期荷载作用下，原梁上翼缘顶面的混凝土压应变。利用上述公式进行加固配筋设计的方法及计算步骤如下：1计算原梁的换算截面几何性质（）。2由式（4-9）和（4-8）计算恒载作用下原梁上翼缘顶面混凝土的压应变和钢筋拉应变。

44、3根据加固后应承担的弯矩组合设计值，由式（4-2）、（4-5）和（4-4）求得混凝土受压区高度和后加钢筋的应变和应力。4将和值代入公式（4-1），求得后加钢筋截面面积应特别指出，桥梁加固薄弱受弯构件正截面承载力一般由原梁受拉钢筋的应力达到屈服强度控制，即应满足的要求。当时，加固后的承载力最大。（4-10）从上式可以看出，加固后梁的最大承载力主要与原梁的截面尺寸有关，加固后承载力提高的幅度受原梁受拉钢筋配筋率控制。设计时切不可不加分析的盲目加大后钢筋（或其他加固材料）截面面积，无限制的提高梁的承载力。因为这样的构件将发生脆性破坏，设计是不安全的。4.2.2加砼类加固簿弱受弯构件正截面抗弯承载力计

45、算特点加厚桥面板类桥梁加固薄弱构件的承载力计算，从原理上讲，亦应考虑分阶段受力的特点，按两阶段受力迭合梁计算。但是，由于受桥面标高的限制，后加桥面的厚度不可能太大，一般情况下加固后的截面中性轴不会进入新旧混凝土连接面，新旧混凝土共同承担压力，受压区混凝土的应变图存在两个峰值，考虑到混凝土的塑性影响，在极限状态下后加混凝土层的应力亦可达到抗压强度设计值。这样，加厚桥面板类加固薄弱受弯构件正截面抗弯承载力即可按一般钢筋混凝土构件计算。应该指出，采用加厚混凝土桥面板（即加大受压区混凝土厚度）的办法加固薄弱构件，其最大允许相对加厚厚度主要受原梁的配筋率控制。设计时且不可不加分析的盲目加大受压区混凝土层

46、厚度来无限制的提高构件的承载力（例如：加厚桥面板在局部荷载作用下承载力计算就可能出现类似的问题）。因为这样的构件将发生少筋脆性破坏，设计是不安全的。4.3 桥梁加固薄弱构件斜截面承载力计算桥梁加固薄弱构件一般采用粘贴钢板（或其它纤维复合材料）增加斜筋或箍筋截面面积的方法进行斜截面补强加固。后加钢板只承受活载引起的剪力，设计时应考虑分阶段受力的影响。为了与现行桥梁设计规范相适应，加固薄弱构件的斜截面承载力的计算表达式可写成下列形式： （4-11）或 （4-12）式中：按计算的一般钢筋混凝土受弯构件斜截面的混凝土，箍筋和弯起钢筋的抗剪承载力；按计算的一般钢筋混凝土受弯构件斜截面的混凝土箍筋的综合抗

47、剪承载力；按弹性分析方法求得的后加补强钢板（或其它纤维复合材料）的抗剪承载力；考虑分阶段受力影响，由试验求得的修正系数。试验研究表明，分阶段受力对箍筋和弯起钢筋抗剪承力影响不大，即取和等于1。混凝土抗剪承载力修正系数与加固前的裂缝有关：加固前未出现斜裂缝者，取，加固前斜裂缝宽度小于0.2mm者，取；加固前斜裂缝宽度大于0.2mm者，取，若采用混凝土与箍筋综合抗剪承载力表达方式，则应将系数转换为，相应取值为0.89、0.835和0.78。后加补强钢板（或其它纤维复合材料）的弹性抗剪承载力按开裂的钢筋混凝土弹性体计算，二期荷载产生的主拉力由与斜裂缝相交箍筋、弯起钢筋和后加补强钢筋板（或其它纤维复合

48、材料）共同承担，各自分担的数额按其截面面积比分配，但应将竖直箍筋的截面面积乘以45换算成主拉力作用方向。这样，即可求的计算表达式为： （4-13）式中：斜裂缝投影长度，可取；剪跨比，；内力偶臂，可取。综合修正系数反映将按开裂的钢筋混凝土弹性体计算的后加补强钢板的弹性抗剪能力，推广用于斜截面抗剪承载力极限状态计算时的受力差异。根据试验结果，偏于安全地取=0.8。将给出的和计算表达式，和前面给出的表达式代入公式（4-12），并取并取=0.8，即可求得桥梁加固薄弱受弯构件斜截面抗剪承载力计算公式：=0.8，即可求得桥梁加固薄弱受弯构件斜截面抗剪承载力计算公式： （4-14）式中：加固前未出现斜裂缝者

49、，取；加固前斜裂缝宽度小于0.2mm者，取；加固前斜裂缝跨度大于0.2mm者，取；异号弯矩影响系数，对连续梁（或悬臂梁）中间支点承受异号弯矩区段取；受压翼缘影响系数，对矩形截面，对具有受压翼缘的T形或工字形截面，取。加固后承受的二期荷载产生的剪力设计值。剪跨比，。与斜裂缝相交的箍筋截面面积；与斜裂缝相交的弯起钢筋截面面积；与斜裂缝相交的后加补强钢板的截面面积，若后加补强钢板为竖直方向布置，应用代替。对于采取粘贴其他纤维复合材料加固的构件，应以换算截面面积代替，后加补强材料的换算截面面积按下式计算，其中为与斜裂缝相交的后加斜向布置的纤维复合材料的截面面积。其余常规符号的意义见的有关规定。最后应特

50、别指出，上面给出的桥梁加固薄弱构件斜截面抗剪承载力计算公式，是以剪压破坏形态的受力特征为基础建立的。为此，构件的截面尺寸应满足下列要求： （4-15）式中：由拟提高的荷载标准求得的计算截面的最大剪力组合设计值。公式（4-15）实际上是规定了采用粘贴钢板（或其它纤维复合材料）进行斜截面加固补强的上限值。设计时，首先应按公式（4-15）进行截面尺寸复核，只有在满足以式（4-15）要求的前提下，采用粘贴钢板（或纤维复合材料）进行斜截面加固才是有效的。且不可不加分析的用盲目增加粘贴钢板（或其它纤维复合材料）截面面积的方法，无限制地提高斜截面的抗剪承载力，这样将发生脆性斜压破坏，设计是不安全的。4.4例

51、题分析有一跨径为20m的钢筋混凝土T形梁桥，原设计荷载为汽-20，挂-100。因道路改建，要求将设计荷载提高为城-A级。试进行加固补强设计。（一）原桥的基本情况原桥为跨径20m的钢筋混凝土T梁桥，设计荷载为汽-20，挂-100。计算跨径Lj=19.5m，桥面净梁为净13+21m。全桥由8片梁组成，主梁间距为1800mm，主梁高度为1000mm。主梁跨中截面尺及配筋情况示于图4-2。图4-2 原梁跨中截尺寸及配筋原梁设计混凝土强度等级为C30，跨中截面配有1232 HRB400（级钢筋），As=9651.6mm2。现场调查发现，原梁混凝土表面光滑，除跨中截面下缘受拉区有少量竖直裂缝（裂缝宽度0.

52、15mm）外，未发现其它裂缝，混凝土碳化不明显。用回弹超声综合法测得的混凝土实测强度为2832MPa。综合分析认为原桥混凝土质量较好，耐久性可以得到保证。（二）加固设计要求按加固后承受城-A级荷载计算的内力为：（1）跨中弯矩恒载弯矩 =912.58KN.m汽车荷载弯矩 =1227.96KN.m人群荷载弯矩 =87KN.m弯矩组合设计值KN.m结构重要性系数 =1（2）剪力支点剪力组合设计值Vd.0=649.96KN（其中二期荷载剪力设计值Vdz=425.56KN）跨中剪力组合设计值 =128.83KN（三）原梁承载力校核原梁承载力校核，按有关规定计算。综合分析现场检测和原梁设计资料，混凝土强度

53、等级仍取C30，Mpa；HRB400钢筋，=330MPa，b=0.53。（1） 跨中正截面抗弯承载力校核。抗弯承载力计算的基本方程为 （4-16） （4-17）由（4-16）求得mmm=477.53mm将x=241.66代入公式（4-17）得 =2629.91106N.mm=2629.91KN.m=2909.94KN.m计算结果表明，跨中截面正截面抗弯承载力不满足承受城-A级荷载的要求（相差10.6%），需进行加固补强。（2）距支点h/2截面的斜截面抗剪承载力检算按城A级荷载计算，取支点h/2处的剪力组合设计值为KN原梁h/2截面处的配筋情况如图4-3所示。图4-3 原梁支点截面的配筋示意图（

54、图中尺寸以mm为单位）截面尺寸应符合下列要求0.51103 （4-18）支点截面仅保持最下面三根钢筋（332）通过，支点截面h0=1000 =952.75mm。代入数据得0.51031.39240952.75623.230.51103240952.75158.92623.23 0Vd=623.23KN计算结果表明，斜截面抗剪承载力有较大富余，可以满足城-A级荷载的要求。（四）正截面抗弯加固设计原梁跨中截面尺寸及配筋示意图3-2。按城-A级荷载计算应承担的弯矩组合设计值为KN.m一期荷载（恒载）弯矩设计值 KN.m二期荷载弯矩KN.m方案一：粘贴钢板加固采用在梁底粘贴钢板法加固，选16Mn钢板，

55、抗拉强度设计值取fRd=280MPa，ER=2105MPa。（1）一期荷载作用下原梁的应变计算由公式（4-8）和（4-9）计算一期荷载作用原梁受拉钢筋应变s1和受压边缘应变c1。式中x01和J01按开裂的钢筋混凝土构件计算。由的条件，求x01，（式中），代入数据后得化简为 =0解得 x01=255.3mm钢筋拉应变混凝土压应变（2）二期荷载作用后，补强钢板应力计算首先，由公式（4-2）确定，极限状态下混凝土受压区高度。式中：为原钢筋和后加补强钢板合力作用主梁上边缘的距离，其数值应比略为增加，假设。代入数据得整理简化为解得二期荷载作用后，原梁的应变增量：混凝土压应变增量钢筋拉应变增量后加钢板的应

56、变和应力为：式中：为后加补强钢板的合力作用点至截面上边缘的距离，此处t=8mm为预估钢板厚度。，取。（3）后加补强钢板的截面面积确定由的条件求得：，取。（4）承载力复核按最后选定的钢板尺寸，重新计算钢板及原梁钢筋合力作用点原梁上边缘的距离和混凝土受压区高度。由公式（4-1）重新求。将和代入公式（4-2）得：计算结果表明，加固后的正截面抗弯承载力是足够的。梁底粘贴钢板的长度，应根据城-A级荷载产生的弯矩组合设计值包络图确定。方案二：粘贴芳纶纤维布加固采用在梁底粘贴芳纶纤维布法加固，芳纶纤维的拉伸程度，抗拉强度设计值取，弹性模量。（1）一期荷载作用下原梁的应变与方案一相同，（2）二期荷载作用后，纺

57、纶纤维的应力计算二期荷载作用后原梁钢筋及受压边缘混凝土的应变增量与方案一相同，芳纶纤维的应变为式中：为芳纶纤维的合力点至梁受压边缘的距离，假设。（3）后加补强芳纶纤维截面面积确定由公式（4-1）求得选6层芳纶纤维布，每层设计厚度为0.572m，提供的。（4）承载力复核按最后选定的芳纶纤维（6层）截面面积由公式（4-1）重新计算混凝土受压区高度。应该指出，对于这种情况，式中的与有关，代入数据后得将表达式代入公式（3-1）得：整理简化解得芳纶纤维的实际应力为按芳纶纤维实际应力计算芳纶纤维与桥梁钢筋合力作用点至梁上边缘的距离。由公式（4-2）求得： 计算结果表明，加固后的正截面抗弯承载力略小于城-A

58、级荷载要求，但仅相差1.22%，可以认为加固后的承载力满足要求。参考文献1卓尚木,季直仓,卓昌志编著 中国建筑工业出版社,1997年.2周新刚编著 中国建材工业出版社,1999年.3金伟良,赵羽习著 科学出版社2002年.4交通部第一公路工程总公司设计所 王涛 , 中国公路学会桥梁与结构工程学会1997年桥梁学术讨论会论文集,人民交通出版社,1997年.5.厦门市公路局,黄易深 中国公路学会,2001年全国公路桥梁维修与加固技术研讨会论文集.6张树仁,王潮海 土木工程学报,1994年第4期.7.张树仁,宋建永,张颂娟 中国公路学报,2003年第3期.8.张树仁,宋建永,王彤 中国科协工程学会联合会,2003,讲演论文.9.李鸿威,张树仁,王彤 公路 2003年第9期- 33 -