浅析桥梁加固常用方法机理和计算理论
2012-03-09 来源：中国鸣网
1、前言
随着岁月的流逝，任何一座“新”建的桥梁经过若干年大自然的侵蚀和使用，终将成为一座“旧”桥；桥梁的加固与维修同重建新桥相比具有更高的经济效益，对桥梁的加固以及如何提高其承载力问题的研究试验与推广，已经引起世界性的关注。桥梁的加固利用和改造是一个永久性的技术课题，已成为桥梁工程建设中既古老、又年轻的新兴学科，是一项既综合繁杂，又在不断发展创新、逐步完善的技术；也是桥梁建设可持续发展的一个重要组成部分和关键技术之一。
近年来，桥梁加固工程越来越多，但目前桥梁加固的设计计算理论还不够成熟和完善，至今未有专门的桥梁加固规范。
2、桥梁加固常用方法和计算理论
2.1 改变受力体系加固法
2.1.1 改变受力体系加固机理
改变结构的受力体系能大幅度减小计算弯矩，提高结构构件的承载力，达到加强原结构的目的。包括在梁的中间部位增设支点，增设托梁（架），拆除墩柱（简称托梁拔柱），将多跨简支梁变为连续梁等方法。
如当有大件车辆通过桥梁时，为避免短期的过载给桥梁造成永久的损伤，可用增设支点的方法加固。
按增设支点的支撑刚度，改变受力体系可分为刚性支点和弹性支点两种；按支撑时的受力情况，可分为预应力支撑和非预应力支撑。所谓刚性支点，是指增设的支撑件刚度较大，以致被加固结构构件的新支点在外荷载的作用下，竖向位移小到可以忽略；有时尽管新支座由较大的竖向位移，但由于在外荷载作用下，原结构支座也同样有变位，新旧支座的相对位移很小，这种新支点也属于刚性支点。所谓预应力撑杆，是指在施工时，对支撑杆件施加预压应力，使其对被加固的结构构件施加预顶力，它不仅可保证支撑杆件良好的参加工作，而且调节被加固结构构件的内力。
2.1.2 改变受力体系加固计算
改变受力体系加固法的一般计算步骤如下：
（1）计算并绘制加固时原构件在剩余的那部分荷载作用下的内力图；
（2）若施加预顶力，根据所设时的加固后的内力图，确定预顶力的大小，按原结构的计算绘制在支点预顶力作用下梁的内力图；
（3）按加固后的计算简图，计算并绘制在新增荷载及加固时卸除荷载作用下的内力图；
（4）将上述三项内力迭加，绘制梁各截面的内力包络图；
（5）计算梁各截面的实际承载力，并绘制梁的材料图；
（6）调节预顶力值，使梁的内力图小于梁的材料图；
（7）根据支点的最大支承反力，设计支撑构件，其多为轴心受力构件，可按钢筋混凝土规范与钢结构规范进行设计；
（8）计算预应力撑杆的顶撑控制量。
当用纵向压缩法对预应力撑杆系统施加预升力时，其预升量
ΔL=Lε+a （2-1）
式中,L—撑杆长度；εa —撑杆端部与被加固构件混凝土间的压缩量,可取2～4mm。—撑杆在预应力作用下引起的应变；
2.2 增大截面加固法
2.2.1 增大截面加固机理及适用范围
增大截面加固法通常称为外包混凝土加固法,它是增大构件的截面和配筋率,用以提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性，也可用来修补裂缝等，梁式桥和拱式桥等桥梁均可采用该方法加固。
根据被加固构件的受力特点和加固目的要求、构件部位与尺寸、施工方便等可设计为单侧、双侧或三侧加固,以及四周外包加固。根据不同的加固目的和要求,又可分为加大截面为主加固和加配钢筋为主加固,或者两者同时采用的加固。加大截面为主的加固,为了保证补加的混凝土正常工作,亦需适当配置构造钢筋。加配钢筋为主的加固,为了保证配筋的正常工作,需按钢筋的间距和保护层等构造要求决定适当增大截面尺寸。加固中应将新旧钢筋焊接,或用锚杆联结补强钢筋和原构件,同时将旧混凝土表面凿毛清洗干净,确保新旧混凝土良好结合。
增大截面加固法使用普通混凝土,强度等级不低于C20,当加固层较薄,钢筋较密时,可用细石子混凝土,在条件许可的情况下亦可采用钢纤维混凝土加固,配置的钢材除普通混凝土外还可采用型钢和钢板等。
增大截面加固法的缺点是现场湿作业工作量大,养护期较长,并对结构外观和净空有一定的影响。
2.2.2 增大截面加固计算
采用增大截面加固桥梁,其承载力计算受到原构件应力应变的影响,不能简单地作为整体截面用有关公式计算。在加固计算中,首先应确定加固前构件的实际应力应变水平,并考虑新混凝土与原结构协同工作的程度,然后进行合理的计算。
2.2.2.1 受弯构件加固计算要点
受弯构件外包混凝土加固设计,应根据现场结构的实际情况,分别采用受压区或受拉区两种不同的加固形式。
（1）受压区外包混凝土加固
一般用刚架拱、桁架拱等拱桥的斜腿、斜撑或弦杆的加固。采用受压区加固的受弯构件,其承载力、抗裂度、钢筋应力、裂缝宽度及变形计算和演算可按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB J10-89）中关于叠合构件的规定进行。
实验研究表明,在相同弯矩作用下,二次受力叠合梁的受拉筋应力、挠度和曲率都比相同截面和配筋的一次受力整浇梁的相应值大得多。其次,二次受力叠合梁在第一次受力时是由叠合前的原混凝土承受压力。而在二次受力时,主要由后浇混凝土承受压力。这使后浇混凝土受压应变比相应整浇梁小,因此,加固计算必须考虑叠合梁二次受力的特点进行较复杂的计算。
（2）受拉区外包混凝土加固
受拉区外包混凝土加固方法,一般用于梁式桥跨中部位、拱式桥的拱顶底面和拱脚顶面等受拉区。
对于在受拉区采用外包混凝土,增加钢筋加固的受弯构件,其截面受力可按规范中一般受弯构件的规定计算。但应考虑以下不同点:
①新加部分承载力应乘以共同工作系数ψ进行折减,对于正弯矩截面受弯构件ψ=0.9;对于斜截面受剪构件ψ=0.7～0.9；
②加固结构截面受压区高度与一般受弯构件是不同的；
③当新加钢筋与原钢筋相距较远时,受拉区混凝土可能会出现较大裂缝,应采取适当措施,满足使用要求。
2.2.2.2 偏心受压构件加固计算要点
当用外包混凝土法加固钢筋混凝土偏心受压构件时,应按整体截面以现行国家标准中有关公式进行其正截面承载力计算。其中,新增混凝土和纵向钢筋的强度设计值应按下列规定予以折减。
（1） 受压区新增混凝土和纵向钢筋的抗压强度设计值乘以0.9的系数；
（2） 受拉区新增纵向钢筋的抗拉强度设计值乘以0.9的系数。
2.2.2.3 增大截面加固加固计算
在浇筑叠合层之前，构件上作用有弯矩M1，截面上的应力如图b所示，称为第一阶段受力。待叠合层中。
的混凝土达到设计强度后，构件进入整体工作阶段，新增荷载在构件上产生的弯矩为M2，由叠合构件的全高h承担，截面应力如图c，称为第二阶段受力，在总弯矩Mz=M1+M2的作用下，截面应力如图d所示。
2.3 碳纤维布加固法
2.3.1 碳纤维布加固机理
工程材料的进步及新材料的出现历来是土木结构工程发展的先驱和动力。碳纤维材料的出现和成功应用于土木工程的加固和补强上，使土木工程加固技术研究更上一个台阶。碳纤维是一种新型材料,因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布（片）加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力,尤其是当高度受限制时的首选加固方法,其施工工艺也很简单。
2.3.2 碳纤维布加固法受力分析与设计计算
2.3.2.1 加固受力特点分析
（1）与传统的其它加固方法相比，采用碳纤维布加固桥梁能最小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力；
（2）将抗拉性能优良的碳纤维布用粘结材料粘贴到梁体底面或箱梁内壁上，使其与原结构一起参与受力，即碳纤维布可以与原结构内布置的钢筋共同承受拉力，以提高桥梁的承载能力；
（3）沿桥梁的主拉应力方向（或与裂缝正交方向）粘贴碳纤维布，两端分别设置锚固端；据此可约束混凝土表面裂缝、防止裂缝再扩展，从而达到提高构件抗弯刚度、减少构件挠度、改善梁体受力状态的目的；
（4）目前可用于桥梁结构加固用的碳纤维布、单向碳纤维交织布、双向碳纤维交织布及单向碳纤维层压材料等，可根据不同的结构部位和受力特点与方向等，选择相应的碳纤维布进行加固；
（5）碳纤维布加固混凝土构件，在提高其受弯承载力的同时还可能影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维布用量过多时，构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎破坏。与此同时，由于碳纤维为完全弹性材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维布用量过多，构件的延性将有所降低。因此，碳纤维布用于钢筋混凝土梁式桥加固补强时，应根据实际情况合理使用；
（6）由于碳纤维布加固后在最后破坏时的突然性（拉断或剥离等脆性破坏），其承载力极限状态不能按普通钢筋混凝土的定义，一般应按碳纤维抗拉强度的2/3进行抗弯承载力计算；
（7）试验研究证实，碳纤维布能够提高混凝土梁抗剪承载力，其作用机理与箍筋类似，同时还能明显改善构件的变形性能，增强构件的变形能力；
（8）碳纤维布与混凝土基层界面，可分为两个界面区，即混凝土层与粘结树脂界面区、粘结树脂与碳纤维布界面区。粘结性能的本质是接触面间的相互作用，宏观上表现为液态聚合物浸润表面后形成的机械锁结，微观上表现为分子扩散后相互缠结作用，或化学键作用，或静电吸引作用，或其复合作用。
2.3.2.2 碳纤维布加固计算要点
（1）采用碳纤维布加固桥梁，目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准（例如强度或容许应力）近似换算成一定用量的钢筋，然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。虽然是近似计算方法，但理论分析结果与实验数据吻合得很好，因此在一般情况下是适用的。
（2）碳纤维布加固用量，可按式（2-3）估算。
Acf=As（Ry/Rcf） （2-3）
式中，Acf ——碳纤维布用量（面积）；As ——为抵抗不足弯矩所需的钢筋面积；Ry ——钢筋的抗拉设计强度；
Rcf ——碳纤维布抗拉设计强度。
（3）除按上式估算的碳纤维布加固用量（面积）外，还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积，以及必要的边、角废料等裁减损耗等。
2.3.2.3 碳纤维布加固桥梁特点
（1）不增加恒载及断面尺寸
碳纤维布的自重仅为200～300g/m2，设计厚度为0.111～0.167mm，加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻，对整个结构重量及桥下净空的影响很小，可忽略不计。同时，碳纤维布可以多层粘结。根据加固的要求，碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，充分满足加固的要求。这一优点是传统加固补强方式所难以比拟的。
（2）可适应不同构件形状，成型很方便
斜、弯、坡及异型结构的补强，采用传统的方法，施工难度大。采用碳纤维布补强法，因碳纤维布的随型性极强的特点，可以随结构外形变化任意施工，从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期，产生极大的社会及经济效益。
（3）施工简便
特别是当箱梁内部的作业空间受到限制时，碳纤维布加固法是可选择的一种方法。该法工艺简便，无需大型设备、模板、夹具及支撑，操作起来简单易行，因而施工所需工作面小，在作业空间受限制时，该优点是其它加固方法无法比拟的。
（4）采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤
碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏，更可避免钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起新的问题。
（5）能有效地封闭混凝土的裂缝
碳纤维布（片）粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的产生和扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微的裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。
（6）碳纤维布（片）具有良好的耐化学腐蚀性
碳纤维布（片）一种复合材料，几乎无腐蚀性和磁性，具有良好的耐热性，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且当应用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境时，其寿命也较长。因而碳纤维布加固法，在不利环境下较其它方法更显出其优越性。
（7）不影响结构的外观
碳纤维布（片）的厚度很薄，粘贴固化后其表面还可以涂刷一层与原结构外观颜色一致的涂料，而不影响结构的外观。
2.4 粘贴钢板加固法
2.4.1 粘贴钢板法加固机理
贴钢法加固桥梁一般采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板、钢筋或玻璃钢等抗拉强度较高的材料粘贴在钢筋混凝土受弯构件表面，使之与结构物形成整体，从而取得提高构件的抗弯能力，以及减少裂缝扩展的效果。该加固方法具有施工简便，粘钢所占空间小，不减少桥梁净空，加固施工周期短，消耗材料少，粘钢加固部位、范围与强度可视设计构造需要灵活设置，并可在不影响或少影响交通的情况下施工。所以，贴钢法是常用的加固方法。
2.4.2 粘贴钢板法计算理论
2.4.2.1 受弯构件的计算
受弯构件截面强度不足时在受拉区加固，可采取在受拉区表面粘贴钢板的方法，如图3。此时，按截面受弯承载力计算，可按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》规定进行，其受压区高度和截面受弯承载力。
式中，f
y0—原结构纵向钢筋抗拉强度设计值；A
s0—原结构纵向受拉钢筋截面面积；f
ay—加固钢板抗拉强度设计值；A
a—加固钢板截面面积；—原结构纵向受压钢筋抗拉强度设计值；A’
so—原结构纵向受压钢筋截面面积；f
c
m0—原结构混凝土弯曲抗压强度设计值；X—混凝土受压区高度；b
0—原构件的宽度；h
0—原构件的有效高度；—原构件的受压区保护层厚度；0.9—考虑加固钢板的应力滞后、以及撕脱力影响等强度折减系数。
2.4.2.2 钢板锚固长度计算
（1） 受拉钢板在其加固点外的锚固粘结长度L
1,按式（2-6）确定。
L
1≥2f
ayt
a/f
cv（2-6）
式中，T
a—受拉加固钢板厚度; f
cv—被粘混凝土抗剪强度设计值。
公式中数值2为锚固区剪应力分布不均匀系数,近似按三角形考虑。
（2） 若钢板粘结长度无法满足上述要求,可在钢板的端部锚固区粘结U型箍板，
此时，锚固区的长度应满足下列规定：
当f
vb
1≤2f
cvL
u时
f≤0.5f（2-7）
cvb
1L
1+0.7nf
vb
bb
1
ayA
a
当f
vb
1>2f
cvL
u时
f
ayA
a≤（0.5b
1L
1+ nb
uL
u） f
cv
（2-8）
式中，n—每端箍板数量; b
u—箍板宽度; L
u—箍板单肢的梁侧混凝土的粘结长度;f
v—钢与钢粘结抗剪强度设计值。
2.4.2.3 斜截面粘结钢板加固计算
当构件斜截面受剪承载力不足时,按下图所示方法粘结并联U型箍板进行加固。
如图5，此时斜截面受剪承载力
V≤V
o+2f
ayA
alL
u/S （2-9）
同时，必须满足以下条件：
L≥（2-10） 1.5
u/S
式中，V—斜截面剪力设计值; V
0—原构件斜截面受剪承载力设计值; A
al—单肢箍板截面面积; S—箍板轴线间距。
2.5 锚喷混凝土加固法
2.5.1 锚喷混凝土的定义
“锚喷混凝土”实际上由两部分组成，首先是将锚杆锚入拟补强部位结构内，挂设补强钢筋网，然后再喷射一定厚度的混凝土，形成与原来结构共同承受外载作用的组合结构。所以，锚喷混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气将新混凝土混合料，通过管道高速喷射到已锚固好钢筋网的受喷面上，待其凝结硬化形成一种钢筋混凝土。
锚喷混凝土不需振捣，而是在高速喷射时，由水泥与骨料的反复连续撞击而使混凝土压密，同时又可采用较小的水灰比（常为0.4～0.45），使其与混凝土、砖石、钢材产生较高的粘结强度，所以新旧混凝土结合面上能够传递拉应力和剪应力。
2.5.2 锚喷混凝土加固机理
锚喷混凝土加固桥梁的方法是“新奥法”隧道施工法在桥梁加固中的应用，其加固桥梁的原理就是通过新增加混凝土与受力钢筋和原结构紧密结合，组成“锚喷混凝土（内含补强钢筋网）—锚杆—原结构”的整体组合结构。通过锚喷加固层与原结构紧密粘结在一起，既阻止了原结构由于裂缝等原因造成的局部应力集中病害，又恢复了原结构变形的协调性，使其能够承受更大的外荷载。
2.5.3 锚喷混凝土加固设计原则
根据加固原理，锚喷混凝土加固桥梁实际上仍是加大构件截面加固法。所以，加固设计原则仍按加大构件截面的方法进行内力计算。其设计原则为：
（1）恒载内力（包括新喷射的混凝土）按原构件的截面模量进行计算，即新喷的混凝土恒载仍作用于原构件上；
（2）活载内力用加大后的组合体截面模量计算内力，即新旧混凝土作为一个整体计算，对不同的混凝土标号和新增的补强钢筋按其弹性模量进行截面换算；
（3）仍按弹性理论进行计算；
（4）强度验算按照喷射截面占原截面的比率，考虑是否按组合截面进行有关验算；
（5）进行加固设计前，应弄清桥梁的原始情况以及病害原因，对桥梁的基本承载能力作出评价；
（6）采用的喷射混凝土与钢筋的强度等级，不应低于原结构的强度等级。对于结合截面处两种不同强度等级的混凝土共同作用时，应以较低强度等级作为计算标准来进行换算。
