橋梁病害診斷與加固措施研究
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論文導(dǎo)讀：混凝土的碳化是指混凝土中氫氧化鈣與滲透進混凝土中的二氧化碳或其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。一般橋梁結(jié)構(gòu)為桿件體系長細(xì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度變化時，構(gòu)件截面受到均勻溫差的作用，可忽略橫截面兩個方向的變形，只考慮沿梁長度方向的溫度變形，當(dāng)這種變形受到約束時，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫。在對橋梁結(jié)構(gòu)病害檢測分析和鑒定評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟條件和使用要求，有針對性地制定加固方案。
關(guān)鍵詞：橋梁，混凝土，加固
目前混凝土結(jié)構(gòu)的病害表現(xiàn)形式多種多樣，引起病害的原因錯綜復(fù)雜，從引起病害的原因來分析，可以將其劃分為兩大類：第一類為由環(huán)境作用引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷與破壞。第二類為由荷載作用或設(shè)計、施工不當(dāng)造成的混凝土結(jié)構(gòu)損傷
1 環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞
1．1 混凝土的碳化
混凝土的碳化是指混凝土中氫氧化鈣與滲透進混凝土中的二氧化碳或其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。碳化的實質(zhì)是混凝土的中性化，使混凝土的堿性降低，鈍化膜破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。
1.2 氯離子的侵蝕
氯離子對混凝土的侵蝕是氯離子從外界環(huán)境侵入已硬化的混凝土造成的。氯離子對混凝土的侵蝕屬于化學(xué)侵蝕，對結(jié)構(gòu)的危害是多方面的，但最終表現(xiàn)為鋼筋的銹蝕。
1.3 堿—骨料反應(yīng)
堿—骨料反應(yīng)一般指水泥中的堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應(yīng)，生成堿—硅酸鹽凝膠，并吸水產(chǎn)生膨脹壓力，造成混凝土開裂。堿—骨料反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞程度，比其他耐久性破壞發(fā)展更快，后果更為嚴(yán)重。
1.4 凍融循環(huán)破壞
滲入混凝土中的水在低溫下結(jié)冰膨脹，從內(nèi)部破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次凍融循環(huán)后，損傷積累將使混凝土剝落酥裂，強度降低。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)凍融引起的混凝土剝落，必需密切注意剝落的發(fā)展情況，及時采取修補措施。
1.5 鋼筋銹蝕
混凝土中鋼筋腐蝕的首要條件是鈍化膜壞，混凝土的碳化及氯離子侵蝕都會造成覆蓋鋼筋表面的堿性鈍化膜的破壞，加之有水分和氧的侵入，就可能引起鋼筋的腐蝕。鋼筋腐蝕伴有體積膨脹，使混凝土出現(xiàn)沿鋼筋的縱向裂縫，造成鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力破壞，鋼筋截面面積減少，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時間的推移，腐蝕會逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。
2 混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫分析
實踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫，裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表。所以，對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測，首先應(yīng)從對結(jié)構(gòu)的裂縫調(diào)查、檢測與分析入手。
2.1結(jié)構(gòu)性裂縫（受力裂縫）
眾所周知，混凝土的抗拉強度很低，抗拉極限應(yīng)變大約為
。換句話說，混凝土即將開裂的瞬間，鋼筋的應(yīng)力只有
。事實上，在正常使用階段鋼筋的應(yīng)力遠(yuǎn)大于此值，所以說在正常使用階段鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是避不可免的。因而，習(xí)慣上又將這種裂縫稱為正常裂縫。為確保安全，允許裂縫寬度還應(yīng)小一些。新頒布的<公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范>JTG D62-2004（以下簡稱<橋規(guī)JTG D62>）規(guī)定：鋼筋混凝土構(gòu)件計算的特征裂縫寬度不應(yīng)超過下列規(guī)定的限值：
�、耦惣阿蝾惌h(huán)境 0.2mm
Ⅲ類及Ⅳ類環(huán)境 0.15mm
圖1-1所示為鋼筋混凝土簡支梁的典型結(jié)構(gòu)性裂縫分布示意圖。
圖1-1 鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)裂縫
圖1-1中①所示的跨中截面附近下緣受拉區(qū)的豎向裂縫，是最常見的結(jié)構(gòu)性裂縫。在正常設(shè)計和使用情況下，裂縫寬度不大，間距較密，分布均勻。若豎直裂縫寬度過大，預(yù)示結(jié)構(gòu)正截面承載力不足；圖1-1中②所示為支點（或腹板寬度變化處）附近截面由主拉應(yīng)力引起的斜裂縫。在正常設(shè)計和使用情況下很少出現(xiàn)斜裂縫，即使出現(xiàn)裂縫寬度也很小。若斜裂縫寬度過大，預(yù)示結(jié)構(gòu)的斜截面承載力不足，存在發(fā)生斜截面脆性破壞的潛在危險，應(yīng)引起足夠的重視。
2.2非結(jié)構(gòu)性裂縫
混凝土的非結(jié)構(gòu)性裂縫根據(jù)其形成的時間可分為：混凝土硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完全硬化后裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生受混凝土材料組成、澆筑方法，養(yǎng)護條件和使用環(huán)境等等多種因素影響。
2．2.1收縮裂縫
收縮裂縫發(fā)生在混凝土面層，裂縫淺而細(xì)，寬度多在0.05~0.2mm之間。對板類構(gòu)件多沿短邊方向，均勻分布于相鄰兩根鋼筋之間，方向與鋼筋平行。對高度較大的鋼筋混凝土梁，由于腰部水平鋼筋間距過大，在腰部（或腹板）產(chǎn)生豎向收縮裂縫，多集中在構(gòu)件中部，中間寬兩頭細(xì)，至梁的上、下緣附近逐漸消失，梁底一般沒有裂縫。
2.2.2溫度裂縫
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫度變化將產(chǎn)生熱脹冷縮變形，這種溫度變形受到約束時，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫，這種裂縫稱為溫度裂縫。按結(jié)構(gòu)的溫度場不同、溫度變形、溫度應(yīng)力不同，溫度裂縫可分為三種類型：
�、俳孛婢鶆驕夭盍芽p
一般橋梁結(jié)構(gòu)為桿件體系長細(xì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度變化時，構(gòu)件截面受到均勻溫差的作用，可忽略橫截面兩個方向的變形，只考慮沿梁長度方向的溫度變形，當(dāng)這種變形受到約束時，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫。
�、诮孛嫔�、下溫差裂縫
以橋梁結(jié)構(gòu)中大量采用的箱形梁為例，當(dāng)外界溫度驟然變化時，會造成箱內(nèi)外的溫度差，考慮到橋梁為長細(xì)結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為在沿梁長方向箱內(nèi)外的溫差是一致的，沿水平橫向沒有溫差。將三維熱傳導(dǎo)問題簡化為沿梁的豎向溫度梯度來確定，一般假設(shè)梁的截面高度方向、溫差呈線性變化。
在這種溫差作用下，梁不但有軸向變形，還伴隨產(chǎn)生彎曲變形。梁的彎曲變形在超靜定結(jié)構(gòu)中不但引起結(jié)構(gòu)的位移，而且因多余約束存在，還要產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力。當(dāng)上、下溫差變形產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強度極限值時，混凝土就要出現(xiàn)裂縫，這種裂縫稱為截面上、下溫差裂縫。
�、劢孛鎯�(nèi)外溫差裂縫
水泥在水化過程產(chǎn)生一定的水化熱，其大部分熱量是在混凝土澆筑后3天以內(nèi)放出的。大體積混凝土產(chǎn)生的大量水化熱不容易散發(fā)，內(nèi)部溫度不斷上升，而混凝土表層散熱較快，使截面內(nèi)部產(chǎn)生非線性溫度差，尤其是混凝土早期強度比較較低，很容易造成混凝土裂縫。
預(yù)防溫度裂縫的主要措施是合理設(shè)置溫度伸縮縫，在混凝土組成材料中摻入適量的磨細(xì)粉煤灰，減少水化熱，加強混凝土養(yǎng)護，嚴(yán)格控制升溫和降溫速度。
在對橋梁結(jié)構(gòu)病害檢測分析和鑒定評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟條件和使用要求，有針對性地制定加固方案。
3 橋梁改造加固方案設(shè)計的原則
3.1分清加固的性質(zhì)
根據(jù)橋梁病害檢測分析和鑒定評估結(jié)果，橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計應(yīng)分為：承載力加固（強度加固）、使用功能加固（剛度加固）和耐久性加固等三種情況，從而采取相應(yīng)的加固設(shè)計方案。
3.2橋梁加固與加寬設(shè)計相結(jié)合
在公路改造設(shè)計中，很多情況下橋梁加固和加寬是同時進行的。在加寬寬度不大的情況下，盡量將加寬部分與原橋連為一體，使新舊橋共同工作，利用新加寬部分，調(diào)整原橋內(nèi)力，減輕原梁負(fù)擔(dān)，間接達(dá)到加固補強的目的。
3.3注意各種加固補強方法的綜合應(yīng)用
橋梁加固補強的方法很多，但是基本上可以劃分為兩大類：
第一類為改變結(jié)構(gòu)體系，調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力、減輕原梁負(fù)擔(dān)。例如：加斜撐減少梁的跨度、簡支梁改為連續(xù)結(jié)構(gòu)、增加縱梁數(shù)目、調(diào)換梁位、加大新建邊梁截面尺寸，調(diào)整橫向分布系數(shù)，減輕原梁負(fù)擔(dān)等。
第二類為加大截面尺寸和配筋，加固薄弱構(gòu)件。
對薄弱構(gòu)件進行加固補強的方法很多，從作用原理可分為兩大類：
�、僭谑芾瓍^(qū)直接增設(shè)抗拉補強材料，例如：補焊鋼筋，粘貼鋼板，粘貼高強復(fù)合纖維（碳纖維、芳綸纖維）等。這種加固方法，設(shè)計時必須考慮橋梁帶載加固分階段受力特點。
�、诓捎妙A(yù)加力原理進行加固補強，例如：體外預(yù)應(yīng)力加固，韓國M.S公司的SRAP加固工藝等。由于預(yù)加力的作用，改善了原梁的應(yīng)力狀態(tài)，提高了原梁的承載能力和抗裂性能。采用預(yù)加力加固，可以充分發(fā)揮加固補強材料的力學(xué)性能，提高了材料的利用效率。
此外，橋梁加固設(shè)計應(yīng)注意各種加固方法的綜合利用，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，盡量地減輕原梁的負(fù)擔(dān)，將加固補強工作量壓縮到最少。
4 結(jié)語
隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，對橋梁的使用性能要求也不段提高。對于一些已建的橋梁要及時做好養(yǎng)護和維修。對于橋梁維修和加固時，應(yīng)綜合分析橋梁損害的原因，提出可行的方案，提高經(jīng)濟效益。
