公路桥梁加固设计思考

 公路桥梁加固设计思考 

　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。推广与普及预应力主动加固设计思想，对建立与完善我国桥梁加固设计理论，提高加固工程设计质量具有指导意义。

　　桥梁加固设计是比新桥设计更为复杂的系统工程

　　桥梁加固设计是一个涉及到病害诊断、改造决策分析、加固材料与方法选择、加固构件设计与计算和养护管理与施工等多学科的系统问题。从技术角度分析，目前我国桥梁加固设计存在有两方面主要问题：

　　1、担负大量的中、小桥养护、维修、管理和加固任务的基层单位,桥梁病害诊断技术力量薄弱,桥梁检测设备落后。桥梁病害诊断是进行桥梁加固设计的前提和基础,只有诊断清楚,才能对症下药。桥梁检测是病害诊断与分析的重要手段，混凝土结构裂缝是反映病害的晴雨表,裂缝分析是桥梁检测的主要内容。

　　面对目前我国从事桥梁养护、维修与管理的基层单位的现状,普及桥梁病害诊断知识,提高裂缝分析能力是十分必要和紧要的。

　　2、桥梁加固设计存在的另一个问题是对桥梁加固设计的特殊性认识不足,加固设计理念不清,加固设计思想不明确。有些桥梁加固设计机械地套用新建桥梁的设计方法 ，忽略了桥梁加固分阶段受力特点和结构损伤的影响；个别加固设计只做宏观定性分析，缺少科学地定量分析，设计带有很大的随意性。

　　对桥梁加固的特殊性认识尚不足

　　提高对桥梁加固特殊性的认识就是对桥梁加固设计特点的认识。桥梁加固设计的最大特点是应考虑带载加固分阶段受力和结构损伤的影响。

　　桥梁结构自重及恒载大，以常用的跨径30m的预应力混凝土简支梁为例，结构自重及恒载产生的内力约占总内力的（50-60）％左右。桥梁加固一般采用带载加固，即在不卸除结构自重及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。构件自重和不拆除的恒载及加固施工荷载由原梁承担；车辆荷载由加固后的组合截面承担。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，桥梁加固构件分阶段受力的影响程度更为突出。

　　桥梁结构在长期使用过程中受到车辆荷载的反复作用和环境腐蚀的影响，将使材料性能劣化，产生不同程度的结构损伤。桥梁加固设计应考虑结构损伤对桥梁使用功能，承载力和耐久性的影响。

　　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。桥梁加固设计不能完全照抄新建桥设计规范的规定和计算公式，也不能机械地套用一般房屋建筑加固设计规范。在充分考虑桥梁加固设计特点的基础上，不同的规范可以参考借鉴，但不能机械地套用。

　　考虑带载加固分阶段受力对加固构件有特殊意义

　　分阶段受力对加固构件的直接影响是后加补强材料应变（应力）滞后，无法充分发挥作用，材料利用率低。

　　前已指出，桥梁加固构件应按两阶段受力构件计算，构件的自重和恒载产生的内力由原梁承担。换句话说，加固前原梁已经受力，在构件自重和恒载作用下，原梁的钢筋已经产生了一定的初始应变（应力）。车辆荷载作用后，原梁钢筋的应变（应力）继续增加，同时后加补强钢筋开始受力，并产生相应的应变（应力）。与原梁钢筋相比，后加补强钢筋的应变（应力）滞后，在极限状态下是很难发挥作用的。从作用原理上理解后加补强材料应变（应力）滞后的不利影响，对搞好桥梁加固设计是十分必要的。

　　“被动加固”和“主动加固”的概念

　　加固薄弱构件的方法很多，从工作原理上可划分为被动加固和主动加固两大类：

　　1、直接加筋类被动加固在被加固构件的受拉（或抗剪）薄弱区直接增设抗拉（或抗剪）补强材料，例如：补焊钢筋、粘贴钢板、粘贴高强纤维复合材料（碳纤维、芳纶纤维）等。这种加固方法从作用原理上属于被动加固范畴。后加补强材料被动受力，只承担车辆荷载和后加恒载引起的内力。

　　2、预应力主动加固对布置在被加固构件受拉（或抗剪）薄弱区的后加补强材料施加预应力，形成预应力加固系统，例如：体外预应力加固和采用锚固于被加固梁体上的预应力筋，然后喷注高性能抗拉复合砂浆，将其与被加固梁体粘结为一体的有粘结预应力加固等。从工作原理上讲，预应力加固属于主动加固，后加补强材料主动受力，靠预加力的作用，改善原梁的工作状态，间接达到加固补强的目的。

　　被动加固和主动加固概念的提出揭示了加固构件的作用机理，为理顺加固设计思想奠定了基础。

　　应变（应力）滞后对加固构件的不利影响及解决对策

　　桥梁加固构件的承载力计算，必须考虑分阶段受力特点，后加补强材料只承担车辆荷载和后加恒载引起的内力，与原梁钢筋相比，其应变（应力）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的。特别是采用直接粘贴高强纤维布（板）的被动加固时，由于应变（应力）滞后的影响，高强纤维复合材料的高抗拉性能根本无法充分发挥作用，“大马拉小车”是一种极大地浪费。在倡导建设节约型社会的环境下，这种盲目的浪费是值得我们深思的。

　　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。靠预应力筋的主动受力，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。

　　预应力技术的特点及关键技术

　　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4种：

　　1、体外预应力加固体系体外预应力加固是采用布置在梁体外部（或箱内）的具有防腐保护的预应力筋，对梁体施加预加力。其关键技术是体外预应力筋的锚固、转向和防腐保护问题。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。

　　2、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的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。无粘结预应力加固，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。

　　3、高强纤维预应力加固体系高强纤维预应力加固是采用锚固、粘贴在梁体外部（或箱内）的高强纤维布条（或板条）对梁体施加预加力。这种加固体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条（或板条）的张拉、锚固和张拉后纤维布条（或板条）与被加固梁体的可靠粘结问题。

　　4、有粘结预应力加固体系有粘结预应力加固是采用锚固于被加固梁体上的高强钢丝，2～3股钢绞线或小直径粗钢筋，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。

　　结语

　　推广与普及预应力主动加固设计思想，对建立与完善我国桥梁加固设计理论，提高加固工程设计质量具有指导意义。