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问题分析及防治第4期开播啦，本期主要分析
桥梁结构病害及加固设计，好了，小编就不耽误各位大大阅读时间了，直接进入本期主题吧！
我国桥梁改造加固任务繁重，据交通部统计，全国公路网中尚有危桥10443座，378439延米。要实现交通部规划的基本消灭国、省干线公路危桥的目标，所需资金约为90亿元。中国桥梁改造加固市场的巨大潜力，吸引了国内外众多有远见卓识的工程技术人员和企业家把注意力转移到这方面来，国外的先进加固技术大量涌进中国加固市场，各种加固公司像雨后春笋相应而生。（市场钱景不错哦）
从技术角度分析，目前我国桥梁改造加固设计存在的主要问题是：
- 基层养护管理和设计部门，桥梁病害诊断技术力量薄弱，桥梁检测手段落后。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。桥梁检测是桥梁病害诊断与分析的重要手段，检测应重在分析，并应与桥梁加固设计相结合。
- 桥梁改造加固总体设计方案的设计思路不够开阔，应用技术单一，设计深度不够。
- 个别桥梁加固设计生搬硬套国外或国内其他行业的设计方法，忽略了桥梁带载加固分阶段受力的特点。有些加固设计只做宏观的定性分析，缺少科学地定量分析计算，设计带有很大的随意性。
一、桥梁病害诊断
混凝土结构的病害表现形式多种多样，引起病害的原因错综复杂，从引起病害的原因来分析，可以将其划分为两大类：
第一类为由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部，与混凝土中某些成份发生化学、物理反应，引起混凝土损伤，影响结构的受力性能和耐久性。
第二类为由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤。例如，由于超载作用引起的裂缝，动力冲击作用引起疲劳破坏。构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等。
&1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏
1 混凝土的碳化
一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。
2 氯离子的侵蚀
氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区冬季道路 、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。
3 碱—骨料反应
碱—骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱—硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。
碱—骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱—骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。
碱—骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂，裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关：钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝；钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状或地图状裂缝，在裂缝处有白色凝胶物渗出。碱—骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别是：
①碱—骨料反应引起混凝土局部膨胀，裂缝的两个边缘出现不平状态（错台）；是碱骨料反应裂缝的特有现象；
②碱—骨料反应与环境湿度有关，在同一工程中潮湿部位出现裂缝，而干燥部位却安然无恙，是碱—骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一。
③从裂缝出现的时间来判断，碱—骨料反应裂缝出现的时间较晚，多在施工后5~10年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一般在施工后若干天内出现。
4 冻融循环破坏
渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。冻融循环破坏的混凝土剥落，开始时在混凝土表面出现粒径为2-3mm的小片剥落，随着使用年限的增加，剥落量及剥落块直径增大，剥落由表及里，发展速度很快。一经发现冻融引起的混凝土剥落，必需密切注意剥落的发展情况，及时采取修补措施。
北方地区采用撒盐除冰，由于盐类与冻融循环的共同作用引起的盐冻破坏是冻融循环破坏的一种特殊形式。盐冻破坏是静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用的结果，因此，盐冻破坏要比单纯的冻融破坏严酷得多。
盐冻破坏区别于其他破坏形式的主要特征是：
①表面分层剥落，骨料暴露，但剥落层下面的混凝土完好；
②破坏速度快，对未采用防盐冻措施而使除冰盐者，少则一冬，多则几冬，即可产生严重盐冻破坏；
③在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见到白色盐结晶体；
5 钢筋锈蚀
钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。
实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以，对混凝土结构的损伤检测，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析入手。
混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多，但可归纳为两大类：
第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。
第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，拉应力也就消失了。
§1-2混凝土结构的裂缝分析
1．结构性裂缝（受力裂缝）
众所周知，混凝土的抗拉强度很低，抗拉极限应变大约为
换句话说，混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力只有
事实上，在正常使用阶段钢筋的应力远大于此值，所以说在正常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是避不可免的。因而，习惯上又将这种裂缝称为正常裂缝。实践证明，在正常条件下，裂缝宽度小于0.3mm时，钢筋不致生锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应小一些。新颁布的
<公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范>
JTG D62-2004（以下简称
<桥规jtg d62>
）规定：钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值：
Ⅰ类及Ⅱ类环境 0.2mm
Ⅲ类及Ⅳ类环境 0.15mm
图1-1所示为钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图。
图1-1中①所示的跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝，是最常见的结构性裂缝。在正常设计和使用情况下，裂缝宽度不大，间距较密，分布均匀。若竖直裂缝宽度过大，预示结构正截面承载力不足；图1-1中②所示为支点（或腹板宽度变化处）附近截面由主拉应力引起的斜裂缝。在正常设计和使用情况下很少出现斜裂缝，即使出现裂缝宽度也很小。若斜裂缝宽度过大，预示结构的斜截面承载力不足，存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险，应引起足够的重视。
另外，钢筋混凝土墩柱受压构件由于纵向压力过大引起的纵向裂缝、预应力筋锚固区由于局部应力过大引起的劈裂裂缝等都属于结构性裂缝。 有些结构性裂缝（受力裂缝）是由设计错误和施工方法不当所造成的。例如：钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。
在超静结构中基础不均匀沉降，将引起结构的内力变化，可能导致结构出现裂缝。基础不均沉降引起的上部结构的裂缝，实质上是属于结构性裂缝（受力裂缝）范畴，裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均沉降情况及大小等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大，应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能进行上部结构的裂缝处理。
2．非结构性裂缝
（1）收缩裂缝
收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在0.05~0.2mm之间。对板类构件多沿短边方向，均匀分布于相邻两根钢筋之间，方向与钢筋平行。对高度较大的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大，在腰部（或腹板）产生竖向收缩裂缝，但多集中在构件中部， 中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有裂缝。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。收缩裂缝对构件承载力影响不大，主要影响影响结构外观和耐久性。
（2）温度裂缝
①截面均匀温差裂缝
一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，只考虑沿梁长度方向的温度变形，当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。例如：连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工时散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝，或堆集于支座处没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当温度急剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝，严重者还可能造成墩台的破坏。
②截面上、下温差裂缝
以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度骤然变化时，会造成箱内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿水平横向没有温差。将三维热传导问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定，一般假设梁的截面高度方向、温差呈线性变化。
在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束存在，还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。
③截面内外温差裂缝
水泥在水化过程产生一定的水化热，其大部分热量是在混凝土浇筑后3天以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用蒸气养护时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，也会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面内外温差作用下，结构将产生弯曲变形，截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束，产生温度自应力。对超静定结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是相当大的，尤其是混凝土早期强度比较较低，很容易造成混凝土裂缝。
混凝土温度裂缝有以下特点：
①裂缝发生在板上时，多为贯穿裂缝；发生在梁上多为表面裂缝。
②梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边。
③大面积结构（例如桥面铺装）裂缝多是纵横交错。
④裂缝宽度大小不一，且沿结构全长没有多大变化。
预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝，在混凝土组成材料中掺入适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护，严格控制升温和降温速度。
2楼
好了接下来重头戏要来了，
§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、增加纵梁数目、调换梁位、加大新建边梁截面尺寸，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。
对薄弱构件进行加固补强的方法很多，从作用原理可分为两大类：
① 在受拉区直接增设抗拉补强材料，例如：补焊钢筋，粘贴钢板，粘贴高强复合纤维（碳纤维、芳纶纤维）等。这种加固方法，设计时，必须考虑桥梁带载加固分阶段受力特点。后加补强材料的强度发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下是达不到其抗拉强度设计值。特别是采用直接粘贴高强复合纤维加固时，在极限状态下，复合纤维的高强抗拉性能根本无法充分发挥作用，“大马拉小车”是一种极大的浪费。若不考虑分阶段受力特点，过高的估计了后加补强材料的作用，设计是不安全的。
② 采用预加力原理进行加固补强，例如：体外预应力加固，韩国M.S公司的SRAP加固工艺等。由于预加力的作用，改善了原梁的应力状态，提高了原梁的承载能力和抗裂性能。采用预加力加固，可以充分发挥加固补强材料的力学性能，提高了材料的利用效率。
应该指出，在进行桥梁加固方案设计时，应特别注意的是：在保持原梁截面尺寸不变的前提下，采用上述对受拉区进行补强的方法，加固后截面所能承担的最大承载力是有限的。承载力提高的幅度取决于原梁的配筋率，与所采用的加固方法无关。在某些情况下，由于原梁的高度较小，相对配筋率较大，单纯采用受拉区加固补强，仍不能满足设计荷载要求时（例如：设计荷载由汽—15，提高到公路Ⅰ级），可采用加厚桥面的方法同时对梁的受压区加固，增加梁的有效高度，亦可达到提高原梁承载力的目的。通常的作法是结合桥面铺装层维修，采取有效的构造措施，
加强桥面铺装层与原梁翼板的整体连接，设计中可考虑部分桥面铺装层混凝土参与主梁共同工作。
此外，桥梁加固设计应注意各种加固方法的综合利用，通过调整结构内力，尽量地减轻原梁的负担，将加固补强工作量压缩到最少。
§3-2 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见图3－1，原桥为跨径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+2×1.5m，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，经检算认为原桥基础具有较大的超载潜力。
（3）加固设计要点
①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。
②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。
③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。
（4）方案评述
①该方案充分利用了原桥沉井基础的承载潜力，采用插入锚固钢筋，接长墩台盖梁悬臂，节省了大量的下部结构工量费用。
②采用加大新建边梁刚度，调整荷载横向分布系数，减轻原梁负担和桥面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
①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。
②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，应设置锚固短钢筋，桥面铺装层应设置钢筋网或掺入高强复合纤维，增强混凝土的抗裂能力。
因边幅有限，小编在这就不一 一赘述了，小编把文件压缩上传给各位大大，里面有更详尽的加固设计的计算及案例。念在小编这么辛苦的份上，亲，给个好评哦！
往期回顾
第三期 【问题分析与防治】旧桥维修中桥梁偏位问题分析与解决处理
第二期 【问题分析及防治】沥青路面反射裂缝分析及防治
第一期 【问题分析及防治】桥面铺装病害原因分析及改进措施回复
3楼
这个主题被你挖掘出来了，真是有点专业眼光啊。
从2012年开始，本人也开始关注这个主题，还在想，是不是跳出路桥设计、施工、业主单位，专门去做桥梁检测与维修。目前国家的交通建设还没太注意这点，只注重建设。检测、维修市场不太正规，收费有点随意性，检测有点表面性，真正能有几个项目能拿得出真实资料，值得怀疑。还有，桥梁健康评定也是乱象环生，尽量往最差等级靠拢。检测单位与维修单位联合，利益互享。
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4楼
旭日东升 发表于 2015-4-22 11:23 这个主题被你挖掘出来了，真是有点专业眼光啊。 从2012年开始，本人也开始关注这个主题，还在 …谢谢您这么高的评价，
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5楼
好东西，学习学习。
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6楼
来学习了。。。。。。。
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7楼
加固了吗 荷载算了嘛
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8楼
写得好 很有用啊
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9楼
谢谢楼主分享
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10楼
好东西，学习学习。
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11楼
谢谢楼主分享
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