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桥梁结构病害分析 提高桥梁改造加固设计质量,是确保 加固工程质量的前提和基础。桥梁改造加 固设计是比新建桥梁设计复杂得多的系统 工程。我国目前的状况是“有实力的大设计 院无暇顾及,不愿意干,技术力量较差的 小型设计单位又干不了”,桥梁改造加固设 计基本上由科研单位、高等院校和各类专 业公司来承担。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:(1)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。(2)考虑结构损伤影响的承载力评估方法 还不够完善。(3)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。 (4)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。针对我国目前桥梁改造加固加固市场的 混乱局面,加强桥梁养护、管理及设计与 施工技术队伍建设是整顿桥梁加固市场的 重要内容之一。第一章 桥梁病害诊断第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估第三章 桥梁改造加固方案设计第四章 桥梁加固薄弱受弯构件设计计算讲授提纲第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构 损伤或破坏1-2 混凝土结构的裂缝分析基本内容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。 第一章 桥梁病害诊断 表层病害:蜂窝、麻面、露筋、空洞、层 隙、磨损、表面腐蚀、老化、剥落、表面 裂缝、掉角、模板走样、接缝不平、构件 变形 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、混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙 与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性 气体发生化学反应的过程。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。第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构损 伤或破坏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。1-1 环境因素引起的混凝土 结构损伤或破坏 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”。 第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土 结构损伤或破坏碱骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主 要区别是: 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; 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。第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构损 伤或破坏 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510 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。1-1 环境因素引起的混凝土结构损 伤或破坏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。1-1 环境因素引起的混凝土 结构损伤或破坏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: 第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土 结构损伤或破坏表面分层剥落,骨料暴露,但剥落层 下面的混凝土完好;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;在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见 到白色盐结晶体;第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构损 伤或破坏5、钢筋锈蚀混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜坏,混 凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面 的碱性钝化膜的破坏,加之有水分和氧的侵入, 就可能引起钢筋的腐蚀。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。1-1 环境因素引起的混凝土 结构损伤或破坏值得注意的是,上述所有侵蚀混凝 土和钢筋的作用都需要有水作介质。另 一方面,几乎所有的侵蚀作用对混凝土 结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土 膨胀,最终导致混凝土的开裂有关。而 且当混凝土结构开裂后,腐蚀速度将大 大加快。形成导致混凝土结构的耐久性 进一步退化的恶化循环。第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构损 伤或破坏因此,对新建结构而言,提高混凝土 结构耐久性的基本途径是增强混凝土的密 实度,防止和控制混凝土开裂,阻止水分 的侵入;加大混凝土保护层的厚度,防止 由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的 破坏。对于在役结构而言,提高混凝土结 构耐久性的基本思路是在清除病害根源的 基础上,封堵裂缝,修补破损混凝土;增 设防水层,防止水分的侵入。1-2混凝土结构的裂缝分析实践表明,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: 第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析 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。1-2混凝土结构的裂缝分析图1-1 钢筋混凝土梁结构裂缝1-2混凝土结构的裂缝分析第二类:由变形引起的裂缝,称为 非结构性裂缝,如混凝土收缩、温度变 化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。第一章 桥梁病害诊断混凝土的非结构性裂缝根据其形成的 时间可分为: 混凝土硬化前裂缝 硬化过程裂缝 完全硬化后裂缝第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析1-2混凝土结构的裂缝分析(1)收缩裂缝在混凝土凝固过程中,由于多余水分 蒸发,引起的混凝土体积缩小称为干缩。 同时,水泥与水起水化作用逐渐硬化而形 成的水泥骨架不断紧密,引起的混凝土体 积缩小称为凝缩。当混凝土成形后,表面 水份蒸发,这种水份蒸发总是由表及里逐 步发展,截面内外温度不等,内外收缩量 不一样。混凝土表面收缩变形受到混凝土 内部约束或其他约束限制时,即在混凝土 中产生拉应力,引起混凝土开裂。1-2混凝土结构的裂缝分析(2)温度裂缝钢筋混凝土结构随着温度变化将产生 热胀冷缩变形,这种温度变形受到约束时 ,在混凝土内部就会产生拉应力,当此应 力达到混凝土的抗拉强度极限值时,即会 引起混凝土裂缝,这种裂缝称为温度裂缝 。按结构的温度场不同、温度变形、温度 应力不同,温度裂缝可分为三种类型: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。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析截面上、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。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析1-2混凝土结构的裂缝分析在这种温差作用下,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。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。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析1-2混凝土结构的裂缝分析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。混凝土温度裂缝总结有以下特点: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。梁板式结构或长度较大的结构,裂缝 多是平行于短边。大面积结构(例如桥面铺装)裂缝多 是纵横交错。裂缝宽度大小不一,且沿结构全长 没有多大变化。第一章 桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析1-2混凝土结构的裂缝分析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。1-2混凝土结构的裂缝分析 两类裂缝有明显的区别,危害效果也 不相同,有时两类裂缝融在一起。调查资 料表明,在两类裂缝中以变形引起的裂缝 占主导的约占80%;以荷载引起的裂缝占主 导的约占20%。对裂缝原因的分析是裂缝危 害性评定,裂缝修补和加固的依据,若对 裂缝不经分析研究就盲目进行处理,不仅 达不到预期的效果,还可能潜藏着突发性 事故的危险。
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