既有钢-混组合梁桥常见病害分析及其加固策略.

第一篇：既有钢-混组合梁桥常见病害分析及其加固策略.

既有钢一混组合梁桥常见病害分析及其加固策略 159 既有钢一混组合梁桥常见病害分析及其加固策略 黄侨1,2荣学亮2陆军3(1.东南大学桥梁与隧道工程研究所 南京210096;2.哈尔滨工业大学桥梁工程研究所 哈尔滨 150090;3.苏州天狮建设监理有限公司 苏州 215011 摘要:钢一混组合粱桥以其施工速度快,建筑高度小,抗震性能好等优点,在我国公路和城市桥梁建设中得 到了广泛的应用。但是由于交通量和重型车辆的不断增加,空气、水汽、工业烟尘以及其他化学和污 染物的环境作用,缺乏定期的养护维修等原因,既有钢一混组合梁桥在运营若干年后,出现了不同程 度的病害问题。为保证该类桥梁的安全运营,延长其使用寿命,必须对该类型桥梁进行维修、加固。本文通过调研国内外既有钢一混组合梁桥的运营状况,总结、归纳了该类桥梁出现的几种常见病害, 并在病害成因分析的基础上,研究了该类桥梁的加固方法。并对几种不同的加固方式进行了对比分 析,研究了各种加固方法的适用性。对症下药,几种加固方法相结合,变被动加固为主动加固的加固 设计理念贯彻于本文的加固方法中。

关键词:钢一混组合梁桥病害加固方法体外预应力 1引言

钢一混组合梁桥是一种在公路尤其城市桥梁工程中应用较多的结构形式之一。该结构形式最早出现于 19世纪末20世纪初,经过几代工程师们近百年深入、细致、全面地研究和应用。自20世纪70年代开始快速 发展。以法国为例,据该国1990~t993年建设的桥梁上部结构的统计分析,工字钢梁与混凝土桥梁构成的 公路组合梁在跨长30--dlOm范围内最有竞争力,在60~80m跨长则有明显优势。组合粱的占有率达85%。在我国公路和城市桥梁中,组合梁的应用也取得了举世公认的进步,1993建成的上海杨浦大桥(跨径为 602m,2001建成的福建青州闽江大桥(跨径为

605m。其加劲梁均采用了钢一混组合结构,在同类型桥梁中 位居世界前列。2005年我国首座波形钢腹板PC组合箱梁公路桥一泼河大桥建成通车(跨径4×30m,2006年建成通车的常州新运河平陵大桥为国内首例大跨度(主跨llOm钢一混凝土组合连续梁桥,2005年开工建 设中的河南鄄城黄河大桥是目前世界上最长的波形钢腹板PC组合箱梁桥(跨径58X50re。在城市立交桥 建设中,钢-混组合梁也以其跨越能力大,建筑高度小,抗震性能好以及施工速度快等优点得到了广泛的应 用,建成了以北京航天桥(主跨73m、朝阳桥(主跨64m、淮安市长征桥(跨径18.5m+30m+18.5m为代 表的一批钢一混组合连续梁桥,取得了较好的技术经济效益。可以预期进入21世纪后,钢一混组合梁这种结 构形式必将得到更大的发展。

2常见病害及成因分析

应该指出的是,国内外既有钢一混组合梁桥目前的运营状况较好,出现的问题也不算严重,但是未雨绸 缪,随着该类型结构形式桥梁在国内的进一步推广使用,以及由于经济快速发展带来的对桥梁功能要求的提 高。对其进行病害分析及加固策略研究也是必要的。根据已有文献资料的研究报道以及现场调研表明,既有 钢混组合梁桥常出现以下几种病害。

既有钢一混组合梁桥常见病害分析及其加固策略 I∞

采用直径13ram、长51ram的螺栓。CFRP板材的粘贴位置如 ・ 图5所示,通过加载试验后,得出如下结论:①使用CFRP加

固后的试验梁,强度增加最大可达45OA;②使用CFRP加固黼土扳 后,试验梁的刚度也有显著的增加,当P=128kN时,加固后 的试验梁的跨中挠度仅为同样荷载作用下,控制梁跨中挠度 的25%;③加固材料CFRP的弹性模量不得小于被加固梁中 钢材的弹性模量。众多试验研究表明,采用碳纤维片材加固 钢一混组合梁桥可以有效的提高原桥地承载能力,减小主梁, 挠度。812mm l ‘‘‘-一T-.f一‘.’1

一钢粱 E 之 爿 图5CFRP板材加固组合粱示意图 3.3钢梁裂纹或锈蚀等缺陷的修补

’当钢梁出现裂纹进行修补时,如仅以焊接和增加盖板等将裂纹堵塞一下,是不能解决问题的。必须充分 调查裂缝发生部位的钢材质量、焊接状态、应力状态、锈蚀状况和疲劳状态等,依据调查的结果采取对策。有 时,为了改善材质,必须更换构件,为了改善应力状态,必须优化构造细节或变更结构。当钢梁发生锈蚀时, 必须及时除锈,并按钢结构的防腐要求进行防腐处理。

3.4混凝土桥面板更换

由于受到车辆局部荷载的反复作用及混凝土碳化、钢筋锈蚀,板抗弯能力相对较弱,钢一混凝土组合梁桥 的桥面板使用寿命一般应低于其钢梁的使用寿命。当混凝土桥面板局部破裂或腐蚀严重时,需要局部或整 体更换混凝土桥面板。在凿除混

凝土桥面板后应同时检查剪力连接件的使用情况,必要时可更换或增加剪 力连接件数量后,再重新浇筑桥面板。

3.5更换剪力键

当发现梁端的混凝土桥面板与钢梁明显错位,表明剪力键已因疲劳或纵向剪力过大而失效。在此情况 下,必须凿除混凝土桥面板,更换剪力键并重新浇筑混凝土桥面板。否则钢一混凝土组合梁将蜕化为钢一混凝 土叠合梁,其挠度将明显增大、承载能力将大幅降低。

3.6钢板局部失稳的处理.对于局部失稳的钢板可采取局部更换钢板、局部粘贴或加焊钢板及箱内局部增加横向或纵向加劲肋的 措施,以增加其局部稳定性。

4结语

(1既有钢一混组合梁桥最常见的,也是最可能出现的病害,其包括:钢梁构件由于锈蚀、疲劳、高应力集 中及焊接残余应力等因素导致出现裂纹,而引起构件的脆性断裂;钢一混组合梁桥特有的构造和施工过程导 致的组合连续梁桥负弯矩区桥面板开裂和桥面板纵向开裂;混凝土桥面板局部破损、腐蚀;剪力键剪断或疲 劳破坏等。

(2已有研究表明,当既有钢一混组合梁桥承载能力不足,或荷载等级要求提高时,可以采用体外预应力 或粘贴碳纤维片材的加固方法。这两种方法均可以有效地提高既有钢一混凝土组合梁桥的承载能力,一般情 况下提高幅度可达到20%"--40%。

(3剪力键是保证钢梁和混凝土桥面板共同工作的关键所在,如果因其疲劳或承受过大的纵向剪力而破 坏时,必须更换之。否则钢一混凝土组合梁的组合作用已不复存,并将蜕化为叠合梁,其承载能力将大幅 降低。

(4钢一混凝土组合梁桥具有钢筋混凝土结构和钢结构的共性问题,例如混凝土桥面板开裂、破损和钢粱 腐蚀、疲劳裂纹、鼓包等病害;同时也具有其独特的个性问题,例如剪力键的疲劳和剪断问题。在实际工程中 须对具体的病害进行具体的分析,进而采取具有针对性的加固策略,以达到加固的目的。

ｌ甜 全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议论文集 参考文献 ［１］ ［２］ ［３］ ［４］ ［５］ ［６］ ［７］ 陈开利，王邦楣，林亚超．桥梁工程鉴定与加固手册．北京：人民交通出版社，２００５． 张劲泉，王文涛．桥梁检测与加固手册．北京：人民交通出版社，２００７． 黄侨．桥梁钢一混凝土组合结构设计原理．北京：人民交通出版社，２００４． 叶梅新，黄琼．钢结构事故研究．长沙铁道学院学报，２００２，２０（４）：６—１０． ＡＩ－Ｓａｉｄｙ，Ｋｌａｉｂｅｒ，Ｗｉｐｆ．Ｒｅｐａｉｒ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｌａｔｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２００４，８（２）：１６３—１７２． Ｍ．Ｔａｖａｋｋｏｌｉｚａｄｅｈ，Ｈ．Ｓａｄａｔｍａｎｅｓｈ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ－Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｇｉｒｄｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃａｒ— ｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ Ｓｈｅｅｔｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，１２９（１）：３０－４０． 聂建国，温凌燕．体外预应力加固钢一混凝土连续组合粱的承载力分析．工程力学，２００６，２３（１）：８１—８６。

第二篇：组合梁桥常见病害分析及加固策略研究

组合梁桥常见病害分析及加固策略研究

SQ09018146001 刘芳

摘要：本文通过调研国内外钢一混组合梁桥的运营状况，总结、归纳了该类桥梁出现的几种常见病害，并在病害成因分析的基础上，研究了该类桥梁的加固方法。并对几种不同的加固方式进行了对比分析，研究了各种加固方法的适用性。关键词：组合梁桥；病害；加固方法

Abstract：This paper studies operating conditions of mix of steel bridge beam both at home and abroad.We summ up and conclud several common diseases of such bridge, and,study of the strengthening methods based on the analysis the cause disease.Comparing the consolidation of several different ways and studying the applicability of various strengthening methods.Keywords: Combination bridge, Diseases, Reinforcement method 1引言

钢一混组合梁桥是一种在公路尤其城市桥梁工程中应用较多的结构形式之一。该结构形式最早出现于19世纪末20世纪初，经过几代工程师们近百年深入、细致、全面地研究和应用。自20世纪70年代开始快速发展。以法国为例，据该国1990～t993年建设的桥梁上部结构的统计分析，工字钢梁与混凝土桥梁构成的公路组合梁在跨长30--11Om范围内最有竞争力，在60～80m跨长则有明显优势。组合粱的占有率达85％。在我国公路和城市桥梁中，组合梁的应用也取得了举世公认的进步，1993建成的上海杨浦大桥(跨径为602m)，2001建成的福建青州闽江大桥(跨径为605m)。其加劲梁均采用了钢一混组合结构，在同类型桥梁中位居世界前列。2005年我国首座波形钢腹板PC组合箱梁公路桥一泼河大桥建成通车(跨径4×30m)，2006年建成通车的常州新运河平陵大桥为国内首例大跨度(主跨llOm)钢一混凝土组合连续梁桥，2005年开工建设中的河南鄄城黄河大桥是目前世界上最长的波形钢腹板PC组合箱梁桥(跨径58X50m)。在城市立交桥建设中，钢-混组合梁也以其跨越能力大，建筑高度小，抗震性能好以及施工速度快等优点得到了广泛的应用，建成了以北京航天桥(主跨73m)、朝阳桥(主跨64m)、淮安市长征桥(跨径18.5m+30m+18.5m)为代表的一批钢一混组合连续梁桥，取得了较好的技术经济效益。可以预期进入21世纪后，钢一混组合梁这种结构形式必将得到更大的发展。

钢一混组合粱桥以其施工速度快，建筑高度小，抗震性能好等优点，在我国公路和城市桥梁建设中得到了广泛的应用。但是由于交通量和重型车辆的不断增加，空气、水汽、工业烟尘以及其他化学和污染物的环境作用，缺乏定期的养护维修等原因，既有钢一混组合梁桥在运营若干年后，出现了不同程度的病害问题。为保证该类桥梁的安全运营，延长其使用寿命，必须对该类型桥梁进行维修、加固。

2常见病害及成因分析

应该指出的是，国内外既有钢一混组合梁桥目前的运营状况较好，出现的问题也不算严重，但是未雨绸缪，随着该类型结构形式桥梁在国内的进一步推广使用，以及由于经济快速发展带来的对桥梁功能要求的提高。对其进行病害分析及加固策略研究也是必要的。根据已有文献资料的研究报道以及现场调研表明，既有钢混组合梁桥常出现以下几种病害。

2.1 钢梁的锈蚀

钢梁裸露在空气、水汽、工业烟尘以及其他化学和污染物的环境中，容易发生化学反应或者是电化学反应，尤其是当油漆退化以及桥面板防水失效时。油漆防护是保证钢梁耐久性的重要手段，也是钢桥维护的主要项目。因此当油漆退化后，其直接后果就是导致钢构件锈蚀，严重锈蚀会导致截面损失，锈坑处产生应力集中，如若发生在设计控制部位，将严重降低结构的疲劳性能及承载能力。桥梁端部的伸缩装置，支座附近、桥面结构，箱形截面构件里侧以及组合梁接合面处等易于积水和积尘的地方是容易发生锈蚀的部位，造成钢构件板厚变薄。在钢构件的焊接点处也容易发生锈蚀。

2.2 钢梁疲劳

钢结构桥梁在汽车作用下，容易产生疲劳裂纹，可能导致构件脆性断裂。引起构件疲劳开裂的内因主要是材料缺陷和应力集中，外因主要是重复活载作用下产生的应力循环。超载、车辆撞击和截面锈蚀等因素增加了裂纹扩展和构件断裂的可能性。现场检测表明：目前公路桥梁的车辆荷载具有轴重大、行驶速度快、通行流量大的特点，容易导致钢结构桥梁出现疲劳破环事故。连接件是把混凝土桥面板和钢梁连接为一个整体且保证组合梁协同工作的关键部件，也是组合梁抗疲劳的一个重要因素。栓钉是应用较为广泛的一种连接形式，试验研究表明，在保证焊接质量的前提下，组合梁的疲劳破坏大多是由于栓钉的剪切疲劳破坏造成的。

2.3 桥梁承载力不足，不能满足既有交通荷载要求

该类情况的既有钢-混组合梁桥本身并没有出现明显的病害现象，只是一方面由于桥梁本身的原因，例如使用时间较长，从桥上所通行的车辆载重及流量的增长等，使得桥梁功能退化，不能达到原有设计功能；另一方面是由于经济水平快速增长的需要，既有桥梁已不能满足经济的需求，需要对现有桥梁进行加固加宽。因此将该种情况列为既有钢-混组合梁桥所面临的一种问题，通过加固或可解决。

2.4 钢-混组合连续梁混凝土翼板纵向开裂

剪力键在钢-混凝土组合梁中起着重要作用，主要是用来承担钢梁与混凝土翼板之间的纵向水平剪力，并抵抗两者之间的掀起作用。钢-混凝土组合梁中，相当宽的混凝土翼板沿一个狭窄的接触面承受钢梁通过剪力连接传来的剪力，将在混凝土翼板的结合面附近产生较大的剪应力。所以在组合梁中，尤其是单排栓钉连接T形截面组合梁常发生混凝土纵向开裂。混凝土翼板的纵向开裂将导致混凝土翼板的纵剪强度成为梁破坏的控制条件，如果没有足够的横向钢筋来约束裂缝的发展，组合梁的剪力连接程度就有会降低，而使得组合梁达不到设计承载力而提前破坏。

2.5 钢-混组合连续梁负弯矩区混凝土桥面板横向开裂

混凝土翼板受压，钢梁受拉是钢-混凝土组合梁的最有利受力状态，但是在连续梁中支点负弯矩区不可避免的会出现混凝土翼板受拉而钢梁受压的不利状态，易在中支点负弯矩区出现混凝土开裂的情形，当负弯矩区处混凝土裂缝较大时，将会导致混凝土板中钢筋锈蚀，影响结构耐久性，同时开裂严重还会使得箱内漏水、腐蚀，影响结构的外观，给人们以不安全感。

2.6 剪力键剪断

剪力键的作用是保证桥面板混凝土及钢梁共同工作，因此它承受着巨大的纵向剪力作用。对于经常超载的桥梁，由于纵向剪力过大或者反复作用导致剪力键疲劳将会导致剪力键弯曲或剪断。出现这种情况时会明显地发现梁段的钢梁与混凝土桥面板间发生相对错动，这时，剪力键起不到应用的作用，组合桥梁已演变成迭合梁桥。

2.7 混凝土桥面板局部破裂或腐蚀

由于重载交通的反复作用、桥面防水失效及融冰盐的化学腐蚀作用，使得混凝土桥面板局部或大面积开裂、损伤严重。混凝土板中的受力钢筋出现锈蚀，进而使得混凝土桥面板承受局部车轮荷载的能力明显下降。即降低桥梁的承载力，同时也降低了桥梁的适用性和耐久性。

2.8 其他问题

早期较低设计荷载水平的钢-混凝土组合梁桥，由于超载严重，再加上长期暴露在空气和雨水等环境中，容易使连接螺栓或铆钉松动或断裂，因此需要进行更换或加固。对于钢-混凝土连续梁桥，钢梁受压区的腹板或底板会因偶然的超载或升温作用而产生局部鼓包，即局部失稳现象。这种局部失稳如不及时修复，亦会降低整体结构的抗失稳能力，进而间接降低桥梁的承载能力。加固策略

钢-混凝土组合梁桥，不管是简支梁还是连续梁，均为 RC(或PC)板与钢结构由剪力键组合成一整体，因此检测、维修、加固可由上述三部分入手；此外，钢-混组合梁的特有的施工过程，也会形成不同的内力分布特点、缺陷及病害。鉴于上述原因，进行钢-混组合梁桥检测、维修、加固时，混凝土或预应力混凝土桥面板的病害及其处理方法，可参考钢筋混凝土梁、板的方法；钢梁的缺陷及处理方法可遵照钢结构的方法；钢-混组合梁桥特有的缺陷及病害，例如剪力键的锈蚀、疲劳及剪断等，可在分析缺陷及病害成因的基础上，采取相应的加固措施。另外，众多的桥梁破坏事故表明，每个破坏实例往往并不是由单一因素引起的，而是多个因素相互诱发共同作用的结果，就钢-混组合梁桥而言，漏水导致腐蚀或锈蚀、疲劳、应力集中，焊接残余应力以及焊接缺陷可能是最主要的。因此进行钢-混组合梁桥维修加固时，可以视桥梁状况，采取集中加固措施相结合的方法，重视预防，提倡变被动加固为主动加固的设计理念。

常用的桥梁加固改造技术方案有：施加体外预应力、减轻荷载、加固临界杆件、补充新杆件、改善原结构受力体系、加固受力杆件等方法。3.1 施加体外预应力加固

当钢-混组合梁桥出现负弯矩区桥面开裂、主梁挠度过大、荷载等级不够，需要提高主梁承载力等问题时，可以采用体外预应力加固法。该法具有加固、卸荷、改变结构内力三重效果，适用于中小跨径的梁式桥，是一种行之有效的加固方法。工程实践表明，体外预应力加固技术能够较大幅度地提高旧桥承载能力。加固后所能达到的荷载等级与原桥设计标准及安全储备有关，一般情况下可将原桥承载力提高30%-40%。采用本方法加固时宜同时配合其他加固方法进行综合加固，以达到较好的加固效果。

3.2 粘贴碳纤维片材加固

纤维复合材料质量轻、强度高，而且具有较好的耐腐蚀性和抗疲劳性能，因此是进行桥梁维修和加固的理想材料，国内外对采用CFRP加固钢-混凝土梁已经有了比较系统的研究并进行了相关的试验。研究表明采用碳纤维骗财加固钢-混组合梁桥可以有效的提高原桥地承载能力，减小主梁挠度。

3.3 钢梁裂纹或锈蚀等缺陷的修补

当钢梁出现裂纹进行修补时，如仅以焊接和增加盖板等将裂纹堵塞一下，是不能解决问题的。必须充分调查裂缝发生部位的钢材质量、焊接状态、应力状态、锈蚀状况和疲劳状态等，依据调查的结果采取对策。有时，为了改善材质，必须更换构件，为了改善应力状态，必须优化构造细节或变更结构。当钢梁发生锈蚀时，必须及时除锈，并按钢结构的防腐要求进行防腐处理。

3.4 混凝土桥面板更换

由于受到车辆局部荷载的反复作用及混凝土碳化、钢筋锈蚀，板抗弯能力相对较弱，钢一混凝土组合梁桥的桥面板使用寿命一般应低于其钢梁的使用寿命。当混凝土桥面板局部破裂或腐蚀严重时，需要局部或整体更换混凝土桥面板。在凿除混凝土桥面板后应同时检查剪力连接件的使用情况，必要时可更换或增加剪力连接件数量后，再重新浇筑桥面板。

3.5 更换剪力键

当发现梁端的混凝土桥面板与钢梁明显错位，表明剪力键已因疲劳或纵向剪力过大而失效。在此情况下，必须凿除混凝土桥面板，更换剪力键并重新浇筑混凝土桥面板。否则钢一混凝土组合梁将蜕化为钢一混凝土叠合梁，其挠度将明显增大、承载能力将大幅降低。

3.6 钢板局部失稳的处理．

对于局部失稳的钢板可采取局部更换钢板、局部粘贴或加焊钢板及箱内局部增加横向或纵向加劲肋的措施，以增加其局部稳定性。结束语

(1)组合梁桥最常见的，也是最可能出现的病害，其包括：钢梁构件由于锈蚀、疲劳、高应力集中及焊接残余应力等因素导致出现裂纹，而引起构件的脆性断裂；钢一混组合梁桥特有的构造和施工过程导致的组合连续梁桥负弯矩区桥面板开裂和桥面板纵向开裂；混凝土桥面板局部破损、腐蚀；剪力键剪断或疲劳破坏等。

(2)研究表明，当组合梁桥承载能力不足，或荷载等级要求提高时，可以采用体外预应力或粘贴碳纤维片材的加固方法。这两种方法均可以有效地提高钢一混凝土组合梁桥的承载能力，一般情况下提高幅度可达到20％--40％。

(3)剪力键是保证钢梁和混凝土桥面板共同工作的关键所在，如果因其疲劳或承受过大的纵向剪力而破坏时，必须更换之。否则钢一混凝土组合梁的组合作用已不复存，并将蜕化为叠合梁，其承载能力将大幅降低。

(4)钢一混凝土组合梁桥具有钢筋混凝土结构和钢结构的共性问题，例如混凝土桥面板开裂、破损和钢粱腐蚀、疲劳裂纹、鼓包等病害；同时也具有其独特的个性问题，例如剪力键的疲劳和剪断问题。在实际工程中须对具体的病害进行具体的分析，进而采取具有针对性的加固策略，以达到加固的目的。

参考文献

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