1 橋梁加固誤區(qū)之一-----加固設(shè)計忽略分階段受力特點,機械套用新建橋梁設(shè)計程序

橋梁結(jié)構(gòu)自重和恒載大，一般均采用帶載加固，即在不卸除結(jié)構(gòu)自重和恒載的情況下對結(jié)構(gòu)進行加固補強，待后加補強材料與原結(jié)構(gòu)粘結(jié)為整體后，開放交通允許車輛通行。構(gòu)件自重和不拆除的恒載由原梁承擔(dān),車輛荷載及后加恒載由加固后的組合截面承擔(dān),橋梁加固設(shè)計必需考慮分階段受力特點。

中交一院西安瑞通路橋科技有限公司總經(jīng)理許宏元以“一個應(yīng)引起廣泛重視的技術(shù)認識誤區(qū)”為題,客觀地分析了我國橋梁加固設(shè)計存在的問題,他指出：“《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》 (JTG/T122-2008)己于2008年10月1日正式實施, ,這本規(guī)范特別指出橋梁加固設(shè)計應(yīng)考慮分階段受力。----從筆者參與審查的幾個大型橋梁加固項目來看,加固設(shè)計者并沒有完全理解加固規(guī)范的基本原則。還是在沿用過去的設(shè)計理念,采用一階段受力加固,”[1]-43頁。

  1.1為什么要特別強調(diào)“橋梁加固設(shè)計應(yīng)考慮分階段受力特點”.

  橋梁加固設(shè)計特別強調(diào)應(yīng)考慮分階段受力特點的主要原因橋梁結(jié)構(gòu)自重和恒載大，一般均采用帶載加固，分階段受力對結(jié)構(gòu)承載力的影響大。北京公科固橋技術(shù)有限公司副總經(jīng)理李承昌介紹了一座跨徑布置為20+25+20m鋼筋混凝土連續(xù)空心板橋自荷載效組合情況,“不考慮荷載組合系數(shù)時,邊跨跨中恒載產(chǎn)生的彎矩占總彎矩的64％,墩頂恆載墩恒載產(chǎn)生的彎矩占總彎矩的78％,中跨跨中恒載產(chǎn)生的彎矩占總彎矩的63.4％” [1]-51-52頁。

以常用的中等跨徑的橋梁為例, 占總內(nèi)力60％左右的恆載內(nèi)力(又稱一期荷載效應(yīng))是由原梁鋼筋承擔(dān)的,后加補強后強材料與原梁鋼筋一起只承擔(dān)占總內(nèi)力40％左右的活載內(nèi)力(又稱二期荷載效應(yīng))。換句話說,在進行加固時,原梁鋼筋己承受了60％左右荷載內(nèi)力,具有60％左右的初應(yīng)變(或應(yīng)力)。加固后在活載(即二期荷載)作用下,后加?強材料開始受力, 原梁鋼筋的應(yīng)變(或應(yīng)力)繼續(xù)增加, 兩者共同承擔(dān)兩40％左右的內(nèi)力。在加固構(gòu)件中原梁鋼筋和后加補強材料的應(yīng)力增長的起點不同, 原梁鋼筋的應(yīng)變(或應(yīng)力)超前,后加補強材料應(yīng)變(或應(yīng)力)滯后,這必將對結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)和承載力產(chǎn)生影響,其影響程度與一期荷載效應(yīng)占總荷載效應(yīng) (或原鋼筋初應(yīng)變占總應(yīng)變) 的百分比有關(guān),一期荷載效應(yīng)(或初應(yīng)變)占的比重越大,分階段受力對對結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)和承載力產(chǎn)生影響越大。一般認為, 一期荷載效應(yīng)(或初應(yīng)變)占的比重小于15％時,可忽略分階段受力的影響。常用的中等跨徑的橋梁一期荷載效應(yīng)(或初應(yīng)變)占的比重己達60％左右,隨著橋梁跨徑的加大,結(jié)構(gòu)自重和恒載引起的內(nèi)力所占的比重還會加大,分階段受力對結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)和承載力的影響是絕不能忽略。

1.2 橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計忽略分階受力影響的危害是過高估計了后加補強材料的作用,設(shè)計是不安全的。

許宏元總經(jīng)理指出“對大部分橋梁來說,加固時并不可能完全卸載,加固設(shè)計按一階段受力就欠合理,有可能導(dǎo)致加固后的橋梁產(chǎn)生新的危險” [1]-43頁。

筆者理解許總是從《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》 (JTG/T122-2008)規(guī)定的極限狀態(tài)設(shè)計法角度認識這一問題的. 對橋梁加固構(gòu)件而言,后加補強材料只承擔(dān)活載（車輛荷載）及后加恒載產(chǎn)生的內(nèi)力，與原梁鋼筋相比，其應(yīng)變（應(yīng)力）相對滯后，一般情況下,在極限狀態(tài)時其應(yīng)力達不到抗拉強度設(shè)計值。極限狀態(tài)下，后加補強材料的應(yīng)力發(fā)揮程度受原梁的變形限制，與原梁的配筋率有關(guān)。計算結(jié)果表明，采用直接粘結(jié)高強復(fù)合纖維的被動加固方案，由于受分階段受力的影響，后加補強材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，后加補強材料的高抗拉性能是很難發(fā)揮作用。若在設(shè)計忽略分階段受力的影響, 即相當(dāng)于“取極限狀態(tài)下后加?強材料的應(yīng)力取其抗拉強度設(shè)計值”,由此求得承載力顯然是不安全的。

     重慶交通大學(xué)周建庭教授以“橋梁結(jié)構(gòu)評定和力學(xué)分析型研究現(xiàn)狀與展望”為題,對忽略分階受力影響的危害作了分析,“由于加固増強結(jié)構(gòu)的二次受力特性,原結(jié)構(gòu)在加固前應(yīng)力水平很高,變形很大的情況下,很有可能在加固施工完成后所有荷載作用下,加固層應(yīng)力和應(yīng)變始終處于一個較低的水平,材料強度不能充分發(fā)揮;如加固層自重較大,消耗了橋梁原有己剩不多的承載力,則加固后的原結(jié)構(gòu)可能處于一種以加固前更不利的狀態(tài),從而威脅加固后橋梁使用的安全性” [1]-68頁

  北京公科固橋梁技術(shù)有限公司副總經(jīng)理李承昌以“新技術(shù)、新材料濫用”為題談到“碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)功能被夸大”的問題時指出：碳纖維、不銹鋼絲網(wǎng)雖然強度很高,但截面積很小,構(gòu)件粘貼碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)時, 貼碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)折算為鋼筋的面積并不大,…..增加的抗彎承載能力相對較小” [1]-54頁

    筆者理解李總是從彈性理論允許應(yīng)力法角度分析這一問題的。眾所周知,按彈性理論允許應(yīng)力法計算橋梁加固構(gòu)件分階段受力概念清晰,其基本原理是[4]：一期荷載（構(gòu)件自重及恒載）由原梁承擔(dān)，截面應(yīng)力（或應(yīng)變）應(yīng)根據(jù)按開裂截面計算的原梁換算截面幾何特征值，由材料力學(xué)公式計算；二期荷載（活載）由加固后的組合截面承擔(dān)，截面應(yīng)力（或應(yīng)變）應(yīng)根據(jù)按開裂截面計算的加固后組合截面的換算截面幾何特征值，由材料力學(xué)公式計算。***后，將對應(yīng)的應(yīng)力直接疊加，并控制其小于規(guī)定的容許值。計算結(jié)果表明, 按彈性理論允許應(yīng)力法計算橋梁加固構(gòu)件,通常是原梁鋼筋應(yīng)力控制設(shè)計,后加補強材的應(yīng)力很小,一般情況下不控制設(shè)計。換句話說,后加高度補強材料(碳纖維布、不銹鋼絲網(wǎng)等)的高抗拉性能根本無法充分發(fā)揮,對提高承載力的作用是有限的.

1.3 加深對橋梁加固構(gòu)件分階受力特點認識和理解是樹立正確設(shè)計思想的前提[2]、[3]。

橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計必須考慮帶載加固分階受力特點，是橋梁加固設(shè)計與新建橋梁設(shè)計的******區(qū)別，加深對這一問題的認識和理解是樹立正確設(shè)計思想的前提。只有了解“橋梁加固構(gòu)件分階受力引起的后加補強材應(yīng)變(應(yīng)力)滯后”的受力特點,才能理解“極積推廣預(yù)應(yīng)力主動加固設(shè)計思想” 的真實含義。

橋梁加固構(gòu)件后加補強材料應(yīng)變滯后是影響加固構(gòu)件工作性能、制約后加補強材料利用效率和控制加固工程成本的瓶頸。解決后加補強材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后的根本途徑是變被動加固為主動加固，對后加補強材料施加預(yù)應(yīng)力，做成預(yù)應(yīng)力加固體系,正截面抗彎加固要加預(yù)應(yīng)力,斜截面抗剪加固更要加預(yù)應(yīng)力?？款A(yù)應(yīng)力的主動受力，從根本上解決后加補強材料的應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，提高后加補強材料的利用效益，以***少的成本創(chuàng)造******的加固效果。由于預(yù)加力的作用改善了原梁的應(yīng)力狀態(tài)，可以提高原梁的承載力和抗裂性能。

  1.4 研究開發(fā)橋梁加固設(shè)計與計算軟件是落實““橋梁加固設(shè)計應(yīng)考慮分階段受力特點”設(shè)計原則的當(dāng)務(wù)之急.

   “橋梁加固構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)考慮分階段受力特點”是筆者和很多同行專家近幾年反復(fù)宣傳的基本觀點[2]- [3] [4],是編制橋梁加固設(shè)計規(guī)范的基本原則[1]-54頁,其力學(xué)概念清晰,特別是采用弾性理論允許應(yīng)力法設(shè)計時是很容易理解的。這樣一個簡單的基本力學(xué)概念問題,為么在實際設(shè)計工作中遲遲不能推廣落實？筆者百思不解。北京公科固橋技術(shù)有限公司總工程師王國亮在分析“加固設(shè)計質(zhì)量不高”的原因時指出: “公路橋梁加固專用設(shè)計計算軟件缺乏,橋梁加固的設(shè)計計算更為復(fù)雜,不但要根據(jù)橋梁現(xiàn)狀,合理準(zhǔn)硧地模擬出當(dāng)前橋梁的受力狀態(tài),而且要兼顧新加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的應(yīng)變滯后的計算,目前尚無專門的橋梁加固設(shè)計計算軟件,設(shè)計單位只能使用新建橋梁設(shè)計軟件進行計算,其中的連接、約束、順序等需要人為干預(yù)或調(diào)整,難于做到快速、準(zhǔn)確” [1]-57-58頁?！澳壳吧袩o專門的橋梁加固設(shè)計計算軟件,設(shè)計單位只能使用新建橋梁設(shè)計軟件進行計算”點出了落實難的關(guān)鍵。因此, 研制開發(fā)考慮分階段受力特點和結(jié)構(gòu)損傷影響橋梁加固設(shè)計與計算軟件是落實“橋梁加固設(shè)計應(yīng)考慮分階段受力特點”設(shè)計原則的當(dāng)務(wù)之急。

2  橋梁加固誤區(qū)之二---不分加固性質(zhì)盲目亂貼碳纖維

前些年,粘貼高強纖維復(fù)合材料加固法在我國曾盛行一時,對粘貼高強纖維復(fù)合材料加固效果也存在兩種完全不同的看法,有人說粘貼高強纖維復(fù)合材料加固 “將我國橋梁加固提高到一個新的臺階”，有人說是“把我國橋梁加固引入了盲目亂貼碳纖維的加固誤區(qū)” ;有人把它吹捧為“醫(yī)治百病的一貼靈”，有人把它貶低為 “一俊遮百丑的化裝品”。這些看法雖有些偏激，但是如何科學(xué)的評價高強纖維復(fù)合材料加固的效果是無法回避的問題。

2.1  粘貼高強纖維復(fù)合材料加固效果分析[3]

  (1)采用粘貼高強纖維復(fù)合材料對鋼筋混凝土受彎構(gòu)件進行加固,可有限地提高梁的抗彎和抗剪承載力。但是，必須再次特別強調(diào)指出，從作用原理上講，采用在受拉區(qū)（或受剪薄弱區(qū)段）直接粘貼高強復(fù)合纖維加固的鋼筋混凝土梁屬被動加固范疇，極限狀態(tài)下后加補強纖維的應(yīng)力取決于原梁的配筋率。對于原梁高度較小，配筋率較大的情況，后加補強纖維的高抗拉性能根本無法發(fā)揮作用.。

以目前大量采用的直接粘貼碳纖維布（強度標(biāo)準(zhǔn)值為3350Mpa，彈性模量為2.2×105Mpa）加固的鋼筋混凝土T形梁為例：對于原梁的配筋率為4.5%（混凝土相對受壓區(qū)高度 ）的情況，加固設(shè)計以混凝土壓應(yīng)變達到極限值控制,極限狀態(tài)下碳纖維的應(yīng)力只有776.6Mpa，此值只相當(dāng)于其抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的23%。計算結(jié)果表明，采用直接粘結(jié)高強纖維復(fù)合材料的被動加固方案，由于受分階段受力的影響，后加補強材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，后加補強材料的高抗拉性能是很難發(fā)揮作用，“大馬拉小車”是一種極大的浪費。特別是在倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會的環(huán)境下，這種盲目的浪費是值得我們深思的。

(2)采用粘貼高強纖維復(fù)合材料加固，對結(jié)構(gòu)的剛度提高不大。因此，對于以控制結(jié)構(gòu)變形為主要的使用功能加固是不適宜的。

(3)后粘貼的高強纖維復(fù)合材料可以制約裂縫的發(fā)展，間接的提高了結(jié)構(gòu)的抗裂能力。后粘貼的含有多層樹脂膠和防護罩面膠的高強纖維層，可以提高混凝土的抗腐蝕和碳化能力。因此，對于以延長結(jié)構(gòu)使用年限為主要目的耐久性加固，采用粘貼高強纖維復(fù)合材料加固還是有一定效果的。但是，應(yīng)該指出:·因此，單純?yōu)榱颂岣吣途眯缘哪康牟捎脙r格昂貴的碳纖維做粘結(jié)膠層的保護層的作法是不適宜的。

2.2采用纏繞粘貼高強復(fù)合纖維復(fù)合材料對軸向受壓構(gòu)件進行加固，加固效果顯著，有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。

   纏繞粘貼高強復(fù)合纖維復(fù)合材料加固,從工作原理上講屬于約束加固,由于高強纖維復(fù)合材料層的約束作用，在縱向力的作用下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可以較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的抗壓承載力,增強結(jié)構(gòu)的延性, 可明顯的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，廣泛用于抗震加固。

   筆者于2005年開展了纏繞芳綸纖維布短柱試驗研究，並對遭受嚴(yán)重凍害的黑龍江省哈同公路螞蟻河1號橋的墩柱,采用纏繞芳綸纖維布的方法進行加固補強，收到了明顯的加固效果

2.3高強復(fù)合的應(yīng)用研究

    高強復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力加固法是采用錨固、粘貼在梁體外部（或箱內(nèi)）的高強復(fù)合纖維布條（或板條）對梁體施加預(yù)加力。這種加固體系目前尚處于試驗研究階段，其關(guān)鍵技術(shù)是解決適應(yīng)于橋梁加固現(xiàn)場施工的預(yù)應(yīng)力纖維布條（或板條）的張拉、錨固和張拉后纖維布條（或板條）與被加固梁體的可靠粘結(jié)問題。

筆者參與的深圳海川公司博士后課題《芳綸纖維（AFFP）加固技術(shù)》，研制開發(fā)了錨固芳綸纖維布條的平板式錨具，并修建了試驗橋。湖南科技大學(xué)何利雄等[52]對用于碳纖維布條的楔型變波紋夾片式錨具進行試驗研究,并用于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁加固。湖南大學(xué)尚守平教授開展了碳纖維預(yù)應(yīng)力加固試驗研究，并在湖南省瀏陽市金剛頭橋加固工中應(yīng)用，取得了較好地加固效果。

  應(yīng)該指出,高強纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)是材料工業(yè)的一大進步，但是這高強材料在土木工程中的應(yīng)用，特別是在加固工程中的合理應(yīng)用還是一個值得商榷的問題。筆者認為分清加固性質(zhì)，明確加固目的，在弄清加固作用機理的基礎(chǔ)上，有針對性地合理應(yīng)用這種新材料是橋梁加固工程應(yīng)解決的現(xiàn)實問題。

3 橋梁加固誤區(qū)之三----發(fā)現(xiàn)裂縫就封堵

 中交路橋技術(shù)有限公司總工程師鮑衛(wèi)剛在談到“注意各加固方法的使用環(huán)境和條件”時,指出“目前有一種值得進一步商榷的現(xiàn)象,即混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)一些裂縫,不論其是結(jié)構(gòu)性裂縫還是非結(jié)構(gòu)性裂縫,就想方設(shè)法地優(yōu)先考慮采用粘貼纖維復(fù)合材料方法將其封閉起來,實則留下了更大的安全隱患” [1]-36頁。

  “發(fā)現(xiàn)裂縫就封堵”，猶如庸醫(yī)看病“發(fā)現(xiàn)體溫升高就吃退燒藥”。體溫升高是反映身體疾病的重要特征,引起體溫升高的原因是極其復(fù)雜的,如果不分清紅皂白的“發(fā)現(xiàn)體溫升高就吃退燒藥”,不但治不好病,還可能誤疹,嚴(yán)重時是會害死人的。裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表,引起裂縫原因是極其復(fù)雜的,如果不加分析研究，“發(fā)現(xiàn)裂縫就封堵”不僅達不到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險。筆者認為：處理裂縫首先要了解裂縫,只有對裂縫的性質(zhì)和危害有較深地理解, 才能做“對癥下藥”, 有針對應(yīng)地制定處理方案, 達到預(yù)期加固效果。

3.1混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型和成因[4]

    混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴展而引起的。引起裂縫的原因很多，可歸納為結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱為荷載裂縫）非結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱非荷載裂縫）兩大類：

(1) 結(jié)構(gòu)性裂縫