桥梁检测与加固教材.docx

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桥梁检测与加固教材

桥梁检测与加固

Ø桥梁结构检查的重要性

桥梁结构的使用性能及耐久年限,主要由设计、施工和所用材料的质量等诸多因素共同确定。

由于设计、施工和材料可能存在某些缺陷,而这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处。

此外,桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀，带来后天病害。

先天缺陷和后天病害的不利影响往往会结合在一起,如果再遇上荷载和外力的临界组合,则很容易使桥梁发生不可预见的损坏。

桥梁结构中的一处或某几处局部的损坏又可能产生连锁反应，波及到更多的位置,发展成更大的损坏,乃至危及桥梁的安全。

所以,确保建成的桥梁保持良好的运营状态和正常的使用功能,当务之急是及时发现早期病害,在尚未出现更大的损伤之前采取维修养护措施,以控制病害发展或把病害清除,而要达到此目的,就必须对桥梁进行检查。

桥梁结构的检查是保证桥梁正常使用、进行维修加固的重要依据。

检查桥梁结构的目的在于随时掌握结构的技术状况和安全状态,总结设计、施工、使用和维修的经验和教训,鉴定现有桥梁的承载力和通过能力,指导对桥梁的正确使用、管理和维修。

Ø桥面结构的检测

用于预测桥面病害的一般方法是:

测量氯化物含量和电势,并进行肉眼观测。

但此种方法既费时间,又妨碍交通,而且更遗憾的是,这种方法不能就沥青桥面铺装的整个病害情况提供准确数据。

因为该方法只把注意力集中在由于腐蚀而导致的顶面钢筋保护层的层裂上,而忽视了由于冻融循环造成的沥青铺装层下的混凝土裂崩的检测。

然而值得庆幸的是,使用雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些新的技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面。

Ø桥梁结构体系的监测

一般用于结构监测的传统传感器,其测量能力只局限于逐点检测,当临界断面检测得不准确时,其效果就会很不理想。

当需要对大型结构,如桥梁的状况进行评估时,具有大面积检测能力的传感器就显得尤为重要。

任何监测系统都必须具备在较长时期内提供可靠、精确和长期的检测结果,这样才能保证结构处于高度的安全状态。

安装了这种监测系统,就可以较早地发现结构存在的任何问题,以便采取必要的修复措施,从而保证结构使用的连续安全性,使结构的性能得到最佳利用,并减少使用费用。

混凝土桥梁结构的监测用于混凝土桥梁结构监测的一种新技术是光纤传感器技术。

它运用了光纤的两个特性来实现动态测量：

1光损矢量的测量,即利用纤维某些局部产生微小弯曲后所产生光矢量变化的效应原理。

2光传输时间原理,即:

光沿传感器到达反射镜,再反射回到光源处的传输时间。

Ø桥梁基础的监测

桥梁结构水面或地面以上部分的材料状况和整体性能状况的检测及评价方法与上部结构类似。

水面或地面以下基础状况的诊断,对于明显的病害,一般只能通过观测墩台的沉降、倾斜、位移和裂缝等变形状况来分析判断。

对已建桥梁结构基础沉降观测,有的采用激光系统和连通管水平测量装置。

在基础不均匀沉降引起的倾斜测量中,采用水准式、摆式倾斜仪,以及各种电测的测斜仪。

在法国,将侧向超声波测位仪安装在船上曳引,检测桥梁结构物的浸水部分,能获得水下结构的双向图像。

用来检查桥墩、板桩、基础冲刷、填石和石笼的范围与位移状况,以及绘制河床或海底图。

美国的马萨诸塞洲,采用贯入地面雷达检测桥台的外形及其稳定性,检测结果用图形显示。

Ø其他新技术

在世界上许多地方,对整座桥梁状况的监测技术已经发展到在大型结构物上安装系列大规模的监测系统。

例如,横跨特拉华连接宾夕法尼亚和新泽西的巴里桥上就已经安装并运行着这样的一个系统。

然而,尽管这种方法很有前途,但这种技术的全部潜在可能尚没有被完全发现或肯定,并且其重要的部分仍处于研究阶段。

这种系统的传感器网络传递出的大量数据信息,由计算机进行收集、储存、分析、检索等,然后提供检测信息。

事实已经证明,该系统所提供的信息是非常有用的。

例如,这些系统检测到了未曾预料到的受弯构件由于暴露在阳光下,所受光照辐射程度不同而产生的弯起,并且确定了弯起量的大小。

此外,对桥梁结构的承载能力的¡°非侵入式¡±检测也是桥梁工程界的迫切需求。

通常,一座桥梁如果不符合标准承载要求,说明该桥有某种结构上的缺陷。

美国联邦公路局为此将激光检测系统用于检测桥梁的承载能力。

这套系统由一个电脑控制的反射器将红外线的激光束（注:

该激光束不会对人眼产生危险）瞄准桥梁上的某点。

当激光检测到桥梁结构上的某个点,系统就会马上给出该点相对于当地坐标系统的三维坐标。

仅几分钟的时间内,系统可以测量桥结构上不同的点几百次。

它对目标没有特别的规定,在普通钢材、混凝土和木材表面上都可以很好的工作。

利用这个系统,可以迅速地测量出大型卡车作用在桥上使其产生的三维变形。

这个系统还可以用于迅速确定桥上每一部分对应先前（上次）检查的位移（变位）情况,结果可以精确到毫米。

该系统还能探测到沉降或预应力损失。

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。

§2-1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。

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。

§2-1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”。

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：

§2-1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏

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

§2-1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏

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，

§2-1环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏

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

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。

§2-1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。

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。

§2-2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。

§2-2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。

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。

§2-2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

§2-2混凝土结构的裂缝分析

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>JTGD62-2004（以下简称<桥规JTGD62>）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。

§2-2混凝土结构的裂缝分析

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