粘贴钢板在桥梁加固上的应用

石家庄铁道大学四方学院毕业设
粘贴钢板法在桥梁加固技术中的
研究与应用
Research and application of the method of
bonding steel plate
in the bridge reinforcement technology
2013 届土木工程系
专业土木工程
学号20095058
学生姓名牛世雄
指导教师曹会琴
刘晓庆
完成日期2013年5月30日
摘要
目前，我国公路桥梁以钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土梁式桥为主。

由于施工缺陷、汽车超载、维护不当等原因，其中相当一部分桥梁技术状况不良，存在不同程度的损伤，需要进行加固维修。

因此开展桥梁加固研究具有很重要的工程实用价值。

粘贴钢板加固法因不改变结构的外形、自重轻、所占空间小、施工方便等优点，工程应用较为广泛，是一种具有很好前景的加固方法。

本文对当前国内外常用的桥梁加固方法及各种方法的优缺点进行了简要评述，总结了粘贴钢板加固法的国内外研究应用及发展前景，分析了钢板中应力应变滞后的现象，在总结钢板加固钢筋混凝土梁的工作原理、受力特征、加固设计的基本原则和基本程序的基础上，提出了粘贴钢板加固法的一般步骤和计算方法。

最后，分析研究了影响粘钢加固效果的敏感参数(钢板厚度、钢筋锈蚀率等)与截面惯性矩、截面刚度、正截面极限抗弯承载力、正截面极限抗弯承载力提高幅度之间的关系。

分析计算表明：粘钢加固有效的增加了截面的惯性矩和截面刚度，一定程度上限制了裂缝的发展，原梁的正截面极限抗弯承载力及其提高幅度一定范围内随钢板用量的增加而增加。

关键词：钢筋混凝土 T 梁，粘贴钢板，抗弯极限承载力
Abstract
At present, reinforced concrete bridges and prestressed reinforced concrete bridges are the main structure in the arterial highway of our country. however, numerous bridges in service exist different degrees of damage and need to be reinforced and maintained urgently because of its construction defects, overload, inadequate maintenance, bad technical condition and so on. Therefore the research on the reinforcement of bridges in service has the important practical value in engineering. In the case of the reinforcement techniques used in RC structure, bonding of steel plates technique has huge potential for engineering widely just thanks to its light dead load, the small space it shares and the short construction period.
In this dissertation, the current main used reinforcement method of bridges are briefly reviewed ,as well as the advantages and disadvantages of various methods. Then the application and development prospects of the bonding of steel plates technique at home and abroad are summarized.
Finaly, in case of the specific cross-section of exiting bridge, the relations between the sensitive parameters(thickness of steel plate, corrosion rate of steel bar),which reflect the strengthening effect of bonding steel, and the moments of inertia of cross-section, rigidity, ultimate flexural bearing capacity of normal section, increase of ultimate flexural capacity of normal section margin are analyzed. It can be known from the analyzed results that the by aid of strengthen by externally bonded steel plates, the moment of inertia of cross-section and the rigidity werencreased effectively, and the development of cracks was limited to a certain extent, and the ultimate flexural bearing capacity of normal section of the original beam was improved significantly.
Key words：Reinforced concrete T-section beams, reinforcement by bonding steel plates, ultimate flexural capacity.
目录
第1章绪论 (1)
1.1 桥梁加固技术研究的意义 (1)
1.2 国内外桥梁加固研究现状 (2)
1.2.1 国外研究现状 (2)
1.2.2 国内研究现状 (3)
1.3 桥梁常见加固方法 (4)
1.4 其他加固方法 (8)
1.5 本文的主要研究内容 (9)
第2章粘贴钢板加固钢筋混凝土构件的工作原理 (11)
2.1 钢板加固RC梁的材料 (11)
2.1.1 混凝土 (11)
2.1.2 钢板 (11)
2.1.3 胶粘剂 (11)
2.2 钢板加固RC梁的加固方法 (12)
2.2.1 加固的基本原则 (13)
2.2.2 桥梁加固的基本程序 (14)
2.3 二次受力对粘钢加固钢筋混凝土梁正截面的影响 (15)
2.3.1 应力滞后的影响 (15)
2.3.2 钢筋“冷拉时效”的影响 (15)
2.4 钢板加固RC梁的受力特征 (16)
2.5 钢板加固RC梁的施工工艺及注意事项 (17)
2.5.1 施工工艺 (17)
2.5.2 构造措施及注意事项 (19)
2.6 粘钢加固的优点 (20)
第3章粘贴钢板加固构件的计算分析 (22)
3.1 抗弯承载力计算基本假定 (22)
3.2 破坏形态分析 (23)
3.2.1 确定破坏形态 (23)
3.2.2 确定界限破坏形态 (23)
3.3 工程实例及计算 (25)
3.3.1 加固钢筋计算资料 (25)
3.3.2 加固设计与计算 (26)
第4章结论与建议 (30)
4.1 结论 (30)
4.2 进一步研究的建议 (30)
参考文献 (32)
致谢 (34)
附录A (35)
附录B ............................................................................................... 错误！未定义书签。

第1章绪论
1.1 桥梁加固技术研究的意义
随着我国国民经济的快速发展，我国的公路建设也取得了很大发展，公路的通行能力和服务水平进一步得到改善和提高，尤其是“九五”以后，国家进一步加大了基础设施建设投资，公路面貌日新月异。

截至到2004年末，全国己新建高速公路超过34 000km，同时改建、扩建了大量低等级的国省道，形成以高速公路为骨架网、国省道为干线的公路交通新格局，大大改善了交通落后的状况。

但是，我国幅员辽阔，就整个公路网络而言，在国民经济整体中，公路交通基础设施“瓶颈”制约因素，并没有得到根本的缓解。

在现有的公路上，数以万计的旧桥，因设计荷载标准低、年久失修、缺乏养护，出现各种病害，逐步成为危桥，成了不断提升技术等级的公路上的卡脖子路段。

特别是进入20世纪90年代，交通运输量急剧增长，行车密度及车辆载重越来越大，集装箱运输、超载运输，以及外界各种因素作用和影响，加剧了桥梁结构产生病害、出现缺陷，严重危及到桥梁正常使用，影响当地经济发展和社会稳定。

为了保证大桥的安全运营，需要对旧、危桥梁进行维修、加固和改造。

我国20世纪六七十年代建设的桥梁，已经营运30～40多年，这些桥梁受到当时技术、经济的影响，存在技术标准低、桥面宽度窄，承载能力不足等普遍情况，而且施工要求低、技术容易掌握，因此受到普遍接受，当时建造的双曲拱桥占新建桥梁总数的80％以上，遍及全国各地。

据不完全统计，全国共建双曲拱桥4000余座，总长约35万余米。

由于双曲拱桥结构尚不够完善、设计尚未能达到规定要求以及施工质量不佳等原因，致使桥梁整体刚度差、变形大、开裂严重等各种问题。

20世纪八十年代中后期，国家颁布了新的公路工程技术标准和相应的设计规范，设计水平、施工技术有了较大提高，但大多数桥梁以汽车--15、汽车--20级作为主要设计标准，现因交通流量的剧增、重型车辆的出现而日显薄弱，许多桥梁出现桥面下挠、结构开裂，成为危桥。

公路桥梁长期暴露在自然环境中，受到大气腐蚀、温度和湿度影响，材料必然要发生老化、碳化、锈蚀，承载能力退化；同时，受到养护技术和维护水平的限制，许多刚出现裂纹或裂缝的桥梁，因没有及时发现和维护，致使裂缝不断增大、增多，结构状态不断恶化沦为危桥。

另外，设计不当、施工缺陷也造成了不少桥梁在建成不久后出现裂缝、梁体变形过大等突出问题，而且呈现出使用年份短的特点，不少桥梁在使用2～3年后即出现各种各样的问题。

地震、洪水、泥石流等自然灾害造成不少桥梁出现开裂，降低了桥梁原有设计承载力。

目前国内许多省市都在开展国、省道公路的技术改造，进一步提高公路等级，完
善道路布局。

为节省建设投资，需要利用原线路上的桥梁，其中有些桥梁技术性能良好，只是技术标准低，通行能力差，承载力不足，不能满足提高公路等级后的技术标准，需要通过加固、改造或拓宽等措施就可以提高桥梁承载力，延长使用寿命。

基于已经掌握的桥梁建设技术和昂贵的建设费用的考虑，以及各种新材料的诞生，对带有各种缺陷的旧、危桥全部拆除重建是不必要的，也是不现实的。

即使经济发达的西方国家，如美国、日本、德国，也是通过加固改造来恢复或提高原桥承载力。

工程实践表明，加固改造一座桥梁的费用仅为新建桥梁的几分之一，目前国内桥梁加固费用一般为新建桥梁费用的10～20％，双曲拱桥加固改造费用约为新建桥梁的20～40％，国外旧桥加固或改造的费用约为新建桥梁的10％左右。

不仅如此，有些桥梁可以在不中断交通的情况下实施加固改造，而且施工工期短，见效快。

目前，我国在公路建设中仍以工程建设为主，但在不久的将来，迎来以加固、改造、养护为主的高峰。

交通部<公路科学养护与规范化管理纲要》(1991～2000年)中提出：。

到本世纪末，基本消除国道省干道公路的危桥，并初步达到通行国际标准集装箱车辆的标准”。

从目前看来，要达到纲要上制定的这个宏伟目标，还有相当大的差距。

随着新建桥梁的不断增多，原有旧危桥梁的加固改造，摆在我们面前的任务十分艰巨，也十分迫切。

因此，开展旧危桥桥梁的加固改造研究，满足现代及未来交通运输的需要，是历史的必然[1-10]。

1.2 国内外桥梁加固研究现状
1.2.1 国外研究现状
桥梁从建成到使用直至最后弃用，需要经过自然环境、使用条件和其它恶劣状况(如地震)的考验，有些桥梁因此出现开裂、承载力降低等影响桥梁安全的不利因素；而社会、经济的发展和重型车辆的出现，又需要提高既有桥梁的技术标准。

因此，如何通过维修、加固和补强来恢复或提高桥梁承载力成为世界各国普遍关注的问题。

美国自1978年至1981年共用4年时间对全国公路作了调整。

截止1981年调查统计有公路桥梁约560 000座，调查报告中叙述了514 000座桥梁的现状，占全部公路桥梁的90％，其中有20％的桥梁必须关闭交通、降低使用标准或立即整修；20％的桥梁功能老化、桥面过窄或承载力偏低。

据最新资料表明，美国估计需要投入3190亿美元进行旧桥改造，数额十分巨大。

日本在七、八十年代，汽车运输急剧发展，汽车日益大型化、重型化，交通量逐年增加，给现有公路桥梁造成了越来越大的压力。

1956年以前按旧标准设计施工的
桥梁，其承载力更不足。

据统计这类桥梁约有5500座，其中普通混凝土约有4500座。

前联邦德于1978～1979年两年内，对一个州的1500多座钢筋混凝土和预应混凝土公路桥做了全面检查，发现桥龄在50～60年钢筋混凝土桥中，有27％的桥梁其上上部结构至少有一处严重损伤，64％至少有一处重要损伤，77％至少有一处中等损伤；20～30年钢筋混凝土桥中，有8％的桥梁其上上部结构至少有一处严重损伤，24％至少有一处重要损伤，46％至少有一处中等损伤。

而预应混凝土的损伤情况比钢筋混凝土桥更严重，20～30年预应混凝土桥中，有将近50％的桥梁其上上部结构至少有一处重要损伤，其中2／3至少有一处中等损伤。

其他国家亦同样面l|缶桥梁陈旧、老化、承载力低这一全球性问题，为此，于1980年在巴黎和布鲁塞尔先后召开了有关旧桥问题的国际专题讨论会议。

1981年，由联合国“经济合作和发展组织”(OECD)组织召开、西方24个发达国家参加的“关于道路桥梁维修管理国际会议”，1982年又召开了“国际桥梁与结构会议”，1983年召开的“第十七届国际道路会议”上，很多国家就现有桥梁的安全性评价、检查和维修加固等方面，提出了“桥梁检查”、“桥梁承载能力的鉴定”以及“桥梁养护”等多篇有价值的论文报告。

其中，在1981年OECD组织召开的国际会议上，提出了六个方面的问题要求加以研究：
⑴如何正确评价现有桥梁的实际承载能力和安全度的问题；
⑵如何及早地检查发现桥梁产生的破损及异常现象，正确鉴定结构物的损坏程度，从而采用合理地维修加固方法问题；
⑶桥梁损坏与维修加固的实际应用问题；
⑷桥梁维修加固技术，即采用维修加固新技术和方法的问题；
⑸桥梁设计与维修管理的关系，即如何把维修加固中发现的问题，放到今后桥梁设计上进行考虑的问题；
⑹桥梁维修加固的未来展望，即维修加固方法将来会怎样发展，如何提出更合理的维修管理方法和策略的问题。

上述这六个问题内容全面，是指导维修加固研究的指南，我国虽然没有明确提出需要研究的主要问题，但研究内容是相同的。

1.2.2 国内研究现状
目前，全国公路桥梁总座数已达28.4万座，计1065万延米，在国道、省道干线公路上共有危桥5397座，这些桥梁大部分建成于20世纪50～70年代，已经运营数十年，部分早期投入使用的桥梁，现有技术状况已不能满足行车安全的需要，更不能
适应现代化重交通量的需求，亟需进行维修与加固。

北京市现有各种规模桥梁1000余座，调查发现有100多座旧危桥。

北京如此，全国各省市也面临同样的问题。

20世纪70年代，四川、广东、福建、江苏、河南等省开始旧危桥加固改造方面的研究与实践，针对不同体系桥梁的各种病害，提出了承载能力分析方法和行之有效的加固措施，取得了显著的经济和社会效益。

“七五”期间，交通部将“旧桥检测、评价、加固技术的应用”列为1989～1990年科技进步“通达计划”项目，由交通部科技情报所具体组织推广。

2001年，交通部确定了“十五”期间基本消灭国省干线公路上危桥的工作目标。

为进一步提高我国旧危桥加固水平、交流技术，从1991年起不定期召开全国公路桥梁检测、评价与加固技术研讨会。

2004年在北京召开了国际桥梁结构评估研讨会，就桥梁结构评估理论与技术进行研讨，将我国桥梁加固改造与世界接轨。

2004年建设部颁布了‘城市桥梁检测和养护维修管理办法》，使城市桥梁的检测与养护维修走上有法可依的轨道。

交通部也组织编写了‘公路桥梁工程建设危旧桥测试改造拆除加固维修技术》，有利于提高全国桥梁加固和维护水平。

旧危桥评定是加固改造的前提，目前评定旧危桥的方法有外观调查评定法、采用分析计算为主的评定法、荷载试验评定法、专家系统评定法以及可靠度评定法。

前三种是目前常用的评定方法，但由于受到旧危桥评定的复杂性，常常会遇到分析问题不全面甚至错误的结论。

如拱桥加固计算中，常常会遇到按现有设计理论计算达不到规范容许值的情况，但实际使用中并未出现预想中的开裂情况，说明现有评定方法存在一定的差距，因此需要集多领域专家知识而成的评定系统来客观全面地分析病害原因，从而提出合适的加固措施。

目前国内外都致力于专家系统地研究，限于系统地复杂性，有关这方面地研究比较缓慢。

可靠度评定法是以结构可靠性设计理论，用与结构失效概率来衡量结构的可靠程度。

我国工民建己开始这方面的研究，但由于建筑结构诸多的复杂因素，目前该方法也仅在理论和概念上对可靠度评定方法的完善，离实用仍有相当大的距离。

1.3 桥梁常见加固方法
桥梁加固可以采用的形式是多样的：如加大截面加固法、体外预应力加固法、外部粘钢加固法和粘贴碳纤维加固法等都能达到同一目的，只是加固途径、加固效果不同[31]，。

如对裂缝的限制，体外预应力法是一种主动受力加固法，能将现有裂缝宽度缩小，并能将在运营状况}的裂缝宽度控制在规范以内：而外部粘钢或粘碳纤维加固是一种被动受力法，它能够约束裂缝扩展。

这些方法都能达到加固目的，只是各有优缺点，在具体实施中应考虑到被加固桥梁的特点。

在旧桥加固改造工程中，尽管每座旧桥梁的情况各不相同，具有各自不同的特点，但也存在一定的共性。

我们应遵循桥梁加固、改造工作的共性，既要借鉴《混凝土结构加固技术规范》(此规范为建筑行业规范，有的不适用于桥梁工程)[12]，又要结合具体桥梁的特殊性，在实践中发挥积极性和做出创造性，不断进取和探索，采用最先进技术和材料，在旧桥利用、加固、改造中，创造和总结出多种切实可行的方法，使旧桥继续发挥固有的使用功能，以保证公路交通畅通无阻。

桥梁加固常用的力一法有以下几种[13]：
⑴桥面补强层加固法
在梁顶上加铺一层钢筋混凝十层，一般先凿除旧桥面，使其与原有主梁形成整体，达到增大主梁有效高度和抗压截面强度，改善桥梁荷载横向分布能力，从而达到提高桥梁的承载能力的目的。

⑵外包混凝土加固法
外包混凝土加固法又称增大截面加固法，它是通过增大构件的截面和配筋，以提高构件的强度、刚度、稳定性并减少裂缝宽度。

对于梁桥、拱桥、刚架桥、墩台、基础等，在条件许可的情况下均可采用该方法加固。

⑶钢板粘贴加固法
由于交通量的增加，主梁承载力不足，或纵向主筋出现严重的锈蚀，或梁板桥的主梁出现严重横向裂缝，此时，可用粘结剂及锚栓将钢板粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位，使其与结构形成整体，以钢板代替增设的补强钢筋，提高桥梁的承载能力与耐久性。

本加固法的特点为：
①不需要破坏被加固的原结构的外形；
②施工工艺简单，施工质量易于控制；
③施工工期短，也较经济，是一种简便的加固力一法；
④不足之处是粘结剂的质量及耐久性是影响加固效果的主要因素。

⑷喷锚混凝土加固法
首先是用植筋法将锚筋植入待补强部位的结构内，挂设补强钢筋网，然后再喷射一定厚度的混凝土，形成与原结构共同受力的组合结构。

喷锚混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气将新混凝土混合料，通过喷嘴高速喷射到己锚固好钢筋的受喷面上，凝结硬化后形成一种钢筋混凝土。

混凝土在高速喷射时，水泥浆与集料的反复连续撞击使混凝土密实，因而不需振捣，喷锚混凝土与旧混凝土的粘结强度为0.7MPa～2.8MPa。

近年来，钢纤维混凝土的研究成功，为桥梁加固提供了更为有便和简捷的手段，它替代了传统的挂网喷射混
凝土。

掺入钢纤维后，除了混凝土的抗拉强度和主要由拉应力控制的抗弯、抗剪和抗扭等强度有明显的提高外，特别值得指出的是钢纤维混凝土的掺提高了混凝土的韧性，将脆性的混凝土材料变为具有吸收变形能力的材料[14]。

⑸改变结构受力体系的加固法
这种加固、改造方法是通过改变桥梁结构受力体系，达到提高桥梁的承载能力的目的。

它的基本原理是以减少控制截面的内力为目的进行加固。

不同的结构体系其受力性能是不尽相同的，通过改变既有结构的体系来改善其受力状况，有意识地改善原结构受力薄弱截面，以改善和提高桥梁承载能力。

对拱上建筑损坏严重而主拱圈质量尚好的拱桥，就可以采用改变结构体系的方法进行改造，以恢复或提高桥梁的承载能力。

⑹体外预应力加固法
体外预应力加固法主要用于梁式桥(包括简支梁、悬臂梁、连续体系梁桥等)正常使用极限状态超限的结构，通过对旧桥施加体外预应力，能够达到减少或消除裂缝，减小梁体h挠，改善结构各截面应力状态的目的。

⑺减轻拱上自重加固法
减轻拱上自重也是一种调整拱!恒载分布的手段，尽管它们的目的都是为了恢复和提高原桥的承载能力，但它们的出发点和适用场合却是不相同的。

调整拱上恒载分布是针对主拱圈变形过大，通过调整拱上恒载的办法来调整拱轴线与压力线：采用减轻拱!建筑的自重，则主要是针对某些双曲拱桥的基础承载能力较低，通过这一措施降低对基础承载力的要求。

减轻拱上自重的方法有以下几种：
⑻拱桥的拱圈和拱肋常用的几种加固方法
为了提高拱桥的承载能力，往往采用增加拱圈厚度和刚度，加大拱肋截面、增设新拱肋等方法，下面介绍不同情况下的不同加固方法。

①砖石拱桥的拱圈内壁出现表层剥落、松散、老化等情况且不适应目前交通时，可采用在肋圈内壁挂钢丝网，并喷射水泥砂浆的加固法。

②钢筋混凝土拱圈内壁浇筑加固法。

拱桥拱圈内壁损坏严重时可采用此法，具体做法与上述方法相似。

③原拱上增设钢筋混凝土拱圈加固法。

此法是拱桥中较常用的加固法之一，它不仅加固了拱圈，且将原有开裂拱联结在一起，也利于桥面排水。

④拱桥钢板箍与螺栓锚固法。

石拱桥可在拱圈的跨中和1／4处加设二道(或多道，视情况而定)钢板箍或钢拉杆，用螺栓在拱底及拱侧钻孔锚固，并注意将锚固点设在拱圈厚度的1／3处，此法可提高拱桥的整体强度，达到较好的加固效果。

⑤扩大双曲拱桥拱肋截面的加固法。

此法是通过采用钢筋和混凝土外包加大原拱肋，从而达到扩大拱肋截面尺寸，增加拱肋断面的含筋率或变无筋拱肋为有筋拱肋，提高拱肋的抗弯刚度的一种加固力一法。

⑥粘贴钢板或钢筋加固拱肋。

为提高双曲拱桥拱肋强度，可在拱肋表面清理整洁后，用环氧类砂浆粘结钢板或钢筋的方法来提高拱肋的抗弯刚度。

粘贴钢板法也是加大截面尺寸的一种方法，这种方法主要是在拱圈受拉区内粘贴钢板、钢筋或玻璃钢等，适合于混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥和双曲拱桥。

粘贴法能增强拱肋纵向刚度，提高抗弯能力．粘贴钢板的厚度一般为4～6mm，为保证粘贴效果和增强拱圈与钢板之间粘贴面的抗剪能力，最好沿粘贴面布置一定数量的夹紧螺栓。

为便于钢板加工成型紧贴拱圈，多采用分段粘贴，每段长度在2m左右。

许多双曲拱桥的加固均采用这种方法。

⑦增设拱肋加固法。

在较大跨径的拱桥下新建一座跨径较小，矢度较大的肋拱，使肋拱的上弦与老拱桥连接在一起，新老桥台连接在一起。

此法可用于大跨径、桥台水平位移大的有肋或无肋双曲拱桥的加固。

⑧增加横系梁加固法。

当横向联系较弱时，可采用加大原拱肋间横向系梁截面，或新增横向系梁，以加强拱肋抗扭刚度和横向整体性。

此法一般可与上述拱肋截面扩大加固法一起进行，能取得较好的加固效果。

⑼增大截面尺寸法
当拱圈或拱肋截面高度不足或尺寸过小，出现严重的径向裂缝、较大变形或承载力不足时，可以采取锚喷混凝土、现浇混凝土局部增大或全截面加大拱圈或拱肋。

这种方法主要在主拱圈拱腹或拱背沿桥跨方向增设一层钢筋混凝土，也可以根据需要在拱脚段或拱顶段增设一层钢筋混凝土。

在拱背上浇筑或锚喷一层混凝土或钢筋混凝土，施工并不复杂，主要取决于在原拱圈拱顶上部是否有足够的高度。

在拱腹下缘浇筑或锚喷一层混凝土或钢筋混凝土，旌工难度较大，为了使新老拱圈能共同作用，需要在拱腹打锚杆、阴阳榫等措施，采用挂网施工。

采用上述加固方法，应同时验算墩台能否满足加固要求，在多数情况下，必须增大墩台尺寸。

早期建造的双曲拱桥，设计荷载等级偏低，横向拱肋间用套管连接，整体性差，使用后一般损坏较大，需通过加大原拱肋截面并增强横向连接、修理拱上建筑，才能发挥桥梁的整体性和联合作用，以提高或恢复拱桥的承载能力。

加厚拱圈时需考虑的一个问题是，加厚拱圈会改变拱圈的拱轴线形和部分拱圈的强度与刚度，原有拱圈截面应力重新调整，可能导致其他控制截面应力超出。

因此，在加厚拱圈时，应设法减轻拱上建筑，以弥补加厚拱圈所增加的恒载。

对非岩石地基。