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

橋梁結構自重和恒載大，一般均采用帶載加固，即在不卸除結構自重和恒載的情況下對結構進行加固補強，待后加補強材料與原結構粘結為整體后，開放交通允許車輛通行。構件自重和不拆除的恒載由原梁承擔,車輛荷載及后加恒載由加固后的組合截面承擔,橋梁加固設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理許宏元以“一個應引起廣泛重視的技術認識誤區”為題,客觀地分析了我國橋梁加固設計存在的問題,他指出：“《公路橋梁加固設計規范》 (JTG/T122-2008)己于2008年10月1日正式實施, ,這本規范特別指出橋梁加固設計應考慮分階段受力。----從筆者參與審查的幾個大型橋梁加固項目來看,加固設計者并沒有完全理解加固規范的基本原則。還是在沿用過去的設計理念,采用一階段受力加固,”[1]-43頁。

  1.1為什么要特別強調“橋梁加固設計應考慮分階段受力特點”.

  橋梁加固設計特別強調應考慮分階段受力特點的主要原因橋梁結構自重和恒載大，一般均采用帶載加固，分階段受力對結構承載力的影響大。北京公科固橋技術有限公司副總經理李承昌介紹了一座跨徑布置為20+25+20m鋼筋混凝土連續空心板橋自荷載效組合情況,“不考慮荷載組合系數時,邊跨跨中恒載產生的彎矩占總彎矩的64％,墩頂恆載墩恒載產生的彎矩占總彎矩的78％,中跨跨中恒載產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, 占總內力60％左右的恆載內力(又稱一期荷載效應)是由原梁鋼筋承擔的,后加補強后強材料與原梁鋼筋一起只承擔占總內力40％左右的活載內力(又稱二期荷載效應)。換句話說,在進行加固時,原梁鋼筋己承受了60％左右荷載內力,具有60％左右的初應變(或應力)。加固后在活載(即二期荷載)作用下,后加?強材料開始受力, 原梁鋼筋的應變(或應力)繼續增加, 兩者共同承擔兩40％左右的內力。在加固構件中原梁鋼筋和后加補強材料的應力增長的起點不同, 原梁鋼筋的應變(或應力)超前,后加補強材料應變(或應力)滯后,這必將對結構破壞狀態和承載力產生影響,其影響程度與一期荷載效應占總荷載效應 (或原鋼筋初應變占總應變) 的百分比有關,一期荷載效應(或初應變)占的比重越大,分階段受力對對結構破壞狀態和承載力產生影響越大。一般認為, 一期荷載效應(或初應變)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(或初應變)占的比重己達60％左右,隨著橋梁跨徑的加大,結構自重和恒載引起的內力所占的比重還會加大,分階段受力對結構破壞狀態和承載力的影響是絕不能忽略。

1.2 橋梁加固構件的設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,設計是不安全的。

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

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

     重慶交通大學周建庭教授以“橋梁結構評定和力學分析型研究現狀與展望”為題,對忽略分階受力影響的危害作了分析,“由于加固増強結構的二次受力特性,原結構在加固前應力水平很高,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,加固層應力和應變始終處于一個較低的水平,材料強度不能充分發揮;如加固層自重較大,消耗了橋梁原有己剩不多的承載力,則加固后的原結構可能處于一種以加固前更不利的狀態,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有限公司副總經理李承昌以“新技術、新材料濫用”為題談到“碳纖維布、不銹鋼絲網功能被夸大”的問題時指出：碳纖維、不銹鋼絲網雖然強度很高,但截面積很小,構件粘貼碳纖維布、不銹鋼絲網時, 貼碳纖維布、不銹鋼絲網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力法角度分析這一問題的。眾所周知,按彈性理論允許應力法計算橋梁加固構件分階段受力概念清晰,其基本原理是[4]：一期荷載（構件自重及恒載）由原梁承擔，截面應力（或應變）應根據按開裂截面計算的原梁換算截面幾何特征值，由材料力學公式計算；二期荷載（活載）由加固后的組合截面承擔，截面應力（或應變）應根據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，由材料力學公式計算。***后，將對應的應力直接疊加，并控制其小于規定的容許值。計算結果表明, 按彈性理論允許應力法計算橋梁加固構件,通常是原梁鋼筋應力控制設計,后加補強材的應力很小,一般情況下不控制設計。換句話說,后加高度補強材料(碳纖維布、不銹鋼絲網等)的高抗拉性能根本無法充分發揮,對提高承載力的作用是有限的.

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

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

橋梁加固構件后加補強材料應變滯后是影響加固構件工作性能、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變（應力）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應力，做成預應力加固體系,正截面抗彎加固要加預應力,斜截面抗剪加固更要加預應力?？款A應力的主動受力，從根本上解決后加補強材料的應變（應力）滯后，提高后加補強材料的利用效益，以***少的成本創造******的加固效果。由于預加力的作用改善了原梁的應力狀態，可以提高原梁的承載力和抗裂性能。

  1.4 研究開發橋梁加固設計與計算軟件是落實““橋梁加固設計應考慮分階段受力特點”設計原則的當務之急.

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

2  橋梁加固誤區之二---不分加固性質盲目亂貼碳纖維

前些年,粘貼高強纖維復合材料加固法在我國曾盛行一時,對粘貼高強纖維復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” ;有人把它吹捧為“醫治百病的一貼靈”，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，但是如何科學的評價高強纖維復合材料加固的效果是無法回避的問題。

2.1  粘貼高強纖維復合材料加固效果分析[3]

  (1)采用粘貼高強纖維復合材料對鋼筋混凝土受彎構件進行加固,可有限地提高梁的抗彎和抗剪承載力。但是，必須再次特別強調指出，從作用原理上講，采用在受拉區（或受剪薄弱區段）直接粘貼高強復合纖維加固的鋼筋混凝土梁屬被動加固范疇，極限狀態下后加補強纖維的應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揮作用.。

以目前大量采用的直接粘貼碳纖維布（強度標準值為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%（混凝土相對受壓區高度 ）的情況，加固設計以混凝土壓應變達到極限值控制,極限狀態下碳纖維的應力只有776.6Mpa，此值只相當于其抗拉強度標準值的23%。計算結果表明，采用直接粘結高強纖維復合材料的被動加固方案，由于受分階段受力的影響，后加補強材料應變（應力）滯后，后加補強材料的高抗拉性能是很難發揮作用，“大馬拉小車”是一種極大的浪費。特別是在倡導建設節約型社會的環境下，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合材料加固，對結構的剛度提高不大。因此，對于以控制結構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合材料可以制約裂縫的發展，間接的提高了結構的抗裂能力。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，對于以延長結構使用年限為主要目的耐久性加固，采用粘貼高強纖維復合材料加固還是有一定效果的。但是，應該指出:·因此，單純為了提高耐久性的目的采用價格昂貴的碳纖維做粘結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合纖維復合材料對軸向受壓構件進行加固，加固效果顯著，有著廣泛的應用前景[3]。

   纏繞粘貼高強復合纖維復合材料加固,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，可以較大幅度的提高結構的抗壓承載力,增強結構的延性, 可明顯的提高結構的抗震性能，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高強復合的應用研究

    高強復合纖維預應力加固法是采用錨固、粘貼在梁體外部（或箱內）的高強復合纖維布條（或板條）對梁體施加預加力。這種加固體系目前尚處于試驗研究階段，其關鍵技術是解決適應于橋梁加固現場施工的預應力纖維布條（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》，研制開發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,并用于預應力混凝土箱梁加固。湖南大學尚守平教授開展了碳纖維預應力加固試驗研究，并在湖南省瀏陽市金剛頭橋加固工中應用，取得了較好地加固效果。

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

3 橋梁加固誤區之三----發現裂縫就封堵

 中交路橋技術有限公司總工程師鮑衛剛在談到“注意各加固方法的使用環境和條件”時,指出“目前有一種值得進一步商榷的現象,即混凝土結構一旦出現一些裂縫,不論其是結構性裂縫還是非結構性裂縫,就想方設法地優先考慮采用粘貼纖維復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。

  “發現裂縫就封堵”，猶如庸醫看病“發現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雜的,如果不分清紅皂白的“發現體溫升高就吃退燒藥”,不但治不好病,還可能誤疹,嚴重時是會害死人的。裂縫是反映混凝土結構病害的晴雨表,引起裂縫原因是極其復雜的,如果不加分析研究，“發現裂縫就封堵”不僅達不到預期的效果，還可能潛藏著突發性事故的危險。筆者認為：處理裂縫首先要了解裂縫,只有對裂縫的性質和危害有較深地理解, 才能做“對癥下藥”, 有針對應地制定處理方案, 達到預期加固效果。

3.1混凝土結構裂縫類型和成因[4]

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

(1) 結構性裂縫