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1、2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,1,桥 梁 结 构 常 见 病 害及其FRP防护、加固、修复新技术,张 锡 祥重庆交通大学复合材料桥梁研究所代 彤林同棪国际（重庆）工程咨询有限公司,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,2,摘 要,系统介绍桥梁结构的常见病害及其纤维增强聚合物复合材料（FRP）防护、加固、修复新技术 研究指出FRP技术是未来桥梁结构病害处治的发展方向,1,2,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,3,主 要 内 容,桥道梁常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术 桥梁墩柱常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术
2、 桥梁索杆结构常见病害及其FRP防护、加固、修复新技术 结论,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,4,1.桥道梁常见结构病害及其 FRP防护、加固、修复新技术,1.1 混凝土(RC)梁式、板式桥 1.2 钢箱梁桥 1.3 钢桁架桥,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,5,1.1 混凝土（RC）梁式、板式桥,RC梁式、板式桥桥道梁、板常见结构病害 RC梁式、板式桥桥道梁、板FRP防护、加固修复新技术,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,6,RC梁式、板式桥桥道梁、板常见结构病害,a）非自然病害：设计、施工缺陷及超载、改变用途、不可抗力破
3、坏等作用 结构强度、刚度不足，裂缝宽度超限，延性降低 结构承载能力极限状态 及正常使用极限状态的安全条件不满足；b)自然病害：自然环境及老化影响 混凝土表面碳化、破碎、腐蚀剥落 结构耐久性、安全性降低 RC梁式、板式桥桥道梁、板FRP防护、加固、修复新技术 RC梁、板FRP防护、加固、修复构造 RC梁、板FRP防护、加固、修复技术性能 RC梁、板FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,7,RC梁、板FRP防护、加固、修复构造 RC-FRP复合梁、板结构构造,a)RC梁、板受拉区外缘粘贴（满面粘贴或条带间隔粘贴）FRP层合板抗弯及延性加固型R
4、C-FRP复合梁、板构造（图1 a）；b）RC梁、板受剪区侧面粘贴（满面粘贴或条带间隔粘贴）FRP层合板抗剪及延性加固型RC-FRP复合梁、板构造（图1 b）；c）RC梁、板截面周边包覆（横向连续包覆）FRP层合壳抗弯抗剪及延性、耐久性加固 型RC-FRP复合梁、板构造（图1 c）；,a）型RC-FRP梁,b）型RC-FRP梁,c）型RC-FRP梁,图1 FRP加固RC梁截面构造,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,8,RC梁、板FRP防护、加固、修复技术性能 RCFRP复合梁板技术性能,结构性能 a)以梁中钢筋（适筋梁）达到屈服极限作为比较标准；型RC-GFRP复合梁及型
5、RC-CFRP复合梁的极限承载能力可分别提高20及40左右，型RC-CFRP复合梁的极限承载能力可提高50以上（承载能力极限状态比较）；b)以梁的最大裂缝宽度作为比较标准，型RC-GFRP复合梁荷载达到桥规规定的时，裂缝宽度减小3040；以桥规规定的裂缝宽度来确定梁的承载能力，型RC-GFRP复合梁比RC梁的承载能力可提高1530左右（正常工作极限状态比较）；c)以梁的挠度控制作为比较标准，在RC梁破坏前，型RC-GFRP复合梁的挠度比RC梁的挠度减小不多，型RC-CFRP复合梁的挠度可减小1030，型RC-GFRP复合梁的挠度可减小2030，并且，型RC-GFRP复合梁破坏前RC比梁具有更大
6、的挠度，使RC梁的延性增加，但应注意，型RC-CFRP复合梁的延性比RC梁降低（正常工作极限状态比较）；,d)以梁的抗剪承载能力作为比较标准；型RC-GFRP复合梁及型RC-CFRP复合梁的极限承载力比RC梁可分别提高1030及2040；型RC-CFRP复合梁的极限承载力可提高3070；e)以梁的动态疲劳性能作为比较标准，型RC-GFRP梁随着疲劳次数的增加，加固增强的效果愈明显。疲劳循环50万次后，型RC-GFRP复合梁与RC梁相比，钢筋最大应变减小约15，跨中挠度减小约40，开裂高度减小约15，裂缝宽度减小约70，疲劳循环200次的寿命增大约2倍。防护性能 FRP材料自身耐腐蚀、耐老化，在
7、对RC梁、板进行修复和抗弯、抗剪、抗裂、抗振、抗疲劳加固的同时，能对RC梁、板表面进行封闭防护，阻止有害气体和雨水进入裂缝腐蚀钢筋，还能防止混凝土表面碳化，提高结构的耐久性。,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,10,1.2 钢箱梁桥,钢箱梁常见结构病害 a)自然病害：主要表现为钢箱锈蚀造成的壁厚减薄、强度、刚度、稳定性及耐久性下降；b)非自然病害：主要表现为设计施工缺陷及结构超载、改变用途，不可抗力等因素作用造成的结构强度、刚度、稳定性、耐久性缺陷 钢箱梁FRP防护、加固、修复新技术 钢箱梁FRP防护、加固、修复构造 钢箱梁FRP防护、加固、修复技术性能 钢箱梁FRP防护
8、、加固、修复施工技术（略）,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,11,钢箱梁FRP防护、加固、修复构造,集钢箱梁（S箱梁）防护、加固、修复为一体的有效方法，是沿钢箱梁的截面周边包覆FRP层合壳构成S-FRP复合箱梁（图2）,图2 S-FRP复合箱梁截面构造,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,12,钢箱梁FRP防护、加固、修复技术性能,a）S-FRP复合箱梁的强度、刚度由S箱梁的剩余强度、刚度及新增FRP箱壳的补充强度、刚度合成，决定复合箱梁的承载、跨越能力；b）FRP箱壳既是复合箱梁的承力结构之一，又是复合箱梁的围护结构，二者既能连接牢固、变形协调、共
9、同工作并提高箱梁的抗振、抗疲劳性能，还能一劳永逸地解决S箱梁的防锈问题并提高结构的耐久性；c）FRP箱壳壁厚较薄，自重较轻，对原S箱梁的结构自重及截面尺寸增加可忽略不计，但其阻止了S箱梁因锈蚀导致的壁厚继续减薄、强度、刚度下降的结构病害发生，实际提高了S箱梁的结构安全性；d）CFRP的强度是结构钢材的10倍，弹性模量与其相当，GFRP的强度是结构钢材的8倍，弹性模量为其1/3左右，二者的耐疲劳性能均优于钢材，故FRP箱壳对S箱梁既不会构成附加约束而增加约束内力，也不会先于S箱梁破坏而使结构防护、加固、修复失效。,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,13,1.3 钢桁架桥,钢
10、桁架桥常见结构病害 a)自然病害：主要表现为桁架固锈蚀造成的桁架杆件截面尺寸减小、结构强度、刚度、稳定性、耐久性下降；b)非自然病害：主要表现为设计、施工缺陷及结构超载、改变用途、不可抗力破坏等因素作用造成的桁架局部或整体结构强度、刚度、稳定性、耐久性缺陷 钢桁架桥FRP防护、加固、修复新技术 钢桁架FRP防护、加固、修复构造 钢桁架FRP防护、加固、修复技术性能 钢桁架FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,14,钢桁架桥FRP防护、加固、修复构造,a)桁架杆件防护、加固、修复技术构想（图3）b)桁架整体封闭防护、加固、修复构造（图4）,
11、图4 复合桁箱梁截面构造,图3 复合桁架杆件截面构造,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,15,1.3.2.2 钢桁架FRP防护、加固、修复技术性能,a)复合桁架杆件构造，基于单根桁架杆件的防护、加固和修复，以提高单根桁架杆件的刚度增大桁架结构的总刚度，修复后桁架的外轮廓形状不变、结构受力方式不变，仍是通过结点传力的杆件受力体系；b)复合桁箱梁构造，基于整体桁架的防护、加固和修复，以新增FRP外箱壳补充原桁架的强度、刚度、稳定性并兼作围护结构，修复后的桥梁外形、结构受力方式有较大改变，由通过结点传力的杆件受力体系变为以杆件为加劲肋的肋板复合箱梁结构；c)两种构造都能很好地封
12、闭桁架杆件，防止水、气介质腐蚀钢桁架，避免其截面尺寸锈蚀减小，强度、刚度消弱的结构隐患，还能省却钢桁架日常养护的除锈蚀刷漆繁重工作和大量费用；d)复合桁架杆件构造设计简单，施工复杂、费用较高，仍处于研究试验阶段，效果有待于实践检验；e)复合桁箱梁构造设计复杂、施工简单、费用较低，已用于桥梁防护、加固、修复工程、效果较好。,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,16,2.桥梁墩柱常见结构病害及其FRP防护、加固、修复新技术,2.1 桥梁墩柱常见结构病害 主要表现为振动时易发生剪切脆性破坏，混凝土易压碎、劈开和剪切裂缝较多。2.2 桥梁墩柱FRP防护、加固、修复新技术 RC墩柱F
13、RP防护、加固、修复构造 RC墩柱FRP防护、加固、修复技术性能 RC墩柱FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,17,2.2.2 RC墩柱FRP防护、加固、修复技术性能,结构性能 a)墩柱受压时，FRP层合壳约束阻止RC墩柱横向膨胀，可以提高混凝土的抗压强度，并改善混凝土的变形性能，从而提高墩柱的极限承载力（提高1080），并减缓墩柱的破坏过程；b)墩柱受剪时，FRP外壳可防止RC柱中纵向钢筋切断截面周围的剪切破坏，对混凝土的约束作用比箍筋对混凝土的约束作用更为直接和有效，同时使墩柱的延性显著改善（提高30以上），从而对减轻地震引发的桥梁
14、墩柱剪切脆性破坏具有明显的改善作用。防护性能 a)FRP外壳既是RC-FRP复合墩柱的外层承力结构，又是RC墩柱的外层围护结构；b)FRP外壳对RC墩柱构成密贴封闭防护，可防止RC墩柱混凝土表面碳化和腐蚀介质渗入裂缝锈蚀钢筋，提高结构的耐久性。,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,18,RC墩柱FRP防护、加固、修复构造,a)先对RC墩柱裂缝压注EP修复，再根据墩柱的受力特点采用环向包覆FRP层合壳或环向包覆FRP层合壳加纵向粘贴FRP层合板构成RC-FRP复合墩柱；b)对于环向包覆FRP层合壳的矩形截面RC墩柱的柱角要先倒圆角再缠包，以减小角点应力集中。,拱桥立柱CFRP
15、抗压、抗剪加固实例,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,19,3.桥梁索杆结构常见病害及其FRP防护、加固、修复新技术,3.1 桥梁索杆结构常见病害 主要表现为结构受力和环境腐蚀造成的索、杆表面防护失效，危及结构安全使用。3.2 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复新技术 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复构造 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复技术性能 桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复施工技术（略）,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,20,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复构造,a)新桥索杆的表面防护构造 在张紧的高强钢丝束或高强粗钢筋束的外围直接挤
16、拉成型与钢丝、钢筋束连成结构整体的FRP索杆外壳构成表面防护；b)旧桥索杆的防护、加固、修复构造 在桥梁使用状态下，现场缠绕成型与索杆已损伤的PE护壳连成整体的FRP外壳，对索杆进行防护、加固和修复。,吊桥吊索的GFRP防护外壳构造,GRP防护套管,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,21,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复技术性能,a)FRP吸振、消能、抗断裂、耐疲劳的性能优于高强钢筋、钢丝和PE，故比PE更能与索杆钢筋、钢丝共同工作、协调变形，即使在长期疲劳振动状态下，也不易开裂和疲劳失效，不会发生PE那种在高应力状态和动态疲劳下的界面剥离及表面龟裂现象，从而杜绝水、气
17、渗入索杆钢筋、钢丝的通道，一劳永逸地解决桥梁拉索、吊索、吊杆的防锈问题；b)FRP与高强钢丝束或高强粗钢筋复合而成的复合索杆，因钢丝束或粗钢筋与FRP外壳之间加有纵向FRP纤维，一方面增大了索杆的纵向强度和刚度，另一方面还增大了钢丝束或粗钢筋与FRP外壳之间的连接效果，故在复合索杆中起着 承力与防护的双重作用；c)对于受损的桥梁索杆，可在桥梁运营状态下对索杆外包纵横向增强的FRP外壳对索杆进行补强加固和修复。,桥梁索杆结构FRP防护、加固、修复工程示例,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,23,4.结论,4.1 FRP用于混凝土桥的防护、加固和修复，不仅可封闭裂缝和提高极限
18、承载能力，更重要的是使原桥的延性增大，开裂减弱，下挠征兆明显，动态疲劳性能提高，避免混凝土桥因超载、地震等因素造成的突发脆性破坏等灾难性事故；4.2 FRP用于钢桥的防护、加固和修复，不仅可防止结构尺寸因锈蚀减薄、强度、刚度下降的结构加固效果，提高钢桥的使用寿命，还可一劳永逸地解决钢结构的防锈问题，节约日常维修养护费用；4.3 FRP用于桥梁墩柱及索杆结构的防护、加固和修复，外加FRP壳与RC墩柱或桥梁索杆构成RC-FRP复合墩柱或S-FRP复合索杆，起着承力和防护的双重作用，还可极大地改善桥梁墩柱的延性，实现桥梁索杆营运状态下的不换索防护、加固和修复；4.4 FRP用于桥梁结构的防护、加固和
19、修复，不仅有着常规材料难以达到的技术经济优势，还使以前许多难以解决的桥梁防护、加固、修复难题（如结构尺寸、桥下净空不允许较大改变、施工场所受到限制、恶劣腐蚀介质环境的桥梁防护、加固和修复等）迎刃而解，因此可以预言，FRP技术将是未来桥梁结构防护、加固、修复的发展方向。,2023/6/29,第七届全国建筑物鉴定与加固学术会议,24,谢 谢,请提问和批评指正 请提问和批评指正 请提问和批评指正 请提问和批评指正 请提问和批评指正 请提问和批评指正 QING TI WEN HE PI PING ZHI ZHENG QING TI WEN HE PI PING ZHI ZHENG QING TI WEN HE PI PING ZHI ZHENG QING TI WEN HE PI PING ZHI ZHENG QING TI WEN HE PI PING ZHI ZHENG QING TI WEN HE PI PING ZHI ZHENG,
