道路桥梁行业发展报告Word格式文档下载.docx

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就简支梁而言，梁高大约能降至原梁高的三分之二。

与传统的预应力混凝土结构相比，双预应力混凝土结构在施工时并不需非常特殊的技术和设备，只要具有以往的预应力设计、施工经验就可应用，施工相对来说也比较方便。

但是双预应力配筋结构在建造过程中依然需要专门预留孔洞进行预应力张拉等等，相对来说施工过程还是比较复杂的。

预弯预应力混凝土梁是一种新型预应力钢混组合结构。

它是首先制作好微弯的咼强

劲性钢梁，然后在梁上1/4跨径左右处加载使钢梁受弯，并在该应力状态下浇筑包裹钢梁

受拉部分的高标号混凝土，待其达到一定强度后卸载，钢梁回弹，混凝土受到预压应力，然后浇筑包裹钢梁受压部分的普通混凝土，形成全梁。

该结构中高强钢材和混凝土材料强度都得到了充分利用，因此具有很多独特的优点建筑高度极小，承载力高，结构安全可靠，抗裂、抗震、防腐蚀性能好，养护费用低，使用寿命长而且施工工艺简单，安装重量小，而且免除了在现场单独张拉预应力筋这一道工序，给施工带来了极大的方便。

预弯预应力混凝土梁的工程案例长沙市环线韶山路立交桥工程。

由于立交处地

形地貌复杂等诸多因素的制约，设计采用新建环线下穿现有韶山路，非机动车道置于中层。

韶山路立交中10号、11号桥是控制整体桥高的关键跨，必须采用超低高度梁，要求在0.9米以下，跨径分别为27.9米和26.9米，斜交角度分别为69.8度和76.3度，桥宽为17.4米。

该两座跨线桥整体设计采用密肋式布置，梁高0.86米，梁间距124.5cm，每跨

桥由14片主梁组成，高跨比分别为1/32.4和1/31.3。

经由相关程序对该桥进行受力分析，结果显示弯矩峰值偏离跨中，边梁最为显著，峰值在3/8跨径附近，全桥反对称，峰值比

正桥约小19%。

主梁中的劲性钢梁咼68cm，由16MN钢板焊制而成，上、下翼缘钢板厚30mm,腹板厚12mm,一期混凝土50号断面520m^220mm,二期混凝土为30号混凝土，下翼配置了$8环形箍筋和上下各6根纵向构造钢筋，除板中有与钢梁焊接的平行腹板的构造钢筋，加腋部及桥面板设置了纵横向钢筋以加强主梁整体性，抗剪装置采用

$28钢筋，平行于轴线焊在顶、底板上，间距为600mm。

施工时参照现行有关桥梁施工规程及市政工程验收标准，结合预弯预应力硷梁的施

工特点，采用工厂分段预制预弯钢梁随后运输到工地拼装的的施工方法。

预弯梁制作的

）245/2124.5/2

S1预畫梁断面设计用

该结构与同跨度同高度的钢桥相比，用钢量少得多，大约只有钢桥的1/4~1/3，与同

跨度的钢筋混凝土预应力梁相比多用近一倍钢材，也就是说预弯预应力混凝土梁上部构

造比钢梁便宜得多，比钢筋混凝土和预应力混凝土结构造价高。

但由于预弯预应力混凝土梁的梁咼极小，有效地降低总的建筑咼度，可以大大地减少立交的桥梁面积等工程数量，还可以减少征地拆迁，由于重量较轻可以减少下部构造的工程费。

本工程采用该结构与钢梁方案和预应力混凝土梁方案相比，直接节约工程费用多万元。

目前，我国经济高速发展，城市基础设施的建设规模巨大，如能在更多的立交中采用预弯梁结构以降低立交层高，则可直接节约大量投资，其相关社会经济效益更大。

二、光纤传感器在桥梁检测中的应用

智能结构是近年来土木工程领域研究的热点，随着光纤传感科学，材料科学，信号解析科学等科学的不断发展，以智能结构为主体的各类智能建筑物也逐步付诸实践。

法布里珀罗光纤传感器（FPI）以其高灵敏度、高精度、高分辨率、高稳定性等优点率先在智能结构领域得到了广泛的应用。

桥梁结构是土木工程中至关重要的一环，桥梁结构的安全稳定以及耐久性涉及到人民的生命财产安全以及当地经济的发展。

而桥梁安全性稳定性问题大体集中在如何有效提高桥梁承载能力以及如何有效延长桥梁结构的使用年限。

近年来，随着光电传感技术的不断发展，桥梁的实时监测、健康自诊断、智能修复等成为各国工程技术界竞相发展的重点，也成了有效监控和解决桥梁安全性与稳定性的有效手段。

智能桥梁应当具有集成控制与分析功能的传感装置，除了基本的承载功能外，其结构还应当如同生物系统一样，在外部环境作用下，能够做出智能的调整或诊断出自身的状态。

为实现桥梁的智能化，即需要为桥梁设计一个使用光纤智能传感技术的典型系统，因此，需要在结构本身嵌入一种与基体相适应的传感器。

目前可供选择的传感模式主要有3种：

单点式监测、定点列阵式监测以及全程分布式监测。

而其中定点监测只能够解决某个空间分量或局部响应的问题，如跨中应变的监测问题。

而分布式传感技术则提供了一种对待测参数进行全面监测的方法，如温度场、应力场问题。

传感是将一个待测物理量转换成一个可识别信息的过程，光纤传感系统的特征取决于外部荷载、传感器的设计、信号的解调以及对智能结构的系统集成等因素。

在桥梁工

程中，结构的应变量是最令人关注的重要参数之一。

由于荷载，温度以及其它因素所造

成的结构尺度的变化同结构不同的性能，健康状况以及安全度密切相关，因此光纤应变

传感器必须将结构的应变信息转换为某种光波物理参数的变化量。

在现存技术中，同时

工作原理示意

上图即为法布里珀罗光纤传感器（FPI）的工作原理示意图，由上图可知在光纤的两

个端面间，光线发生了多次反射，随着外置腔距离的变化反射光的总体干涉信号也随之

而发生变化。

2根光纤的末端在1根毛细玻璃管内对齐，而毛细玻璃管则被固定在待测应变的材料表面，当材料与固定在其表面的毛细管一冋产生应变后，两个反射面间的光相位将产生周期性的变化。

外置式光纤传感器有一个比较好的有点即是传感器在横向几乎没有耦合，因而能够有效地测定出应变的轴向分量，而且在光纤端面可以很容易地加上涂层，并使之产生反射信号，从而改变其反射系数。

光纤的传输路径也许会很长，但是反射信号对于环境的变化并不敏感，但不好的地方在于，环境变化却会使其它的传感系统产生噪声。

将这种传感器粘贴在热膨胀系数已知的材料表面，还能够进行温度测量。

在光纤信号解析方面目前主要有两种方式：

1,采用多台专用设备，可以对传感器网

络中的每一个传感器同时进行信号处理；

2,只用1台设备依次连接传感器网络中的每一

个传感器，并进行信号处理。

另外光学上的波分复用技术还能够降低对波长敏感光纤的耦合成本，而是否采用高级分析技术取决于应用上的需求。

FPI所得到的应变信号具有周

期性，在通常的应变范围内可能存在多个循环。

为了从这种高度非线性的信号中提取出应变的信息，可以采取不冋的解调技术，一种常用的方法是根据几种不冋波长的信息来确定出毛细管的真实位移，并确定出相应的真实应变值。

其工作流程为一束宽带光使传感器产生扰动，然后通过耦合器和光波解调器将具有不冋波长的光引入一个光探测器内，这样即能通过复合的干涉值惟一地确定出应变值。

一般来说，智能结构集成的原则应当是：

所加入的传感系统不会影响到结构的工作情况，外界环境不致严重削弱传感信号，解调信号必须能够随时获得而维持系统的费用必须小于采用检测方法所产生的费用。

而光纤传感器能满足以上原则的前两个方面，在应用于钢筋混凝土结构中的光纤传感器能够在结构产生巨大的破坏前后都能够良好地进行工作。

所采用的测试仪器必须满足以上集成原则的后两个方面，即在性能与成本间必须做出平衡，同时还需要考虑传感器的数量与布置方式测试方案以及信号分析的复杂程

度。

光纤传感器用于桥梁检测的案例一一美国中南密苏里州的44号州际高速公路桥在最

近的一次重大事故后进行了修复。

该桥梁为钢筋混凝土结构，隶属于密苏里交通部管辖，撞击严重地损坏了桥墩的中部以及与桥墩相连的盖梁，修复工作包括采用CFRP布加固受

损的桥墩与盖梁，并在裂缝处灌注环氧树脂。

然而人们非常关注修复经历较长时间后结构可能产生的劣化状况，采用传统的测试及检测方法需要耗费相当多的人力物力与时间。

因此，最终确定将光纤传感设备作为一种低成本高效率的手段来验证该桥梁的安全性及承载能力。

所设计的现场系统被用来监测修复后的盖梁与CFRP布的劣化情况，本次监测过程中

所采用的光纤监测设备目的在于：

首先监测盖梁上可能的裂缝开展情况，其次监测CFRP

布加固后可能产生的剥离状况，最后记录试验荷载作用下应变值的变化量。

所有的传感器都被安装在盖梁上，盖梁上有3条较大的裂缝，每条裂缝下都粘贴了一个光纤传感器，

这些裂缝的延伸将使应变值产生较大的变化。

冋时在盖梁下部粘贴了1层CFRP布，该处

将产生最大的弯曲应变。

传感器被直接贴在CFRP布的剥离处，并对该剥离处的扩展情况

进行监测。

最后，通过一次标准的荷载试验将全部的5个传感器所采集的应变值作为结

构的健康指数，这些基本参数的变化量将反映出桥梁承载能力的降低情况。

传感器的布置由表面处理，而且光纤线路引入接线盒由两部分组成，采用环氧树脂粘贴传感器并将光纤安装就位。

传感器与光纤上都用嵌缝材料覆盖以避免环境对它们所造成的损害，同时安装在混凝土表明的传感器被埋入小槽内以避免试验中所造成的损害。

盖梁上的接线盒被加以密封，以防止不必要的接触。

在采集基准值的试验测试中，所有的传感器都工作良好。

基于光纤传感技术的设备能够很好地满足土木工程的应用需要，光纤传感设备能够对传统传感器难以布置的位置进行布线和监测，并将监测信息沿光纤进行远距离传输。

在提供可靠的高精度的监测信息的同时，光纤不会扰动结构，并且能够适应极端的环境状况。

可以预见，在未来的大型工程结构监测领域、健康诊断领域、智能结构领域，光纤传感器将以不可比拟的优势独占鳌头。

三、碳纤维在桥梁加固中的应用

随着我国经济的迅速发展和经济的全球化，大力发展交通运输事业，建立四通八达的现代交通网络，这不仅有利于经济的进一步发展，冋时对促进文化交流、加强民族团

结、缩小地区差别、巩固国防等方面，也都有非常重要的意义。

我国自改革开发以来，路、桥建设得到了飞速的发展，对改善人民的生活环境，改善投资环境，促进经济的腾飞，起到了关键性的作用。

桥梁是我国现代化建设的重要基础设施，在经济建设中发挥了促进作用。

然而，随着大量桥梁服役年限的提高，在荷载和环境的共冋作用下，各种各样的病害相继产生，对桥梁的安全运营造成了隐患。

面对着各种各样的桥梁病害，桥梁的检测与加固显得尤为重要，传统的加固方法可能是贴钢板进行加固。

近年来由于各种新材料的出世，桥梁的加固材料与加固方式也变得越来越多样化，近几年涌现出来的新型加固方法有植筋法加固，贴碳纤维布（片）进行加固。

值得一提的是，贴碳纤维布

（片）加固桥梁由于其良好的耐久性在国内很多案例中得到了应用。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。

它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。

它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

仅仅依靠碳纤维布本身并不能充分发挥其优异的力学特性及耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维布粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。

因此，环氧树脂的性能十分关键。

不冋类型的环氧树脂因有不冋的性能，可满足各个部位的不冋要求。

例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度；

粘贴碳纤维布的环氧树脂易于透过碳纤维布，并产生很强的粘结力。

根据使用温度的不同，树脂还分为夏用和冬用树脂。

碳纤维布（片）在桥梁加固中的实际案例一一京秦高速K129+101处3〜16m普通混

凝土连续板桥维修加固。

该桥建于1999年，跨越丰登坞至丰润的地方道路，路面宽为7m,

路基宽为8.5m，被交路与咼速公路交角为100度。

根据竣工资料，该桥下净空大于4.5m,满足被交路设计要求，但被交路施工时抬咼了设计线。

现桥下净空不足4.5m。

2006年5

月初，部分超高车辆在高速桥下通过时，致使该桥两侧中跨边板底板跨中位置被刮蹭，两侧破损面积各约1平方米，部分主筋被剪断。

事故发生后，京秦高速公路管理处经勘

察讨论，最终决定对该桥进行粘贴碳纤维布维修加固设计。

碳纤维布维修加固设计要求

对刮蹭部位处理：

清

理、凿毛破损部位混凝土，内侧支立芯模，对被剪断钢筋采用帮条焊接。

对破损处混凝

土充分湿润后采用C40树脂混凝土浇筑，然后在破损维修处采用碳纤维加固养护期不小

于7天。

帮条焊接必须保证焊接质量和焊缝长度。

在修补空心板混凝土、铺装混凝土时务必振捣密实，保证混凝土的强度。

在对于该桥采用碳纤维布加固施工时，主要的施工工艺有：

（1）对被加固混凝土表面作打磨处理，除去风化层，露出新茬，清除灰尘，保持清洁。

（2）将表面处理树脂均匀地涂刷在待施工的界面上。

（3）待表面树脂不粘手时，用修平树脂找平基面，做到基面平整无凹陷处。

（4）待修平树脂基本固化后，即可将浸渍树脂均匀涂刷在上面，厚度约3〜5mm，不

得有过厚、过溥或遗漏处。

（5）将碳纤维布展开、拉紧，平铺在涂有浸渍树脂的基面上，再用专用工具反复滚压，

排出单向布与浸渍树脂间的空气，使单向布完全浸渍于树脂之中，要做到碳纤维布平直，

中间无空穴、气泡。

（6）第2层及以后单向布的铺设与（4）、（5）的操作及要求相冋。

（7）在铺设滚压最后一层单向布后，应做一次最后的压平、整理•并再涂浸渍树脂，

厚度约1~2mm。

（8）加固层完全固化约7天后即可根据设计要求涂刷防护及装饰外用面漆。

在本次加固设计中可总结处采用碳纤维布加固桥梁的一些优点：

（1）碳纤维布重量轻，施工时不用任何重型设备。

又因其自身很薄，也不会占用较大

的空间，尤其是在该工程加固空间紧张的情况下，更能显示这一优越性。

（2）采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维加固钢筋混凝土结构，能取得类似于钢板

的加固效果。

但其结构重量不增加，外表也轻巧美观。

（3）由于加固只使用碳纤维和配套树脂，不会出现生锈现象，并具有耐酸、碱、盐和

大气环境腐蚀等性能，而且碳纤维布有极好的化学抗性。

（4）在对该桥维修加固设计中使用碳纤维布加固空心板，不但缩短了施工周期，还解决了施工不中断交通的难题，取得了较大的经济效益和社会效益。

受到了有关单位的好评。

综上所述•粘贴碳纤维布新技术是加固钢筋混凝土结构行之有效的方法，值得推广应用。

四、BIM技术在桥梁设计与施工中的应用

建筑信息模型（BIM技术）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起

三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。

其具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。

此夕卜，BIM技术将建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等项目参与方在冋一平台上，共享同一建筑信息模型，有利于项目可视化、精细化建造。

BIM作为一种管理理念，产生于19世纪70年代，目前BIM在欧美等发达国家的建

筑业已得到较好的推广与应用，近年来在我国也得到一定的应用，特别是在建筑工程项目中取得了一定的成效。

一方面，为建设项目的设计与施工提供了有效的支持；

另一方面，为项目的各个参与方提供了一个有效的协同工作与交流平台。

从而减少了设计与施工返工、提高了工程质量，并节约了建造成本与工期等。

将BIM引入桥梁工程的设计与

施工过程，进行分析与优化，以确保设计与施工方案的可行性，提高桥梁工程项目的生产效率。

在桥梁工程设计中涉及大量的构件，为了满足结构安全的要求，桥梁工程设计一般比较复杂，特别是在构件的连接处往往更为复杂，因此在结构设计上容易出现一些冲突问题，如配筋冲突、连接件冲突等。

传统上，设计问题主要依靠设计者的经验在基于二维设计图纸进行检测。

然而由于工程设计相对复杂，仅依靠二维的图纸难以有效检测出这些问题，直至施工中才发现问题，从而致使施工返工、工期延迟等。

另外，即使检测出相关设计问题，由于基于二维图纸进行修改，也不能保证设计的统一性，且修改效率较低。

结构设计的复杂性也导致了施工的复杂性，如复杂的施工工序、复杂的资源配置

等。

并且通常情况下，这些都基于项目经理或总工的经验来实施，因此难以保证施工整体方案的可行性。

预制构件体积和重量较大，且数量多，构件的生产、运输和吊装等也存在潜在的问题。

一是这些构件如何在工厂中正确地生产并运输到施工现场。

现场管理人员需要反复验证设备构件的进场时间、顺序及路线，以达到最优的施工现场管理。

二是大型构件的吊装是桥梁工程中不可缺少的一道工序，如何正确安排大型构件的吊装工序，将直接影响到桥梁工程能否顺利完成并达到施工进度和质量的要求。

三是桥梁工程中会大量使用到施工机械，这些施工机械的需求有多少，强度是否满足施工要求，吊装重量是否合理等，都需要现场管理人员进行精确的计算和验证。

然而，在以经验为基础的生产、运输与施工规划中，无法有效预测和提前解决这些问题，故只能等待问题的出现。

由于桥梁项目的单一性、复杂环境的单一性，故对于任何一个工程师而言，都是一个全新的项目、全新的施工环境。

因此，面对一个新的、复杂的施工环境，即使经验丰富的工程师，也难于保证施工方案的可行性、有效性。

这也是施工问题时常出现的主要原因，从而导致施工工期拖延、成本增加、安全问题频发等。

桥梁工程设计包括初步设计、技术设计和施工设计。

欲使BIM技术与桥梁设计有效

地结合，三维建模是前提。

由于三维建模技术在桥梁工程设计中还没有得到较好的应用，故需采用BIM技术将传统的二维图纸转换为三维模型，然后基于三维模型进行设计分析

与优化。

BIM在设计上的应用主要集中在设计方案的建模与分析和其中存在问题的检测和反馈上。

项目人员一方面收集项目相关图纸之后进行建模，另一方面在模型建立的冋时由BIM系统进行检测分析，并将出现的问题反馈到BIM团队和相应的决策人员手中，决定是否需要修改图纸。

如果需要，则由项目的设计人员对图纸进行修改，并再次进行建模和检测分析，直到反馈信息显示已不再需要修改图纸为止。

通过这种方法，设计人员期望在施工开始之前解决所有的设计问题，确保设计的可建造性，减少返工。

桥梁工程施工优化的主要目的是针对桥梁工程设计的复杂性、预制构件多等特性，确保施工方案的可行性，并提高施工效率和管理水平。

施工过程优化将依据上述建立的BIM模型以及施工规划信息等，通过可视化的过程模拟，分析施工工序、进度计划、资源配置等可行性，进而不断改善施工方案。

基于BIM的桥梁工程施工优化流程。

需要说

明的是，施工过程分析通常由BIM技术和施工管理人员协作完成，确定是否需要对施工

方案进行修改。

BIM技术在桥梁设计施工中应用的实际案例一一刚果（布）国家一号公路二期工程中

的Loukouni大桥是一座典型的钢结构桥梁。

整个项目米用EPC的发包模式，总承建商为

中国建筑股份有限公司。

由于该桥梁以预制构件为主，为保证施工的顺利进行，在设计与施工过程中，采用了BIM技术进行辅助管理，包括设计建模与检测、施工过程模拟与

分析等。

本研究将基于该桥梁工程项目，对BIM在桥梁设计与施工过程中的适用性和有

效性进行分析。

需要说明的是，本项目涉及到的建模、模拟与分析均有专业BIM建模师

来完成。

BIM在本项目设计上的应用主要是设计碰撞检测，可分为两个步骤：

三维模型建立和设计碰撞检测。

首先，根据工程项目组提供的设计图纸，由BIM建模师进行三维建模

工作。

桥梁模型一方面用于设计优化，另一方面为施工模拟提供支持。

然后，基于建立的三维模型和项目的实际需要进行设计碰撞检测。

碰撞检测包括整体桥梁的检测和部分构件间的检测。

检测过程简单方便，即采用BIM相关软件可自动进行碰撞检查分析。

在

碰撞检查完成后，系统会自动显示有碰撞冲突的构件或者对象。

通过检测，本项目共发现设计问题3项（全部为细部构造问题），通过项目组和设计方的沟通，最终解决了相关问题，避免了设计问题滞留到施工阶段。

在本项目施工过程中，BIM主要用于施工进度计划模拟与分析。

基于上述建立的BIM

模型和项目进度计划信息，对施工过程进行了详细模拟。

在这个过程中，由项目经理、项目工程师和BIM建模师共同发现问题、解决问题。

首先进行了初步模拟，即根据初步的施工规划和初步建立的BIM模型进行施工过程模拟。

在这个过程中，主要关注了施工

工序、施工进度与设计进度是否一致等问题。

然后，基于项目人员的建议进行了多次模拟，并获得了认可的施工工序。

其次，在施工进度计划细化以后，基于更新的BIM模型

进行了多次模拟，并获得了最终的构件安装方案。

BIM可以为桥梁工程设计和施工提供有效支持。

本研究期望可以为提高大型、复杂桥梁工程设计与施工的效率和效益提供参考，同时为BIM在土木工程领域的推广应用提