南充白塔嘉陵江大桥病害类型及其加固技术研究.docx
《南充白塔嘉陵江大桥病害类型及其加固技术研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《南充白塔嘉陵江大桥病害类型及其加固技术研究.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
南充白塔嘉陵江大桥病害类型及其加固技术研究
南充白塔嘉陵江大桥病害类型及其加固技术研究
摘要
随着我国国民经济的发展，公路交通运量急剧上升，加之设计、施工及老龄化等原因，使得运营中的桥梁病害不断出现，严重的已经影响到桥梁的正常使用，急需进行维修加固。
本文针对这种情况，结合南充嘉陵江特大桥的维修加固工程，作了如下研究工作，可为今后的类似工作提供参考。
（1）为了全面、细致、深入了解南充嘉陵江大桥目前的技术现状，以便能对该桥工程现状、承载能力作出正确的评价，对该桥首先进行了全面的检测和荷载试验。
（2）在检测和试验的基础上，根据检测资料，建立有限元模型，对该桥承载能力进行评估，并对病害原因进行分析。
（3）根据检测、评估结果和使用要求，结合工地实际情况，阐述了南充桥的维修加固方案和施工工艺，并介绍了应用于该桥的新材料、新工艺。
（4）为了了解加固效果，对加固前、加固后的荷载试验结果进行对比分析，通过试验验证了加固方案的可行性和创新性。
在上述工作的基础上，论文最后得出了有参考价值的结论。
并认为:
详细的全桥检测和荷载试验，有助于正确评估既有桥梁的承载能力和使用寿命;有限元内力分析的结果可为确定合理的加固方案提供依据。
微膨胀自密实混凝土和植筋技术可较好地应用于桥梁结构的维修加固工程中。
本桥的工程实践可为同类的大跨度桥梁加固提供参考和借鉴。
关键词：
拱桥;检测;评估;加固;施工工艺
abstract
Withthedevelopmentofournationaleconomy,highwaytrafficvolumeincreasedsharply,coupledwiththedesign,constructionandagingandotherreasons,thebridgesinoperationcontinuously,alreadyseriouslyaffectedthenormaluseofthebridge,theurgentneedformaintenanceandreinforcement.Inviewofthissituation,combinedwiththemaintenanceandreinforcementprojectofNanchongJialingRiverBridge,thefollowingresearchworkhasbeendone,whichcanprovidereferenceforsimilarworkinthefuture.
（1）inordertomakecomprehensiveandin-depthtechnicalstatusquoofNanchongJialingRiverBridgeatpresent,inordertomakeacorrectassessmentofthesituation,theabilityofbearingbridgeengineering,thebridgewasthefirstfulldetectionandloadtest.
（2）onthebasisofdetectionandtest,thefiniteelementmodelisestablishedaccordingtothetestdata,andthebearingcapacityofthebridgeisevaluated.
（3）accordingtotheresultsofinspection,evaluationanduse,combinedwiththeactualsituationofthesite,thispaperexpoundsthemaintenanceandreinforcementschemeandconstructiontechnologyofNanchongbridge.
（4）inordertounderstandtheeffectofreinforcement,theresultsofloadtestbeforeandafterreinforcementarecomparedandanalyzed.Onthebasisoftheabovework,thepaperdrawssomeconclusions.Theresultsshowthatthefullbridgetestandloadtestcanhelptoevaluatethebearingcapacityandservicelifeoftheexistingbridge.Theresultsofthefiniteelementanalysiscanprovidethebasisforthereasonablereinforcementscheme.Microexpansionselfcompactingconcreteandsteelbarplantingtechnologycanbeappliedtothemaintenanceandreinforcementofbridgestructures.Theengineeringpracticeofthebridgecanprovidereferenceandreferenceforthesamekindoflongspanbridgereinforcement.
Keywords:
archbridge;detection;evaluation;reinforcement;constructiontechnology
目录
第一章绪论4
1.1国内外拱桥的背景及发展状况4
1.2箱形板拱桥的发展现状4
1.3常见的桥梁病害类型及解决处理好的作用意义4
1.4桥梁加固技术概述5
第二章箱形板拱桥的结构特点6
2.1箱形板拱桥的组成与特点6
2.2箱形板拱桥的优势7
第三章箱形板拱桥的结构行为分析8
3.1拱在荷载作用下受力分析8
3.2拱桥荷载的横向分布10
3.3拱上建筑联合作用对拱弯矩的影响11
3.4拱脚开裂引起的拱内力重分布12
第四章白塔嘉陵江大桥病害类型调查和病害等级评价12
4.1既有箱形板拱桥常见病害及其成因12
4.2桥面系外观普查病害14
4.3上部结构外观普查病害14
4.4下部结构外观普查病害15
4.5病害检测主要结论15
第五章制定针对白塔嘉陵江大桥的加固方案18
5.1桥梁加固的基本原则18
5.270m跨主拱圈加固整治18
5.340m跨主拱圈加固整治20
结论21
参考文献22
第一章绪论
1.1国内外拱桥的背景及发展状况
国外修建大跨径的钢筋混凝土肋拱桥的历史可以追溯至20世纪初，其中比较具有代表性的有1911年修建的Rome桥，该桥位于意大利，跨径100米，为实腹式无铰拱，主拱圈为镰刀形渐变截面箱形结构；1964年修建的Arrabida桥，该桥位于葡萄牙，主跨270m，为双肋上承式钢筋混凝土拱桥，每条拱肋横断面为单箱三室型截面。
我国钢筋混凝土肋拱桥的大发展时期是在20世纪90年代，其中比较具有代表性的有1989年建成的钟溪桥，该桥位于四川忠县（今重庆市），桥梁建成时是当时四川省第一座跨径100m的钢筋混凝土箱型肋拱桥，当时该桥还有一个箱型板拱桥的设计方案，经过对比发现，使用肋拱桥设计方案致使拱圈重量减少了48％，拱圈水平推力减少了40％，更小的拱圈重量和水平推力意味着更少的桥梁下部结构圬工数量，从而使总造价得以降低；
1.2箱形板拱桥的发展现状
箱型拱桥作为新桥型在上世纪八十年代发展迅速，我国修建了众多的箱型拱桥。
但由于当时科学技术的限制，该类拱桥在设计上和施工上可能存在着某些不足，而该时期我国社会经济正处于蓬勃发展中，交通运输水平迅速提高，这些箱型拱桥在重交通的后期运营下，大多都出现了不同程度的病害，甚至危及到整个箱型拱桥的安全，而引发事故。
箱型拱桥一般跨径为50m以上，属于大型桥梁，是公路上十分重要的咽喉，全部拆除重建是不可能也不现实的。
因此，对箱型拱桥进行病害以及加固技术的研究是有较大的现实意义的，不仅能避免箱型拱桥运营中病害的发生，也能保障在使用年限内正常运营，更能为箱型拱桥提出合理的维修加固法方案，以增加加固方法的实用性和经济性。
1.3常见的桥梁病害类型及解决处理好的作用意义
日益老化的桥梁由于承载力的不足，已经不能满足现代交通运输的需求，如何解决这一问题，世界各地都普遍的关注。
对于这个问题，目前主要有两种解决方案：
其一为将原有桥梁直接在原地拆除并重建，或者是将原有桥梁的主要受力构件（主梁）等拆除，并代以承载力较高的新梁。
另外一种方案是不需要拆除旧桥，而是在原有桥梁的基础上面采用各种加固措施，使得原有桥梁的承载能力得到回复甚至有所增加。
这两种方案具有各自的特点，对于将旧桥拆除重建的方案，虽然可以在根本上解决问题，不过因为全社会的现存旧桥数量众多，同时使用范围较广，如果全部加以拆除，需要大量的投资。
相比之下，对于旧桥的加固就可以节约大量的投资，相关资料显示新建一座桥梁需要的投资会大大超过旧桥加固，更具体地说，对于梁桥而言，新建桥梁所需投资大约为加固旧桥投资的五至十倍，对于拱桥而言，新建桥梁所需投资大约为加固旧桥投资的三倍，由此可见，对旧桥进行加固所节约的成本是十分可观的。
为了满足现代交通运输的要求，对旧桥进行加固和拓宽，从而恢复原有桥梁的承载能力和通行能力，延长桥梁的运营年限，这个方案是完全可行的。
因此，如何采用适当的加固设计方法和施工技术，提高原有桥梁的承载能力，改善原有桥梁的行车体验，使其继续为全社会服务，就成为了交通工程中的一个重要课题。
从20世纪80年代开始，我国就开始关注旧桥加固技术，并为此做了大量的研究和试验。
交通部发起了多项有关旧桥承载力评定加固的科研课题，并多次承办以桥梁维修加固和改造养护技术为主题的学术会议。
全国各省、市、自治区交通部门为了促进交通事业的进步，积极推动桥梁维修、养护、加固、改造技术的发展，在实践中获得了大量有价值的经验，并取得了十分显著的社会效益和经济效益。
在西方的一些发达国家，公路、桥梁的维修加固和改造养护技术已经成为大专院校土木工程专业的重点课题，并培养了一大批这方面的专业人才。
可以预见，随着社会的进步和发展，我国的交通系统会越发完善，桥梁建设事业的发展趋向稳定，越来越多的已建桥梁需要养护和加固，既有桥梁健全性评估以及旧桥加固改造必将成为交通行业发展的重心。
1.4桥梁加固技术概述
目前，国内根据桥梁病害诊断分析和鉴定评估结果，一般可将桥梁加固分为:
承载力加固（强度加固）、使用功能加固、耐久性加固和抗震加固等四种情况。
承载力加固是确保结构安全工作的基础，是桥梁加固设计的核心内容，其内容包括正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力两部分。
承载力加固通常是采用加大截面尺寸和配筋的方法，补充承载力的不足;使用功能加固主要是确保桥梁工作的需要，对活载变形或振动过大的构件加大截面尺寸，增加截面刚度，以满足结构使用功能的要求;耐久性加固是指对结构损伤部位进行修复和补强，以阻止结构性能继续恶化，消除损伤隐患，提高结构的耐久性，延长结构使用寿命;抗震加固是指对遭受地震破坏的结构或结构节点进行加固补强，提高结构的抗震能力。
桥梁加固补强的方法很多，基本上可以划分为两大类[3]:
（1）改变结构体系，调整结构内力、减轻原梁负担。
常用的方法有加斜撑减少梁的跨度、简支梁改为连续结构、增加纵梁数目、调换梁位、调整横向分布系数，减轻原梁负担等;
（2）加大截面尺寸和配筋，加固薄弱构件。
另外，就加固薄弱构件而言，其加固补强的方法很多，从作用原理可分为两大类:
①在受拉区直接增设抗拉补强材料，例如:
补焊钢筋，粘贴钢板，粘贴高强复合纤维（碳纤维、芳纶纤维）等。
这种加固方法从作用原理上属于被动加固的范畴，设计时必须考虑桥梁带载加固，分阶段受力特点。
②采用预加力原理进行加固补强，例如:
体外预应力加固，韩国M&S公司的SRAP工艺有粘结预应力加固等。
从作用原理上讲，预应力加固属于主动加固的范畴。
由于预加力的作用，改善了原梁的应力状态，提高了原梁的承载能力和抗裂性能。
采用预加力加固从根本上解决了后加补强材料的应力滞后问题，可以充分发挥加固补强材料的力学性能，提高了材料的利用效率。
第二章箱形板拱桥的结构特点
2.1箱形板拱桥的组成与特点
箱形拱桥为拱肋采用箱型截面，可以用钢筋混凝土或钢建造的一种形式的拱桥。
箱形拱的主要特点是：
（1）截面挖空率大，挖空率可达全截面的50％～60％，与板拱相比，可节省大量圬工体积，减轻重量；
（2）箱形截面的中性轴大致居中，对于抵抗正负弯矩具有几乎相等的能力，能较好地适应主拱圈各截面正负弯矩变化的需要；
（3）由于是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀；
（4）单条箱肋刚度较大，稳定性较好，能单箱肋成拱，便于无支架吊装；
（5）制作要求较高，吊装设备较多，主要用于大跨径拱桥。
箱形拱的构造与施工有密切的联系。
修建箱形拱，可以采用预制拱箱无支架吊装或有支架现场浇注等施工方法。
采用无支架吊装时，但为了减轻吊装重量或方便操作，拱箱往往不是一次预制成型，而是采用装配——整体式结构形式，分阶段施工，最后组拼成一个整体。
2.2箱形板拱桥的优势
为了增加肋拱桥拱肋之间的横向整体稳定性，并将桥梁上部结构的荷载比较均匀地传给每个拱肋，必须在拱肋之间设置横系梁，上述这些目的决定了横系梁必须要与拱肋固接，并且其强度和刚度须能满足要求。
横系梁材料一般是钢筋混凝土，其横截面类型一般有工字形、箱形和桁片式，如图2.5所示。
工字形断面横系梁的自重较小，但其在拱轴切平面内不能提供足够的刚度。
桁片式横系梁安装较为方便，但其制作过程较为复杂，而且也不能提供足够的刚度。
相比之下，箱形断面横系梁在拱轴切平面、法平面内均可以提供足够的刚度，十分有利于提高拱肋的横向稳定性。
拱肋间横系梁的横截面尺寸需要根据受力以及构造需求确定。
一般来讲，横系梁的高度与拱肋高度相差不大，短边尺寸至少应为其长度的1／5。
横系梁配筋需满足构造要求。
可以使用预埋钢板焊接来连接横系梁与拱肋，不过为了使连接效果更加理想，最好使用湿接头连接，即首先在拱肋侧面与横系梁端部留出一部分钢筋，将横系梁安装之固定位置后焊接预留钢筋，之后再使用混凝土现浇接缝（通常设置30cm的接缝）。
图2.1箱肋拱横系梁
a）m字形：
b）箱形；c）桁片
因为其成本低、美观、施工便捷，且具备较强的跨越能力，使其在国内西南地区应用广泛。
下面对该桥型的优势进行如下分析：
一是拱圈能够具备更多的承载力对活载进行克服，对钢混材料的作用仅有效发挥，成本低。
二是桥梁有较小的自重，和拱脚反力，其能够对桥梁基础圬工数量给以减少。
三是便于施工，其能够通过预制块吊装、支架现浇等多种方式实现。
四是拱式结构所具备的特征能够让桥梁对混凝土给以充分应用，并对钢材使用量仅减少，进而降低工程造价。
五是钢筋混凝土应用范围很大，有成熟理论，其能够使桥梁后期维护更加便利。
第三章箱形板拱桥的结构行为分析
3.1拱在荷载作用下受力分析
（1）自重荷载
如图3.1所示为肋拱桥在自重作用下三个拱肋的弯矩包络图：
图3.1自重荷载作用下的拱肋弯矩图
通过分析上图可以总结得到以下规律，在自重荷载作用下，拱脚部分是承担负弯矩，上部受拉，但是拱顶部分承担正弯矩，下部受拉。
同时还需要注意到，因为拱上建筑的存在，再拱上实腹段垫墙尾部、拱上立柱作用出存在比较大的弯矩，导致弯矩图出现了较大的突破。
（2）活荷载
如图3.2所示为肋拱桥在活载作用下三个拱肋的弯矩包络图。
图3.2活载作用下的拱肋弯矩包络图
如上图所示，在活载的作用下，拱脚处的负弯矩极值大于正弯矩极值，但拱顶部分的正弯矩极值大于负弯矩极值。
在拱上垫墙与拱上立柱交界处还是具有较大的弯矩存在。
在对比三个拱肋可以看出，两个边肋与中肋在活荷载作用下受到的最大荷载是不同额，表明了雷公桥的荷载横向分布并不是简单的三个拱肋平均分布荷载，而是存在不均衡性。
为此在实际设计中，有必要专门讨论肋拱桥的横向分布规律。
（3）温度荷载
钢筋混凝土肋拱桥的主拱圈一般都是无铰拱，作为超静定结构，拱圈会在文化变化的情况产生内力，不过这种内力的大小是不能忽视的。
假如处理不当，其可能会导致主拱圈的开裂。
图3.3为肋拱桥在温度升高15摄氏度的情况下三个拱肋的弯矩包络图。
图3.3升温作用下的拱肋弯矩图
通过分析上图可以总结出以下规律，在升温荷载作用下，拱脚部分承受正弯矩，下部受拉，拱顶部分承受负弯矩，上部受拉，同时拱脚弯矩极值明显大于拱顶弯矩极值。
图3.4为肋拱桥在温度降低15摄氏度情况三个拱肋的弯矩包络图。
图3.4温度作用下的拱肋弯矩图
通过分析上图可以总结出以下规律，在降温荷载作用下，拱脚部分承受负弯矩，上部受拉，拱顶部分承受正弯矩，下部受拉，而且拱脚弯矩极值明显大于拱顶弯矩极值。
由此可见，在温度荷载作用下，拱脚部分所受影响最大，所以在考虑温度效应的时候，应该对于拱脚部分特别注意。
3.2拱桥荷载的横向分布
一般横向分布系数计算方法都是通过梁系结构为基础，这个梁系统结构通过全桥的所有主梁构成。
在桥梁的宽跨比不是太大的时候，这种计算方法精确度可以满足工程要求，不过如果桥梁的宽桥的时候，这个方面就不十分有效了。
这个时候不能在将全桥作为一个梁系统结构，而是应该将其简化为一个平板模型，之后可用弹性薄板理论分析模型，这就是比拟正交异性板法。
这一理论比较成熟，同时有现成的图表可以查用，所以可以比较方便的开展计算，并计算获得比较精确的结果。
使用正交异性板法计算荷载横向分布系数的时候，所以利用假定与修正偏心受压法相同，可以先不考虑拱肋的纵向推力，在求得荷载横向分布系数之后在确定纵向推力，进而得到拱肋的内力与位移。
可以使用推广比拟板理论九三荷载横向分布系数，通过拱肋轴向压缩的能量与总能量中很低，比重只有0.01-0.04，为此可以忽略拱肋的轴向压缩变形。
在空间推理体系中，某点i的竖向挠度可以近似的利用下式表示：
F（x）为以平面杆件体系为模型得到活载竖向位移曲线；K（y）用来描述挠度横向分布的函数。
因为拱上建筑具有一定的刚度和抗扭能力，所以其不仅可以分担主拱的弯矩，还可以约束主拱的变形。
如果在计算横向分布系数时仅仅考虑拱肋而不考虑拱上建筑显然是不够精确的。
其实可以把肋拱桥看作一个变截面的纵梁，由于主拱肋、拱上立柱、纵梁相互作用，使整个肋拱桥形成了一个框架体系。
正交异性板法就是从这个角度出发考虑肋拱桥的空间性能，从而得出更为精确的结果。
因此，对于宽跨比较大的宽拱桥，正交异性板法更为适用。
3.3拱上建筑联合作用对拱弯矩的影响
可以利用有限元法来计算分析拱上建筑对主拱圈的约束作用，可以通过单元分别模拟拱肋、拱上立柱、桥面板等拱桥结构。
在进行旧桥验算的时候，需要依据桥梁构件的病害进行修正。
在这一模型基础上开展计算，得出主拱圈关键截面影响线，进而得到其内力与挠度。
利用有限元法虽然可以求出拱上建筑对主拱圈的约束作用，不过计算过程比较复杂，一般采用弯矩折减系数法。
在计算主拱关键截面的时候，还依据裸拱计算，之后将裸拱的弯矩乘以弯矩折减系数，就得到实际情况下的主拱弯矩，进一步得出其他内力值与挠度数值。
另外，使用弯矩折减系数法的时候，主拱的轴力并不需要裸拱轴力乘以弯矩折减系数，而是直接使用裸拱计算得到轴力数值。
这里利用的带腹拱的拱桥作为案例，如图3.5所示，注意带有拱上建筑的腹拱设在L/3出，这样的拱上建筑对于主拱圈的约束作用较小，是安全的。
图3.5活载内力计算图式
通过弯矩折减系数的计算模式，腹拱的形式可以影响到弯矩折减系数的大小，腹拱的矢跨比与小，其抗推能力越强，拱上建筑联合作用就越明显，数值越小。
除此以外，拱上立柱刚度的大小额可以影响弯矩折减系数，立柱相对于主拱圈的刚度越大，拱上建筑联合作用就越明显，
数值越小。
3.4拱脚开裂引起的拱内力重分布
肋拱桥在活荷载作用下，如果拱脚受压偏心距超出截面核心范围之后，就会开始产生转角并出现裂缝，转角大小与裂缝多少以及拱脚与支座之间的压力大小都是取决于偏心距的大小。
在平铰拱所承受荷载较小的时候，拱脚转角也较小，拱脚截面无拉应力，也不会出现裂缝，这时拱脚弯矩与无铰拱是一致的。
在拱脚转角伴随着荷载的增加而增加之后，随着裂缝的出现与受压区域减小，平铰拱的拱脚弯矩开始小于无铰拱。
拱脚转角可以引起平铰拱内力的重新分布，在拱脚发展转角之后弯矩的减小至就相当于无铰拱拱脚发生同样的专家时所增加的正弯矩数值。
平铰拱叫转角产生的拱顶弯矩是负的，所以平铰拱的拱顶弯矩是小于无铰拱的。
平铰拱内力部分情况就相当于无铰拱在相同荷载作用下的内力与无铰拱仅仅出现拱脚转动内力之和，如图3.6所示：
图3.6平铰拱的计算原理
第四章白塔嘉陵江大桥病害类型调查和病害等级评价
4.1既有箱形板拱桥常见病害及其成因
箱型拱桥病害检测是结合《公路桥涵养护规范》进行评定，因此对于箱型拱桥的病害按照规范进行调研总结。
根据规范要求，箱型混凝土拱桥的主要评定病害内容可参见以下几方面。
（1）主拱圈
主拱圈主要检查病害为：
主拱圈变形：
主要检查主拱圈线型是否有变形，例如拱顶变形、桥面竖向呈波浪形、边拱是否有横移或外倾；主拱圈裂缝：
主要检查主拱圈的横向裂缝、结合面开裂或纵向裂缝，定量描述为缝长和缝宽；主拱圈渗水：
主要检查主拱圈是否有明显渗水现象，渗水处是否有晶体析出现象或者流膏处混凝土松散；主拱圈铰功能受损：
主要检查拱桥拱圈拱铰功能，例如拱铰是否受损、有错位、拉开现象，混凝土压裂或者引起拱圈变形；主拱圈拱铰位移：
主要检查主拱圈拱脚是否出现水平、竖向位移和转角，或造成结构和桥面变形过大。
（2）拱上结构
拱上结构的主要检查病害为：
腹拱、横向联结系变形、错位：
主要检查腹拱或横向联结是否产生变形、错位，是否导致桥面出现严重塌陷或沉降；立墙或立柱倾斜：
主要检查拱上立墙或立柱是否产生倾斜，是否导致桥面出现塌陷或沉降等等；表面缺陷：
表面缺陷检查主要拱上结构的表面的混凝土蜂窝、麻面、剥落、掉角、空洞、孔洞、混凝土碳化、构件腐烛或冻融，以及构件的钢筋发生锈烛或混凝土胀裂；拱上结构裂缝：
拱上结构裂缝主要检査立柱（立墙）上下端水平裂缝，盖梁和横系梁裂缝，腹拱拱顶、拱脚径向裂缝，梁板跨中竖向裂缝。
（3）桥面系构件
桥面铺装：
桥面铺装主要检查分为沥青混凝土桥面和水泥混凝土桥面铺装，浙青混凝土主要检查变形（车辙、拥包、高低不平），破损及裂缝（龟裂、块裂、纵向裂缝、横向裂缝等），水泥混凝土主要检查磨光、脱皮、露骨，错台，坑洞，剥落，拱起，接缝料损坏和裂缝（板角断裂、破碎快）等；伸缩缝：
伸缩缝主要检查是否上下错位，缝间距是否在允许范围内，铺固区缺陷，破损和失效等；人行道、栏杆、护栏：
人行道主要检查是否破损及缺失，栏杆护栏主要检查撞坏、缺失和破坏；防排水系统：
主要检查排水是否畅通，泄水管、引水槽堵塞、破损、管体脱落等等。
（4）桥梁下部结构
《公路桥梁技术状况评定标准》对于下部结构评定的使用具有通用性，因此对于拱桥下部结构的病害进行综述。
桥墩：
主要检查桥缴的蜂窝、麻面，剥落、露筋，空洞
升级会员 