空心板梁桥加固理论与实践

空心板梁桥加固理论与实践省公路管理局安全处郑求才 副处长、教高2012.11.16 杭州空心板梁桥加固理论与实践 浙江省空心板梁桥概况 空心板梁桥主要病害及原因分析 空心板梁桥细部力学分析理论 空心板梁桥主要病害加固实践 问题与思考浙江省空心板梁桥概况截止 2011年底，浙江公路桥梁总数 45668座中小跨经（单跨 40米，）桥梁占 92 %；其中空心板梁桥 26684 座，占中小跨径的 59.6 %。近年，全省普通国省道修复加固桥梁中，空心板类桥占 70 %以上。近年，我省桥梁突发事件，空心板类桥梁占主要（梁板断裂、铺装严重破损等），以钱江三桥为典型代表。空心板桥在浙江公路桥梁中占重要地位。空心板梁桥主要病害（五大病害）1、桥面铺装纵向裂缝 铺装破损 2、预应力空心板底纵向裂缝3、钢筋混疑土空心板横裂渗水钙化，从正常 非正常裂缝4、铰缝损坏、破坏 单板受力5、支座脱空其它：宽幅板梁端斜向裂缝、预应力空心板横向裂缝、病害原因分析从宏观来说： 铰缝是 关键 （单板受力 铺装裂缝 梁板损坏） 先天不足是 根本 （小铰缝、薄铺装）、 超载是 祸首 。设计惯例影响：铺装层、铰缝不计算，仅提构造要求。660-70年代90年代2000年后空心板截面形式和铰缝的演变超载引起的内力对比（ 20米空心板）公路超载公路超载82006年， 张同公路调查结果 32。车辆总重最大 134t，单轴最大 43t。2001年，广东省超载运输调查 33。车辆总重最大 131.8t，最大单轴重达 31t。车辆总重2009年 1 11月，杭州萧山治超站。超限超载车共 692辆 ,其中超载车 638辆。车辆总重超 100吨的 22辆，最重的达 129.05吨。病害原因分析 桥面铺装纵向裂缝的原因铺装过薄、铰缝失效、铺装层施工时层间结合不良及钢筋网片下沉、梁板顶面不平整（反拱不一、施工误差过大等）、支座脱空造成梁板翘曲影响 铰缝损坏、破坏早期小铰缝设计缺陷、施工工艺（凿毛不到位、浇筑不到位、铰缝钢筋搭接不到位、铰缝混疑土材料未考虑粘结性要求）板底横向裂缝原因对钢筋混疑土结构来说，宽度及高度限度以内的横裂是正常的，（极限状态设计，受拉去混疑土不参与计算）。但超过限度的是不正常的（中性轴以下、 0.2mm以内）中性轴过高，影响受压区面积，增大钢筋应力和裂缝宽度。 裂缝宽度过大，影响钢筋耐久性，锈蚀。 个人理解：裂缝宽度从设计计算来说，是个半经验半理论公式，个别裂缝超限说明不了什么问题，关键的是否渗水钙化。预应力空心板板底纵向裂缝 原因复杂，既有设计，又有施工、运营原因1、设计：温度应力，内外温度相差 10度时，底板横向拉应力可达 1.14MP.2、翘曲畸变，顶底板的最大拉应力达 1-2MP3、施工：钢束偏差，支座脱空、保护层过薄等钢束偏差处（即钢束横向弯折处，本算例中是 L/4附近）横向拉应力区域明显向偏差钢束处偏移 ,应力幅值成倍增大。应力幅值与钢束偏离距离基本成线性变化。钢束横向弯折以外的其他区域受影响均很小。 运营超载虚线为工况 1实线为工况 2仅一辆超载车在空心板底板中产生的纵向和横向应力，便已超过并排 3辆规范车辆所产生的应力将近 2倍。超载车作用下，底板外缘最大横向应力可达0.4 0.5MPa，出现在车轮直接作用处以外的邻近空心板中。支座脱空 形成梁板翘曲，不平，增大梁板应力 影响桥面铺装的受力，产生裂缝 造成铰缝的损坏 从桥梁定检情况看，梁式桥支座脱空的比例较高，应引起重视。施工时安装问题（三点定面，四点很难成一面）、支座质量差（河北衡水）、其它病害 预应力空心板板底横向裂缝有 2种，弯拉区裂缝（白沙大桥）、预应力变化处（先张法施工短束处横裂（瑞安高架桥）应正确区分是弯拉应力过大还是施工缺陷造成。空心板桥细部力学计算梁板计算 传统方法：铰接板法、刚接梁法铰接板法计算的前提是：半波正弦荷载跨中绕度与变形成正比，但车辆荷载不是半波正弦荷载。现代有限元理论已经分析证明，按铰接板法计算的横向分布系数是偏大的，对结构是偏安全的。关键的问题往往是铰缝起不了铰的作用。空心板梁桥细部力学分析 现代有限元方法：平面杆系（实质上也是横向分布系数法）、梁格法、实体单元法。三种方法计算的梁的应力是有区别的。从保守到精确。三种计算方法中，前二种对铰缝都是按铰来模拟，实体单元法对铰缝的处理有不同的方法，结果也有差异。 概括：由于铰缝的结构，使得实际结构应力与计算模型是有差异的。正确认识不同的模型特点，对荷载试验校验系数的判别有帮助，应越来越趋近于 1。 （有人计算过，单跨预应力简支空心板梁桥，混凝土桥面铺装层参与作用时，跨径为 10m和 13m的简支空心板梁桥，应力和挠度校验系数提高 43左右。跨径为 16m和 20m的简支空心板梁桥，应力和挠度校验系数提高 26左右。 )铰缝铰缝 计算分析计算分析201#2#3# 4#5# 6#7#8#9# 10#11#沥青铺装层混凝土铺装层空心板间的缝隙铰缝与空心板结合为一个整体统一划分单元网格空心板铰缝病害分析4种工况计算结果对比种工况计算结果对比21铰缝应力的考察位置图 7.2.27 跨中横截面上 3-6号铰缝的第 1主应力沿标高方向分布空心板铰缝病害4种工况计算结果对比种工况计算结果对比22铰缝剪应力 Sxy（沿高程方向的错动）沿桥长变化第 7章 空心板铰缝病害4种工况计算结果对比种工况计算结果对比23图 7.2.27铰缝剪应力 Sxz（沿桥长方向的错动）沿桥长变化第 7章 空心板铰缝病害 铰缝处实体单元应力分析说明：规范车辆荷载下，铰缝应力在可控范围内；超载车辆作用下，主应力和剪应力较大，可能导致铰缝开裂。铰缝损伤识别 空心板梁桥铰缝是否完好，目前无很简易的办法1、如果铰缝已渗水，可以说明铰缝已开裂受损2、勾缝脱落，不能说明铰缝已损坏。3、定期检查手段无法正确判断4、荷载试验可通过横向绕度曲线大致判别铰缝状态 国内有人在研究铰缝损坏的判别方法，有待实践检验 上海通过相邻板绕度变化，开发了专利产品：电阻式铰缝位移计 重庆交大研究了基于舜态动力分析的铰缝损伤识别方法铺装层对桥梁受力的影响分析 规范规定，铺装层可以在扣除磨耗层后计入刚度计算，但也可不计刚度贡献，只计横载。 研究表明，铺装层厚度对铺装层本身及空心板的应力变化影响较大。应有一个合适值，不宜过大和过小。宜对不同跨径、不同铰缝损坏情况作理论分析和实践验证。 计算表明，铺装层施工时局部缺陷如脱空等，可造成铺装