桥梁评估及加固技术研究-北京.ppt

报告人：李毅谦 中交路桥技术有限公司 2011年9月,桥梁评估及加固技术,主要内容,桥梁结构常见病害类型,评估理论的最新进展,旧桥加固案例分析,目前国内外桥梁现状,旧桥检测及评估的常用方法,随着国民经济持续快速的发展，我国交通运输事业也迎来一个辉煌的时代。据不完全统计，截至到2009年，我国公路桥梁达62.19万座。,苏通大桥,支井河大桥,香港昂船洲大桥,西侯门大桥,我国设计施工水平已迈入国际先进行列，部分成果达到国际先进水平。 香港昂船洲大桥、 主跨1020米，江苏苏通大桥，其主跨达到1088米，支井河上承式钢管拱桥，跨径430米，西侯门悬索桥，跨径1650米。,Roin-Antirion 大桥,Messina Bridge,桥梁的现状,损坏与垮塌事件,目前国内桥梁存在的问题,50年代后期和60年代桥梁荷载标准低，承载力不足。,部分近期修建的桥梁出现质量问题，损伤严重。,不断出现的桥梁垮塌事件给人民生命财产造成巨大损失,綦江彩虹桥,宜宾小南门桥,主跨240米中承式拱桥，1990年11月建成通车，2001年11月因吊杆严重锈蚀断裂，造成桥面跨塌。,苏州堰月桥 （2005年4月）,甘肃洮河大桥（2006年5月）,大桥建造于年代中期，距今已有年左右的历史，是座危桥。,位于甘肃省道306线上,岷县县城以北500米处，始建于1974年,总长200多，桥宽8米。,2004年辽宁盘锦田庄台大桥,大桥桥位于盘锦与营口交界处，连接辽河两岸，桥长500余米 ，在80吨的严重超载情况下，使大桥第9孔悬臂端预应力结构瞬间脆性断裂 。,2007年江苏常州公路大桥,2004年成都三渡水大桥,2007年广东九江大桥,美国共有公路桥梁58万座， 1967年12月， Ohio州的Silver Bridge（悬索桥）跨塌导致46人死亡，使用年限为39年。随后弗罗里达阳光桥因船撞而严重损伤，由此引发了对美国58万座公路桥梁的检查，共调查了51.4万座，这些桥中40以上有不同程度的损伤，98000座桥梁结构强度降低，应停止使用或限载。,国外桥梁的现状,Thruway Bridge, New York, US（1987年4月）,I-40 Bridge, Oklahoma, US （2002年5月）,美国明尼苏达州密西西比河大桥垮塌 2007年8月1日,Entre-os-Rios Bridge , Portugal （2001年3月）,巴基斯坦卡拉奇公路大桥,2007年9月1日，通车12天垮塌,印度南部安德拉省首府高架桥,2007年9月9日垮塌，原定年底通车,国外桥梁的现状日本,日本在七、八十年代汽车运输急剧发展，汽车日益大型化、重型化，交通量逐年增加。1956年以前按旧标准设计施工的桥梁，其承载力明显不足。据统计，这类桥梁约有5500座，其中混凝土桥梁约有4500座。,国外桥梁的现状德国,前联邦德国于19781979年对一个州内的约1500座钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁做了全面的检查，发现不同时期修建的桥梁都有损伤，即使2030年桥龄的预应力混凝土桥中，有将近一半的桥梁上部构造至少有一处较严重的损伤，其中2/3至少有一处一般性损伤。,（1）如何实际评价现有桥梁的实际承载力与安全度问题； （2）如何及早检查发现桥梁产生的损伤及异常现象，正确地鉴定结构物地损伤程度，从而采用合理的维修加固方法问题； （3）桥梁损坏与维修加固的实际应用问题； （4）桥梁维修加固技术，即采用维修加固新技术与新方法问题； （5）桥梁设计与维修管理的关系，即如何把维修加固中发现的问 题放到今后桥梁设计中进行考虑的问题； （6）桥梁维修加固的未来展望，即维修加固方法将来会怎样发展，如何提出更合理的维修管理方法与策略的问题。,1981经济合作与发展组织关于“道路桥梁维修与管理”会议,设计与养护管理的关系,结构设计应考虑换索时不中断交通的问题,支座更换,斜拉索更换,如何保证支座更换时空间尺寸及结构安全的要求,规范问题？,（1）如何实际评价现有桥梁的实际承载力与安全度问题； （2）如何及早检查发现桥梁产生的损伤及异常现象，正确地鉴定结构物地损伤程度，从而采用合理的维修加固方法问题； （3）桥梁损坏与维修加固的实际应用问题； （4）桥梁维修加固技术，即采用维修加固新技术与新方法问题； （5）桥梁设计与维修管理的关系，即如何把维修加固中发现的问 题放到今后桥梁设计中进行考虑的问题； （6）桥梁维修加固的未来展望，即维修加固方法将来会怎样发展，如何提出更合理的维修管理方法与策略的问题。,1981经济合作与发展组织关于“道路桥梁维修与管理”会议,如何科学有效的管理现有桥梁，防止恶性事故发生，确保人民生命、国家财产不受损失，已成为当务之急！,主要内容,桥梁结构常见病害类型,评估理论的最新进展,旧桥加固案例分析,目前国内外桥梁现状,旧桥检测及评估的常用方法,混凝土桥梁常见病害及特点,外观特征：混凝土破损、开裂 钢筋锈蚀、支座脱空 结构特征：挠度的不断加大和裂缝的进一步开展,大跨径混凝土桥梁的担忧,？,病害产生的主要原因,一、设计考虑不周造成桥梁结构原始性缺陷： （1）结构型式或桥型布置不合理； （2）使用计算程序或输入数据不妥，计算有误； （3）断面尺寸及钢筋不符合结构受力要求； （4）对一些特殊荷载如收缩徐变、温度、基础变位、水化热等考虑不足。 二、施工质量问题导致桥梁损伤： （1）水泥质量不好； （2）使用的骨料不合格或级配不当、含泥量过大、出现碱骨料反应； （3）混凝土振捣不密实、参和料拌和不均匀；,设计双院制 施工前图纸复核,病害产生的主要原因,二、施工质量问题导致桥梁损伤： （4）浇注顺序不当； （5）混凝土养生不好； （6）预应力张拉控制不符合要求； （7）预应力管道压浆不饱满或未压浆； （8）支架下沉、脱模过早； （9）接头处理不当。,病害产生的主要原因,三、运营期间造成的的破坏： （1）交通超载； （2）船舶、车辆撞击； （3）水流对基础的冲刷； （4）地震。 四、材料性能的退化：混凝土炭化、钢材锈蚀等。 （1）混凝土炭化导致其强度降低； （2）氯离子对混凝土的侵蚀； （3）钢筋的锈蚀。,结构耐久性问题,结构设计中各项应力的控制水平,控制防止裂缝,混凝土结构的耐久性设计，抗氯离子侵蚀、保护层碳化,防止钢筋锈蚀,预应力混凝土张拉工期,混凝土保护层厚度问题,防止钢筋锈蚀,控制收缩徐变,设计过程的保证,常见病害的主要表现型式裂缝,弯曲引起受拉区的竖向裂缝,常见病害的主要表现型式裂缝,剪切引起的斜裂缝,常见病害的主要表现型式裂缝,钢筋锈蚀引起的顺筋裂缝,墩柱钢筋锈胀引起混凝土剥落,常见病害的主要表现型式外表破损,常见病害的主要表现型式外表破损,梁体被撞、刮蹭、混凝土脱落,混凝土剥落,常见病害的主要表现型式外表破损,梁底钢筋锈蚀 凝土剥落,常见病害的主要表现型式管道压浆不饱满,钢绞线锈蚀,管道压浆不饱满,常见病害的主要表现型式墩台病害,墩台被水冲毁,锥坡塌陷,桩基被水冲刷后钢筋外露,常见病害的主要表现型式支座病害,支座脱空,支座鼓包老化,支座开裂,结构边界条件的改变,常见病害的主要表现型式支座病害,支座钢盆破坏,常见病害的主要表现型式桥面系病害,防撞护栏破损,桥面铺装层破损,常规桥梁的特点,一、桥梁已建成运营，许多有不同程度损伤,二、位置分散,三、原始资料缺失,四、无法获得桥梁结构的初始状态,主要内容,桥梁结构常见病害类型,评估理论的最新进展,旧桥加固案例分析,目前国内外桥梁现状,旧桥检测及评估的常用方法,桥梁评估方法,局部法 利用人工检测经验评估,整体法 利用结构响应理论评估,桥梁常用的无损检测方法,混凝土强度检测,半破损法,非破损法,综合法,钻芯法、拔出法、拔脱法、板折法、射击法等,桥梁常用的无损检测方法,混凝土强度检测,半破损法,非破损法,综合法,回弹法、超声法,桥梁常用的无损检测方法,混凝土强度检测,半破损法,非破损法,综合法,超声-回弹、超声钻芯、声速衰减,桥梁常用的无损检测方法,混凝土缺陷检测,不密实区和空洞,表面波法 红外线法 脉冲回 超声法 声发射法 雷达扫描法,匀质性,桥梁常用的无损检测方法,混凝土裂缝及碳化,混凝土裂缝,裂缝计,混凝土碳化,化学试剂,桥梁常用的无损检测方法,钢筋锈蚀检测,钢筋保护层厚度和位置,钢筋位置探测仪,钢筋锈蚀程度,物理方法和电化学方法,常规桥梁的承载力评估方法,一、分项系数评估法 中国规范 公路桥梁养护规范 公路桥梁承载能力检测评定规程 城市桥梁养护规范 国外规范 AASHTO LRFR 日本规范,对旧桥结构有效预应力评估的直接方法主要是荷载试验，通过测试桥梁结构在试验荷载下控制部位的应变、位移和裂缝开展情况、横向分布系数等，与理论值进行比较；通过效验系数（=实测值/理论值）、变形、裂缝开展程度和残余变形等各种指标综合判断该桥是否满足设计及使用要求，从而类推出有效预应力。 优点：直观、准确、测量数据可靠 弊端：规模大、费用高、影响交通，还可能引起结构的进一步损伤,二、荷载试验,三、基于损伤模型的理论分析,（1）损伤模型材料的退化、刚度变化 （2）预应力筋锈蚀引起的预应力额外损失典型裂缝分析 （3）原结构应力状况评估理论分析手段、恒载应力释放法 （4）承载能力评估,人工检测针对桥梁局部损伤，是目前常用的手段，这种方法的特点是直观性强，操作容易，但需要大量的经验数据。如何对桥梁结构作全面的评价，尤其是对损伤状况和承载能力的评定，还需要作进一步的工作！,主要内容,桥梁结构常见病害类型,桥梁评估理论的最新进展,旧桥加固案例分析,目前国内外桥梁现状,旧桥检测及评估的常用方法,方法： 以人工检查为主，采用超声波、红外线检测、光谱电磁波、脉冲雷达等技术 。 优点： 简单方便，直观明了。 缺点： 只能探测结构表面破损；必须事先知道损伤位置；局部区域无法接近；不能满足结构整体评价。,目前桥梁损伤评估的方法,方法： 理论分析为主，利用结构响应来识别损伤。 采用的数据： 静态：挠度、应变 动态：模态、频率 优点： 可以描述整体结构的损伤状况，是目前研究的热点。 存在的问题： 没有一种理论能很好的适应于桥梁结构损伤识别。,整体法,局部法,评估理论,无损检测,健康监测系统,结构响应在线监测,结构荷载在线监测,整体法数据来源,桥梁健康监控系统发展过程,美国、英国、日本等国家从80年代初便开始大规模对桥梁进行检测，并逐渐建立了一套较为完善的桥梁检测和维修制度。1967年12月15日俄亥俄河上的银桥（悬索桥）跨塌导致46人死亡，使用年限为39年。随后弗罗里达阳光桥因船撞而严重损伤，政府决定在新桥上安装结构健康监测系统，这些事件的发生引起了美国政府和学术界对桥梁结构安全健康的重视，从基础理论到实际应用的研究都做了大量研究。,20世纪九十年代，健康监测开始在我国桥梁中应用，许多大桥都安装了监测系统，以期对结构进行实时监控，希望通过监测得到的各种数据，对结构的现状进行分析，达到评估结构状况的目的。,在线健康检测系统,桥位处,监控中心,监测荷载的传感器 风速仪, 温度计, 动态地秤 (WIM), 地震仪等,监测结构反应的传感器 加速度计，应变计，GPS，位移计，倾角仪，压 力环等,其他传感器 混凝土腐蚀监测仪器, 摄像头等,传感器系统,监测三个方向风速时程（原始数据）进行风功率谱、攻击角等分析，用于桥梁评估,风速仪,风的作用对大跨径桥梁的影响不可忽视,塔科马大桥被风摧毁,美国塔科马海峡大桥，主跨853米，全长1716米。1940年第一次修建的悬索桥桥面宽11.9米，加劲桁梁高仅2.74米，该桥因刚度不够，建成4个月后就被风暴摧毁，1950年利用旧桥墩改建新桥，主跨不变,钢塔架高140.82米，桥面宽增至18米，加劲桁梁高增至10米。,安装在桥上的风速仪,安装在桥上的风速仪,监测构件截面温度梯度 监测空气温度,温度计,监测汽车荷载的轴重、轴距，以及交通流量统计等,动态地秤,安装在桥头的动态地秤,监测结构加速度反应根据加速度时程数据进行结构模态分析和损伤识别分析,加速度计,加速度计,应变计,监测应变峰值 结构疲劳评估 结构评估,应变计,位移计,监测桥梁顺桥向位移 确定伸缩缝位移量,GPS系统它利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分。差分系统是由GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此结果将送到监控中心。在监控中心对接收机的GPS差分结果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。,全球定位系统G P S,GPS位移监测实时显示,理想的健康监测系统要解决的两类问题,数据采集 一、环境荷载数据采集 二、结构响应数据采集,结构评估 一、与设计理论的对比 二、结构现状的评估,国内外的研究重点,国家西部科研课题,中交路桥技术公司,课题名称 高速公路结构健康监测系统 关键技术研究,铁罗平大桥，主跨320米,支井河大桥，主跨430米,四渡河大桥，主跨900米,龙潭河大桥，主跨200米,桥梁结构的损伤识别 桥梁结构剩余承载力评估,课题研究主要内容,依托工程,结构的损伤识别,这是两座结构形式均为三跨预应力砼连续箱梁桥，跨度为32+50+32m，2004年2月完成现场检测，发现桥梁表面破损，钢筋锈蚀，结构出现大量裂缝，跨中下挠严重。,两座实桥损伤评估例子,跨中非平面变形,腹板轴向应变沿箱梁高度分布图,刚度识别结果,实测挠度和损伤识别值,参数识别表明主跨跨中刚度下降明显，计算位移 与实测位移十分接近，该桥目前已拆除。,孔道没有压浆，预应力筋严重锈蚀,桥梁健康监测是一个在世界范围内正在兴起的新兴事物，既非万能，也非无用。其中仍有许多课题值得深入研究，尤其是结构损伤和剩余承载力评估等问题。对于大型桥梁而言，监测系统与人工检查相结合是目前桥梁评估的有效手段，而对于大量的常规性桥梁，应以人工检查为主，以桥梁管理系统为主。,主要内容,桥梁结构常见病害类型,桥梁评估理论的最新进展,旧桥加固案例分析,目前国内外桥梁现状,旧桥检测及评估的常用方法,加固实例 体内预应力,情况简介 预应力静定T构，设计预拱度10厘米，拆除挂蓝后实际反翘到12厘米，挂梁安装后预拱度减为9厘米，通车一年后预拱度消失，桥面下挠至齐平。运营十年后，T构箱梁悬臂端累计下挠30厘米，箱体出现大量裂缝。,一、桥梁加固的设计施工原则,作加法不作减法,安全度宁大勿小,分析不透彻不做,没把握事情不做,科罗巴岛(Koror-Babeldaob)桥案例,科巴大桥是一座跨中带铰的3跨连续预应力混凝土刚架桥，跨径组合为72m+241m+72m，是当时世界上同类桥梁中跨径最大者。1978年建成通车，通车后不久就产生了较大的挠度，到1990年，其挠度达到1.2m。后来采用体外索施加预应力，使主跨中央挠度减小。1996年7月加固结束，加固处理后不到3个月就发生了倒塌事故。,科罗巴岛(Koror-Babeldaob)桥案例,二、 大桥长期下挠原因分析,二、大桥长期下挠原因分析,一、混凝土徐变徐变 二、长期效应温度,三、裂缝导致结构刚度的降低。,计算分析的结果小于 实际挠度,导致挠度不断增加的主要原因。,规范的规定,桥梁加固处理必须要达到的两个目的 一、提高结构极限承载能力 二、恢复结构刚度,三、主动加固与被动加固的对比,被动加固法 ：粘贴碳纤维、钢板等方法。多适用于在恒载作用下承载力满足要求但活载作用下承载力不满足的情况，在中小桥和大桥的次要受力方向进行加固时常采用。,主动加固法：施加预应力、改变结构体系等，改变结构原有的受力行为。改善桥梁恒载的内力分配，增加全桥刚度，闭合裂缝，并调整变形。,本桥的加固方法：主动加固法,恒载占总荷载的80%以上，大量的裂缝在仅有恒载作用时不闭合，结构在恒载时的应力状况已不满足要求。 仅依靠粘贴碳纤维、钢板等被动加固法是无法解决结构总体刚度下降、承载力不足的问题，必须采用主动加固法以调整结构的内力，加强整体刚度，提高承载力。,四、加固方案的选择（方案一：矮塔稀索斜拉桥）,优点：这种方法能显著改变结构恒载内力，提高极限承载