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既有预应力空心板梁检评与再利用研究 摘要 桥梁是公路的纽带，其使用功能的好坏直接影响整条线路的畅通。目前， 我国公路上有大量运营中的预应力混凝土桥梁，这些桥梁在建造和使用的过程 中，由于设计、施工、使用等问题以及材料本身随着时间的推移、环境侵蚀等 一系列因素的作用，不可避免的在一定程度上会产生损伤。预应力混凝土桥梁 由于其本身的良好特性，已经成为目前公路桥梁中应用最为广泛的桥型之一。 而预应力混凝土空心板梁更是因其具有跨越能力较大、结构性能好、施工方便、 节省材料、易实现标准化和工厂化施工、产品质量可靠、施工吊装设备容易解 决等优点，在桥梁建设中，特别是高等级公路中应用广泛。对于这类桥梁的重 建和改建，其原有板梁构件可以实现再利用，从而可以大大节省建设资金，降 低环境影响。 因此，本文进行了预应力空心板梁病害成因分析，现场破坏性试验，既有 预应力空心板梁承载力分析等研究，主要内容和成果如下： ( 1 ) 本文系统地进行了既有预应力空心板梁病害调查、分析与成因研究， 详细研究了既有预应力空心板梁的病害类型及原因。 ( 2 ) 通过了解既有预应力空心板梁的主要破坏类型对空心板梁进行详细的 外观检测，以便采用相应的修补办法，对可再利用板梁采用局部修补和加固。 ( 3 ) 通过对两片预应力混凝土空心板梁承载能力破坏性试验，分析这两片 梁的破坏状况，破坏机理及破坏全过程的受力。了解和掌握这两片梁在正常使 用荷载和承载力极限荷载作用下的结构刚度破坏形态和极限承载能力等，并与 理论计算值相比较，分析这两片梁是否可再利用。 论文的研究结果表明，目前大部分可利用的预应力空心板梁都存在着或多 或少的缺陷，经过仔细的外观检查，根据破坏情况对其进行局部的维修或者是 整体加固，既有的预应力空心板梁可以满足耐久性和承载力的要求。 关键词：既有预应力空心板梁，结构病害，再利用，评估，挠度，应力，刚度 退化 t h ed e t e c t i o na n da s s e s s m e n tt e c h n o l o g ya n dr e u s e r e s e a r c ho f e x i s t i n gp r e s t r e s s e dh o l l o wp l a t eb e a m a bs t r a c t h i g h w a yb r i d g e sa r et h r o a t ，f u n c t i o no ft h eu s eo fad i r e c ti m p a c to nt h ew h o l e s m o o t hl i n e s a tp r e s e n t ，h i g h w a yo no u rc o u n t r yh a ss u b s t a n t i a lo p e r a t i o n si nt h e p r e s t r e s s e dc o n c r e t eb r i d g e t h e s eb r i d g e si nt h ec o n s t r u c t i o na n du s eo ft h e p r o c e s s ， b e c a u s eo ft h ed e s i g n ， c o n s t r u c t i o n ， u s ea n do t h e ri s s u e sa sw e l la st h e m a t e r i a li t s e l fw i t ht h ep a s s a g eo ft i m e ，e n v i r o n m e n t a le r o s i o n ，s u c ha st h er o l eo f an u m b e ro ff a c t o r s ，i n e v i t a b l et os o m ee x t e n tw i l lh a v ed a m a g e p r e s t r e s s e d c o n c r e t eb r i d g eb e c a u s eo fi t sg o o df e a t u r e s ，h a sb e c o m et h ec u r r e n tr o a d sa n d b r i d g e si nt h em o s tw i d e l yu s e dt y p eo fb r i d g e a n dp r e s t r e s s e dc o n c r e t eh o l l o w p l a t eb e a m i s l e a p sa n db o u n d sb e c a u s eo fi t sl a r g e rc a p a c i t y ， s t r u c t u r e ， p e r f o r m a n c e ， c o n s t r u c t i o nc o n v e n i e n t ，s a v em a t e r i a l ， e a s y t oa c h i e v e s t a n d a r d i z a t i o na n df a c t o r yc o n s t r u c t i o n ， r e l i a b l ep r o d u c tq u a l i t y ， c o n s t r u c t i o n l i f t i n ge q u i p m e n t ， e t c c a nb es o l v e de a s i l y a ta b r i d g ec o n s t r u c t i o ni np a r t i c u l a r a r ew i d e l yu s e dh i g h g r a d eh i g h w a y s f o rt h i st y p eo fb r i d g er e c o n s t r u c t i o na n d a l t e r a t i o n s t h eo r i g i n a lp l a t eg i r d e rc o m p o n e n tr e u s ec a nb ea c h i e v e d ，s ot h a tw e c a nb r i n ga b o u tc o n s i d e r a b l es a v i n g si nc o n s t r u c t i o nf u n d s ，r e d u c ee n v i r o n m e n t a l i m p a c t s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rc o n d u c t e dap r e s t r e s s e dh o l l o wp l a t eb e a mc a u s e so f d i s e a s ea n a l y s i s ，t h es c e n eo fd e s t r u c t i v et e s t i n g ，b o t ht h eb e a r i n gc a p a c i t yo f p r e s t r e s s e dh o l l o wp l a t eb e a ma n a l y s i sr e s e a r c h ，t h em a i nc o n t e n t sa n dt h er e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sa r t i c l es y s t e m a t i c a l l yc a r r i e do u tb o t hp r e s t r e s s e dh o l l o wp l a t eb e a m d i s e a s ei n v e s t i g a t e ，a n a l y z e ，a n dt h ec a u s eo fr e s e a r c h ad e t a i l e ds t u d yo fb o t h p r e s t r e s s e dh o l l o wp l a t eg i r d e rt y p e sa n dc a u s e so fd i s e a s e ( 2 ) h o l l o wp l a t eb e a mt h r o u g had e t a i l e dl o o kd e t e c t e d ，k n o wb o t ho fp r e s t r e s s e d h o l l o wp l a t eg i r d e rm a i nd a m a g et y p e i no r d e rt oa d o p ta p p r o p r i a t er e m e d i a l a p p r o a c h p a r t i a lr e p a i ra n dr e i n f o r c e m e n to fr e u s a b l ep l a t eg i r d e r ( 3 ) t h r o u g ht h et w op r e s t r e s s e dc o n c r e t eh o l l o ws l a bb e a m sc a r r y i n gc a p a c i t yo f d e s t r u c t i v et e s t i n g a n a l y s i so ft h e s et w of i l m sb e a md a m a g es i t u a t i o n ，f a i l u r e m e c h a n i s ma n dd a m a g et h ew h o l ep r o c e s so fs t r e s s l e a r na n dm a s t e rt h et w o c h i p b e a ma tn o r m a lu s el o a d sa n dl i m i tl o a db e a r i n gc a p a c i t yo ft h es t r u c t u r a ls t i f f n e s s a n du l t i m a t ef a i l u r em o d e ss u c ha s l o a d b e a r i n gc a p a c i t y a n dc o m p a r e d w i t h t h e o r e t i c a lv a l u e s a n a l y s i so ft h e s et w of i l m sl e u n gc a nr e u s eo rn o t t h e s i sf i n d i n g ss h o w st h a t ，a tp r e s e n tm o s to ft h ea v a i l a b l ep r e s t r e s s e dh o l l o w p l a t eg i r d e rt h e r ea r em o r eo rl e s sd e f e c t s a f t e rc a r e f u li n s p e c t i o no ft h ee x t e r i o r a n di t sp a r t i a lr e p a i ro rr e i n f o r c et h eo v e r a l ld e p a r t m e n t e x i s t i n gp r e s t r e s s e dh o l l o w p l a t eb e a mt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fd u r a b i l i t ya n db e a r i n gc a p a c i t y k e y w o r d ：b o t hp r e s t r e s s e d h o l l o w p l a t e b e a m ，s t r u c t u r e d a m a g e ，r e u s e ， e v a l u a t i o n ，d e f l e c t i o n ，s t r e s s ， s t i f f n e s sd e g r a d a t i o n 插图清单 图3 1 板梁截面示意图( 单位：e r a ) 1 6 图3 22 # 梁腹板纵向裂缝1 9 图3 32 # 梁两端竖向裂缝1 9 图3 4 板梁试验准备( 梁体粉刷) 2 0 图3 5 板梁试验准备( 网格划分) 2 0 图3 6 板梁试验准备( 传感器安装) 2 0 图3 7 板梁试验准备( 梁底沙袋) 2 0 图3 81 # 板梁破坏情况2 1 图3 - 92 # 板梁破坏情况一2 l 图3 1 0 应力测试断面布置示意图2 l 图3 。1 1 位移测试断面及测点布置示意图2 1 图3 1 21 # 试验梁体1 1 - 3 3 号截面应力测点布设示意图2 2 图3 1 31 # 试验梁体裂缝观测点x 1 - - - x 5 布设示意图2 2 图3 1 41 # 试验梁体裂缝观测点x 6 - - x 9 布设示意图2 2 图3 1 52 # 试验梁体1 1 3 3 号截面应力测点布设示意图2 3 图3 1 62 # 试验梁体裂缝观测点x 1 - - x 5 布设示意图2 3 图3 1 72 # 试验梁体裂缝观测点x 6 - - x 。9 布设示意图2 3 图3 1 8 梁体加载示意图。2 4 图4 1 强度推定值分布示意图2 5 图4 2 混凝土碳化深度分布示意图2 6 图4 3 底板钢筋保护层厚度分布示意图2 6 图4 4 钢筋现场调查照片2 7 图4 5 梁体拱度分布示意图2 7 图5 11 # 梁底板横向裂缝2 9 图5 22 # 梁底板横向裂缝2 9 图5 31 # 梁腹板斜向裂缝3 0 图5 42 # 梁腹板斜向裂缝3 0 图5 51 # 梁破坏后整体照片3 0 图5 - 62 # 梁破坏后整体照片3 0 图5 71 # 梁破坏后局部照片3 0 图5 82 # 梁破坏后局部照片3 0 图5 - 9 试件裂缝图局部照片3 1 图5 1 0 整体结构有限元模型图3 2 图5 1 1 局部结构有限元模型图3 2 图5 。1 2 结构挠度图( 工况9 ) 3 2 图5 1 3 结构应力图( 工况9 ) 3 2 图5 1 4 结构弹性应变图( 工况9 ) 3 3 图5 1 5 结构塑性应变图( 工况9 ) 3 3 图5 1 61 舞梁裂缝发展图3 4 图5 1 72 拌梁裂缝发展图3 4 图5 1 81 拌梁跨中裂宽变化趋势图3 5 图5 1 92 f 梁跨中裂宽变化趋势图3 5 图5 2 0l 存梁1 4 截面荷载挠度骨架曲线3 6 图5 2 1 1 撑梁1 4 截面荷载挠度归一化曲线3 6 图5 2 21 群梁跨中荷载挠度骨架曲线3 7 图5 2 31 群梁跨中荷载挠度归一化曲线3 7 图5 2 41 撑梁3 4 截面荷载挠度骨架曲线3 8 图5 2 51 撑梁跨中荷载挠度归一化曲线3 8 图5 2 62 群梁1 4 截面荷载挠度骨架曲线3 9 图5 2 72 存梁1 4 截面荷载挠度归一化曲线3 9 图5 2 82 撑梁跨中荷载挠度骨架曲线3 9 图5 2 92 拌梁跨中荷载挠度归一化曲线4 0 图5 3 02 捍梁3 4 截面荷载挠度骨架曲线：4 0 图5 3 12 拌梁3 4 截面荷载挠度归一化曲线4 0 图5 3 21 脊梁挠度变化图( 工况9 ) 4 1 图5 3 31 撑梁挠度变化图( 工况1 2 ) 4 1 图5 3 41 撑梁挠度变化图( 工况1 6 ) 4 2 图5 3 51 捍梁整个试验过程挠度变化图4 2 图5 3 61 稃梁挠度变化归一化图。4 2 图5 3 72 群梁挠度变化图( 工况9 ) 4 3 图5 3 82 群梁挠度变化图( 工况1 2 ) 4 3 图5 3 92 样梁挠度变化图( 工况1 6 ) 4 3 图5 4 02 j 6 梁整个试验过程挠度变化图4 4 图5 4 12 拌梁挠度变化归一化图4 4 图5 4 21 群梁1 4 截面上缘荷载应力图4 5 图5 4 31 捍梁1 4 截面下缘荷载应力图4 5 图5 4 41 存梁跨中截面上缘荷载应力图4 5 图5 4 51 撑梁跨中截面下缘荷载应力图4 6 图5 4 61 拌梁3 4 截面上缘荷载应力图4 6 图5 4 71 j 梁3 4 截面下缘荷载应力图4 6 图5 4 82 拌梁1 4 截面上缘荷载应力图_ 4 7 图5 4 92 群梁1 4 截面下缘荷载应力图4 7 图5 5 02 桦梁跨中上缘荷载应力图4 7 图5 512 稃梁跨中下缘荷载应力图4 8 图5 5 22 群梁3 4 截面上缘荷载应力图4 8 图5 5 32 6 梁3 4 截面下缘荷载应力图4 8 图5 5 41 撑梁等效刚度退化趋势图。5 0 图5 5 52 拌梁等效刚度退化趋势图。5 1 表格清单 表1 1 各种评估方法的优缺点对比2 表1 2 板梁实桥破坏性试验汇总表4 表3 1 外观检查结果对比表1 9 表3 2 实际分级加载吨位表2 4 表4 1 强度推定值分布表2 5 表4 2 混凝土碳化深度分布表2 5 表4 3 底板钢筋保护层厚度分布表2 6 表4 4 梁体拱度分布表2 7 表5 1 各加载工况梁体表现情况一览表2 8 表5 2 测试主要结果汇总表3 6 表5 3 试验各阶段对应的变形4 9 表5 - 41 撑梁跨中的荷载值和位移值4 9 表5 51 群梁跨中各荷载值点的等效刚度5 0 表5 - 62 撑梁跨中的荷载值和位移值5 0 表5 72 捍梁跨中各荷载值点的等效刚度5 l 表5 8l 挣梁控制截面应力及挠度理论计算值5 2 表5 - 91 群梁控制截面应力及挠度实测值5 3 表5 1 0l 群梁挠度校验系数计算数5 3 表5 1 12 样梁控制截面应力及挠度理论计算值5 5 表5 1 22 撑梁控制截面应力及挠度实测值5 6 表5 1 32 群梁挠度校验系数计算数5 6 附表1 部分板梁检测结果一览表6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目巴王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名骺钠 签字日期卅年牛月f 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金妲王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 碑锈两 签字日期：劫1 年年月f 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期铆彳年嘲z ，日 电话；| 5 i b 淑。l o l 虹 邮编： 致谢 本文是在导师王国体教授的悉心指导下完成的。从论文选题、开题、理论 分析到论文撰成和最后成稿的整个过程，无不浸透着导师的心血，尤其在论文 的撰写过程中，导师逐章、逐节、逐句地反复审阅和批改，使我在治学、做人 等方面更使受益匪浅。导师在指导过程中所表现出地渊博地学识、严谨治学地 态度，谦虚谨慎的作风，和蔼可亲的为人，是我终生奋斗的目标。在此对谆谆 教诲我的导师致以最衷心的感谢! 感谢江苏省交通科学研究院马志国工程师、李求源工程师、李毅卉工程师 给予我学习上的帮助，并特此感谢他们为论文提出了宝贵意见。 感谢敖斌、何兵等同门师兄给予我论文写作方面的帮助。另外，还有许多 关心和帮助我的同学，无法一一提及，在这里对他们表示深深的谢意。 最后我要感谢父母无以回报的养育之恩，在我考研期间和攻读硕士学位期 间，父母对我长期不懈的关心、支持和鼓励，激励我全力以赴、专心致志地投 入学习。在论文完成之际，我要对他们致以最崇高的敬意和最真挚的祝福! 仲秀丽 2 0 0 9 年2 月 第一章绪论 1 1研究背景 随着交通运输业的发展，公路交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载 重越来越大，使得相当一部分现有公路桥梁已不能满足使用上的要求。据美国 联邦公路局统计数据显示【卜3 1 ，美国约有6 0 0 ，0 0 0 座公路桥梁，4 0 以上存在不 同程度的病害：其中9 8 ，0 0 0 座桥梁结构强度降低，应停止或限载通行。美国 目前每年桥梁投资中，9 0 用于更新维修，1 0 用于新建桥梁。更新的桥梁管理 统计数据显示 4 1 ，欧洲存在各类病害的钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁高达 8 3 8 ，0 0 0 座；在日本，则约有5 ，5 0 0 座公路桥梁承载能力不足，其中钢筋混凝 土桥4 ，5 0 0 座，占8 5 ，印度也有1 0 的公路桥梁需要替换，另有1 0 的桥梁有 损伤。 据交通部在( 2 0 0 6 年公路水路交通行业发展统计公报中的数据显示，截 止到2 0 0 6 年年底共有公路桥梁5 3 3 6 万座，2 0 3 9 9 1 万延米，危桥6 2 8 2 座，占 1 1 8 ；而出现老化、损坏和使用功能明显降低的桥梁则更多。江苏省的公路建 设规模和速度在全国居领先地位，据1 9 9 8 年江苏省交通统计年鉴介绍垆】，全省 共有桥梁2 9 ，4 4 0 座，由公路部门管养的桥梁为1 0 ，9 3 6 座，其中危桥1 3 1 座， 病桥达数千座，由于当时的检测手段的局限性，还有许多桥梁并还没有发现。 对于这些不能满足正常使用的桥梁的处理，目前主要有两种方法：一是拆 除重建，二是加固改造。拆除重建虽能解决问题，但消耗的资金、材料和能源 巨大，且对环境也有较大影响，不符合“科学发展，和谐节约 的社会主题。 因此，应该尽量利用既有桥梁，通过技术手段对旧桥进行技术改造，恢复和提 高其承载能力、使用功能，延长其使用寿命。国内外经验表明，旧桥加固改造 的费用约为新建桥梁的1 0 - 3 0 。因此，充分利用已有的桥梁，对其进行有效 的加固改造，可以大大节省工程投资、产生良好的社会效益和经济效益。 对于预应力混凝土桥梁的重建和改建，其原有预应力混凝土空心板梁构件 可以实现再利用，从而可以节约大量的建设资金，并降低对环境的不利影响， 经过市场调研，a 市机场路1 6 0 0 多片空心板梁，可利用的5 0 0 片，实际利用共 3 8 0 片，与重建预制空心板梁节约成本几百万，大大节约了建设成本。但这些既 有预应力混凝土空心板梁由于在施工过程受到一些难以控制的不利因素影响， 以及在长期运营过程中频繁承载，甚至超载，再加上自然界乃至自然灾害的侵 袭，交通事故等人为事端的侵袭，其承载能力、耐久性能和使用性能都会有所 下降，从而造成既有板梁可能已经无法满足再利用的要求，或者需要进行适当 维修处理才能满足要求。 因此，在既有预应力空心板梁再利用之前，必须对他们的技术状况进行全 面的检测，作出科学的评价，特别是判定其承载能力是否能够满足再利用的要 求，或者是否需要维修处理，从而为再利用既有预应力空心板梁提供决策和维 修的依据。由于公路桥梁在交通运输和社会生活中的特殊地位，既有预应力空 心板粱再利用要慎之又慎，对他们的监测与评定一定要做到科学、严谨和客观， 任何差错都有可能带来严重的经济损失和财产浪费，或者留下安全隐患、造成 永久遗憾。另外，对既有预应力空心板梁承载力检测与评定研究对于采用此类 构件的桥梁承载力检测与评估也具有参考价值。 普通钢筋混凝土空心板梁由于其自身结构上的缺陷，其再利用价值不大。因 此本课题主要对既有预应力混凝土空心板梁的承载力进行科学评价，为其再利 用提供决策依据。 1 2 国内外研究现状 板梁再利用通常是通过对板梁检测后进行一定的加固维修，恢复其原有承 载力或提高其承载能力，从而达到板梁的再利用。对于此类研究国内外研究的 比较多，相关成果和应用实例也比较多。本课题研究的对象是基于拆除以后的 板梁，它不同于常规再利用板梁的检测( 某些侧面无法检测) ，其检测条件更充 分，对于病害的掌握更为充分，而且可以做单梁试验，从而给板梁再利用提供 了更有力的依据。但目前对于此类基于拆除后板梁的研究少之甚少。 目前，关于空心板梁承载能力检测与评估方面的研究主要有外观调查法、检 算法、荷载试验法、可靠度分析法、专家系统法等几种【6 】。这些常用桥梁评估方 法优缺点对比汇总如表1 - 1 所示。在实际应用中应注意掌握各种方法的特点、 使用要求、适用范围，弄清影响桥梁评定的各种因素，只有这样才能做好桥梁 评定工作，对桥梁做出符合实际状况的评定【_ 卜1 4 j 表1 1 各种评估方法的优缺点对比 序号方法名称优点 缺点 比较直观、更容 对承载能力的判断只是一个定性y - 0 断和 l 外观调查法初步判断，结论的可信程度取决于评定者的工程 易实施 经验和y - 0 断能力，结果比较粗糙 有较好的理论基 存在差异性，而且对某些参数的取值在一定程度 2 检算法础，符合设计人上还依赖于评价工程师的经验和判断，主观随意 员的思维性仍较大 荷载试验法设计与评价之间规模大，试验费用高，时间长， 3 ( 模型试验和直观、可靠方法难以普及，可能引起结构严重损伤，影响正 破坏性试验) 常交通 理论先进，能客 活荷载统计模型、抗力衰减模型等关键理论尚未 观地反映桥梁的成熟 4 可靠度分析法 实际情况，作出 科学地评估 准确、效率高、受桥梁结构的离散性和桥梁结构的多样性的影响 5 专家系统法 不受环境影响 2 除了以上的这些常规方法外，国内外研究人员还进行了很多新方法的研究， 探讨与实践。主要集中在基于实测数据反算承载力的评价方法【l 孓2 0 】，可靠度评 价方法【2 1 。2 3 】，智能评价方法【2 4 铂】，基于有限元模型修正的评价【2 7 1 几个方面，但 是这些方法在理论上都存在一定的不足。 从上述研究现状可以看出：既有桥梁的承载力评估尚处于研究阶段，传统 方法便于实用，但主观性较强，不具备规范性；新型评估方法在理论和实用方 面都存在较多局限，需要进一步的研究。 关于梁体极限状态的理论分析、模型试验以及实梁破坏性试验研究方面， 国内外相关成果很多，也已经基本成熟。但目前研究内容主要针对新材料、新 工艺以及新结构方面的板梁进行承载力试验，关于面向再利用的既有板梁检测 与评估方面的研究进行的不是很多而它的系统研究更是少之又少。造成这一现 象的原因主要有三个：首先，板梁是整个公路交通系统中的关键环节，不可能 为了承载力实验研究而去拆除原有板梁；其次，既有板梁检测一般只能观测到 板梁底面，而对其它侧面以及材料强度和耐久性方面的检测很难进行，对大规 模梁体难以进行有效检测与评估；最后就是实验本身的难度也比较大，既有病 害对梁体承载力可能存在较大影响。 桥梁评估，就是对既有桥的整体、各有关和各组成部分进行考察、了解、 检查、检测，经过检算分析，必要时辅以相关试验，对其病害情况、损伤程度、 病害与损伤原因、实际承载能力、功能以及能否正常运营等作出鉴定，给出明 确结论。目前国内外对于预应力混凝土空心板梁承载力评定主要采用荷载试验 方法和检算法。 ( 1 ) 荷载试验法 预应力混凝土空心板梁荷载试验法可以采取实际构件作为试验对象，也可 以制作足尺模型进行试验。板梁的荷载试验包括非破坏性试验和破坏性试验两 种。非破坏性荷载试验主要是检验板梁结构是否处于正常工作状态，通常只进 行静载试验，通过在板梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的外载， 测试控制部位与控制截面在荷载作用下的相关技术数据，将测试结果与结构理 论计算值及规范的允许值作比较，推算出对应的荷载等级和承载能力。破坏性 荷载试验试验对桥梁结构逐级施加荷载，直至桥梁破坏，测试桥梁结构全过程 的受力性能和极限承载能力，从而直观准确地了解桥梁结构在各个受力阶段的 受力行为，获取正常极限工作状态和承载能力极限状态下的承载能力。以下是 国外的一些实桥破坏性试验项目 2 8 - 3 3 。 表1 2 板梁实桥破坏性试验汇总表 序号 桥名国别桥型结构实验研究目的 某钢筋混凝土 美国斜板桥研究桥梁劣化对该桥极限承载能力 1 斜板桥的影响；验证了不同理论分析方法 的有效性。 2s m e s t u a 挪威板梁桥 d e sm o i n e s 河 美国单车道桁架桥将当前桥梁设计中的设计和评级过 3 上桁架桥程与这类桥梁的现场实测状态进行 相互联系 s t o n e y c r e e k美国单跨桥梁，由6研究桥梁在极限状态下的荷载横向 桥 根钢梁组成，桥分布形式，研究混凝土桥面板和钢 4 面板与钢梁问梁之间的组合作用的大小 无剪力连接件 1 - 2 9 5 公路1 l #美国三跨连续砼叠 组合精确的数值模型模拟极限荷载 桥合梁桥状态，研究塑性铰出现和分布以及 5 形成塑性铰后荷载重分布情况，并 为未来破坏性试验的设计和实施提 供经验和知识 沪宁高速公路中国预应力混凝土对实桥极限承载能力试验的设计、 6 新兴塘大桥的连续箱梁实施过程中的关键问题进行了系统 北幅上桥研究，形成了“桥梁极限承载能力 锡澄运河大桥中国预应力混凝土 试验指南”，为今后类似试验的设 7 的北幅引桥 简支t 梁桥 计与实施提供了重要指导 荷载试验法具有直观、可靠的特点，是其他方法所不能及的，但不能替代它 检测评定方法，而只能视为获取信息的手段和分析方法的补充。其原因是该法 规模大，试验费用高，时间长，方法难以普及，可能引起结构严重损伤，影响 正常使用。 ( 2 ) 检算法 检算法就是通过对实际板梁结构进行详尽外观调查，并将调查资料结合桥梁 结构理论加以分析和计算，以分析计算结果对带损伤桥梁结构承载力进行评定。 该方法通常基于桥梁设计规范，根据实测材料性能、结构几何尺寸、支承条件、 外观缺陷及通行荷载，按照桥梁结构的设计计算理论来评定承载能力。 检算法有较好的理论基础，符合设计人员的思维，其不尽合理在于设计与 评价之间存在差异性，而且对某些参数的取值在一定程度上还依赖于评价工程 师的经验和判断，主观随意性较大。 4 关于桥梁极限状态的理论分析，国内外许多学者已经做了大量的研究，研究 方法也基本已经成熟。主要的计算模型包括平面或三维弹塑性模型、梁杆一实 体多类型单元组合模型等。这些模型通常过于复杂，不适合工程实用。 早期桥梁极限承载力的计算分析理论是线弹性理论，这对于当时的桥梁计算 理论和桥梁跨度来说，是可以满足工程要求的。但随着桥梁结构跨径的增大， 逐渐发现采用线弹性理论会过高地估计结构的承载能力，是偏于不安全的。因 此，c h a t t e j e e 于1 9 4 8 年首先建立了极限承载力分析的挠度理论，该理论是建 立在结构第二类稳定的基础上，考虑了结构几何非线性对极限荷载的影响。随 后，更为精确的弹塑性分析理论被建立起来，并被运用到桥梁结构极限承载力 分析中去；由于该理论综合考虑了结构几何、材料非线性的影响，因此，采用 该理论计算出的临界荷载能较真实地反映结构的承载能力。目前国内外学者主 要采用材料非线性和几何非线性的耦合的方法进行桥梁极限状态分析，采用修 正的l a g r a n g i a n 列式法进行结构平衡方程的求解。 对于混凝土桥梁，混凝土材料的本构模型较为复杂，目前以弹塑性模型为 主，并同时要求能考虑开裂软化等因素；钢筋本构模型以现行强化弹塑性模型 为主；考虑混凝土与钢筋之间的相互作用主要有完全粘结和粘结滑移两种方法： 对于预应力筋的考虑主要有两种思路：一种是等效荷载法，另外一种是直接建 立预应力筋单元，并在单元上施加设计预加应力。 由于模型试验本身存在着误差，也很难考虑一些既有板梁本身的病害因素， 而检算法也存在较大的主观性，因此研究既有板梁的承载能力最理想的途径就 是进行破坏性试验。但由于试验难度大，成本高，且试验机会较少，因此目前 国内外这方面的研究成果还很少。而公路桥梁承载能力检测评定规程中成 桥荷载试验与专项检测相结合的方法，是在原有桥梁基础上的整桥继续承载能 力的鉴定，而且检算参数多按设计取值，且不能反映单梁静载试验和极限破坏 实验的成果。 1 3 研究的目的、用途和意义 目前由于板梁具有跨越能力较大、结构性能好、施工方便、节省材料、易 实现标准化和工厂化施工、产品质量可靠、施工吊装设备容易解决等优点，在 桥梁建设中，特别是高等级公路中得到广泛应用。 本课题本要依托某路拆除的1 6 0 0 多片2 0 m 预应力混凝土空心板梁，主要对 其承载力的检测与评定方法进行研究，最终提出一套既有空心板梁承载力评定 方法，为其再利用提供决策依据。 这一课题的实施和开展，对于这类桥梁的重建和改建，其原有板梁构件可 以实现再利用，从而可以大大节省工程投资、产生良好的社会效益和经济效益， 与当前我们所倡导的建立集约型社会主题相应，引发较好的社会影响。另外， 对既有预应力空心板梁承载力检测与评定研究对于其他此类构件的桥梁承载力 检测与评估也具有参考价值。 1 4 主要研究内容 1 - 4 1 既有预应力空心板梁病害调查、分析与维修方法研究 既有预应力空心板梁运营使用多年，由于施工因素、荷载作用、自然侵蚀和 人为破坏等因素，都不同程度的存在一些病害，这些病害有的只是表面缺陷， 对结构安全不构成本质危害，有的则是致命损伤，严重威胁到结构的安全使用。 因此，要实现既有预应力空心板梁的再利用，首先必须对其技术状况进行详细 深入的调查，掌握其病害情况和危害程度，分析其病害产生的原因，研究并提 出各类病害的维修方法。 本部分研究内容主要依托某路拆除的1 6 0 0 多片2 0 m 预应力混凝土空心板梁， 采用全面调查和重点监测相结合的方法对既有预应力空心板梁的病害的类型、 表现形式、性质特征、危害程度等情况进行调查，整个调查要做到广泛和深入。 全面调查主要采用目测辅以简单仪器的方法，调查对象宽泛、有代表性；重点 检测则根据全面调查的结果，筛选出一些危害性比较大的重要病害，采用一些 无损检测仪器进行详细和深入的检测。调查结束后，对调查数据进行归纳和统 计，寻找出一般规律。 为了对病害进行维修，以满足再利用的要求，需要对病害成因进行分析，找 出症结所在，做到对症下药，提高维修效果。考虑到病害成因的影响因素很多， 包括：设计、施工、管理等多个方面，因此，本课题拟从多个方面对病害成因 进行分析。在对病害成因分析的基础上，相应地也从设计、施工和管理等不同 层面，对病害的维修措施进行研究，并在研究的基础上提出一套合理、可靠、 高效的维修措施和建议。 ( 1 ) 病害调查 对桥梁病害的调查，首先需进行桥梁病害的分类，可以根据不同的出发点、 不同的研究目的得到不同的分类。比如有按不同结构的缺损程度、按所属结构 性病害和构造性病害等进行分类。本项目病害调查主要通过人工目测，并借助 必要的辅助仪器和设备来实现，如分析病害需要拟配合采用承载力检测试验的 手段，同时从对桥梁结构的承载力、使用性能以及耐久性三个方面，判断其病 害的性质及影响。即将不同病害进行分类调查，归纳共性病害的特征和个性病 害的特点，以系统全面的掌握板梁的病害情况。 ( 2 ) 病害分析 板梁产生病害的原因是多方面的，除了设计、施工( 包括混凝土混合料配 合比、操作等) 可能产生的病害以外，还有使用不当以及养护维修不善等所形 成的病害。本项目将根据桥梁病害调查情况，分析主要病害的成因，从设计、 施工缺陷及外界因素等三大方面进行原因分析。产生原因及常发生部位等一一 6 汇总对应，形成较为典型、具有丰富实例、适用于板梁的主要病害分析。 ( 3 ) 板梁病害预防处治对策的建议 桥梁病害多种多样，他与桥梁自身的强度、刚度、稳定性有关系，同时与 桥梁的自然环境、使用环境也有较大关系。病害发生的部位不同，表现也不一 样，大则影响到桥梁的承载能力，小则会影响行车速度、行车的舒适型，甚至 会导致发生交通事故。现役桥梁病害的及时、有效的整治是确保桥梁安全运营 的重要保证。因此有必要根据板梁的病害调研情况提出针对性的处治建议，同 时从设计、施工、养护管理方面提出预防性措施的建议。主要研究内容有： a ) 总结病害处理、加固的一般情况和方法选用原则； b ) 从设计、施工、养护管理等方面提出病害的预防措施； c ) 针对调研情况，对共性的病害提出处治方法，对一些特殊病害建议做进 一步的专题研究。 1 4 2 既有预应力空心板梁承载力试验研究 既有预应力空心板梁承载力研究最直观的手段就是试验分析，特别是实际 构件的试验研究。本部分研究项目将通过实际构件的现场承载力试验( 破坏性 试验) ，采集构件的分级加载至破坏全过程的应力、挠度、转角、裂缝宽度以及 极限荷载量等数据，结合理论分析，对既有预应力空心板梁再试验全过程中的 力学行为和破坏特征以及正常使用极限状态和承载能力极限状态对应的承载力 进行研究。从而为既有预应力空心板梁承载能力评定研究提供依据。拟定的研 究工作主要包括： 受力全过程板梁结构性能研究 根据实测板梁构件受力全过程的变形、应力和裂缝发展情况，结合理论计 算分析，对不同病害情况下的预应力空心板梁构件的力学性能进行研究，研究 不同病害对结构力学性能的影响，为既有预应力空心板梁承载力评定提供依据。 变形分析与研究：根据荷载一一挠度变化曲线以及挠度演化曲线分析结构 在由开裂、屈服到破坏全过程的变形状况以及结构刚度退化等一系列重要的规 律。同时也可以对结构主要特性参数进行识别，以分析和评定桥梁在