（道路与铁道工程专业论文）钢箱底推法在拱桥加固中的“卸载效用”研究及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 拱桥具有跨越能力大、承载能力高、可就地取材、造价经济、养护维修费 用小、造型美观等特有的技术优势，在国内外得到了广泛的采用。由于自然环 境的影响和人为因素，这些运营几十年甚至上百年的拱桥结构，普遍出现各种 病害，严重削弱了桥梁的承载能力。为确保交通畅通，对这些桥梁进行维修与 加固已是当务之急。与桥梁拆除重建相比，旧桥加固无论是从工程经济还是社 会效益相比都具有较大的优势；因而，对旧桥的加固改造进行研究，在我国有 深远的理论和现实意义。 本文首先对桥梁的检测和各种加固方法都进行了简单的回顾，并综合了其 中几种加固方法，针对拱桥加固提出了一种新的加固法铜箱底推加固法。文 中对该方法的加固机理进行了研究，重点探讨了不同的底推力作下该方法在加 固部分与原结构的卸载协同作用的效果，文中还对施工程序和方法都做了较为 详细的介绍，并在此基础上提出合理的底推力范围；该方法应用在安阳桥加固 工程中效果明显。 最后利用有限元软件a n s y s 对桥梁加固前后进行了实体建模分析，并结合 桥梁检测数据对比研究；通过a n s y s 软件计算分析在施加不同底推力时桥梁的 加固效果。 通过建立有限元模型分析，弥补了传统内力计算带来的不足，为桥梁加固 改造提供较为可靠的定量分析数据，为确定合理的加固方案提供了依据。 采用该方法加固，加固钢拱的重量不会附加到原结构上：加固时也不需要 对原拱肋做较大的处理，所以对原桥基本上不会造成损伤。对钢箱拱施加一定 的底推力相当于卸除原结构部分恒载，对原拱肋应力水平的降低起到了较好的 效果，但过大的底推力不但无利，反而会造成原拱肋的进一步破坏。确定出底 推力的大小是采用该法加固设计的关键。有限元内力分析对确定加固方案具有 指导意义。本桥的工程实践可为同类桥梁的加固提供参考和借鉴。 关键词：加固；拱桥；钢箱拱；卸载效用；底推力 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a r c hb r i d g eh a si t so w nt e c h n i c a la d v a n t a g e sa n di sw i d e l ya d o p t e di nt h e w o r l d i ti ss ow i d e l ya d o p t e db e c a u s eo fi t sg r e a tw e i g h tb e a r i n gc a p a c i t ya n dl o n g s p a no fe a c ha r c h b e s i d e s ，i ti se c n o m i ca n dd o e s n tn e e dt o om u c hm a i n t e n a n c e c o s t s w h a t sm o r e , t h em a t e r i a li se a s yt og e to nt h es p o ta n di ti sg o o d - l o o k i n gi n a p p e a r a n c e h o w e v e r , f o rb o t he n v i r o n m e n t a la n da r t i f i c i a lf a c t o r s ，t h es t n 】c n l r eo f t h e s ea r c hb r i d g e sa r eu n i v e r s a l l yd e s t r o i e dt os o m ee x t e n t , w h i c hh a v eh i s t o r i e so f t e n so fy e a r s ，o re v e nh u n d r e d so fy e a r s a n dt h i sh a ss e v e r e l yw e a k e n e dt h e c a r r y i n gc a p a c i t yo ft h e s eb r i d g e s t h e r e f o r e , i no r d e rt om a k e s u r eo ft h es m o o t h t r a f f i cs y s t e m ，i ti sa nu r g e n ti s s u et or e i n f o r c ea n dm a i n t a i nt h e s eo l db r i d g e s t h e r e i n f o r c e m e n to fo l db r i d g e sh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r ew i t hr e c o n s t r u c t i o n , e i t h e rf r o mt h ea s p e c to fe n g i n e e r i n ge c o n o m yo rs o c i a lb e n e f i t s h e n c e , r e s e a r c h i n g o nt h er e i n f o r c e m e n to fo l db r i d g e si so fg r e a tt h e o r e t i c a la n da c t u r a ls i g n i f i c a n c e t h e p a p e rg e n e r a l l y r e v i e w e dt h em e t h o d so fb r i d g e i n s p e c t i o n a n d r e i n f o r c e m e n ta tf i r s t o nt h eb a s i so fi n t e g r a t i o na n da n a l y s i so fs o m eo fb r i d g e r e i n f o r c e m e n tm e t h o d ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dan e wa r c hb r i d g er e i n f o r c e m e n t m e t h o d ，t h a ti ss t e e lr e i n f o r c e m e n tb o t t o mu pa r c hm e t h o d t h i sp a p e rg i v e sa d e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h et h e o r e t i c a lb a s i s ，c o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n dp r a c t i c e so f t h i sm e t h o d t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ee f f e c to fo f f - l o a d i n ga n dc o o p e r a t i o n 、析t l l d i f f e r e n tb o t t o mt h r u s t ，o nt h eb a s eo ft h a tt h ep a p e rb r i n go u tt h er e a s o n a b l er a n g e o fb o t t o mt h r u s t , a n dt h e n , g i v eo u tt h ee x a m p l eo ff a n g f a nb r i d g ew h i c hw a s r e i n f o r c ei nt h i sm e t h o d f i n a l l y , t h i sp a p e rg i v e sam o d e l i n ga n a l y s i so ft h es i t u a t i o nb e f o r ea n da f t e rt h e r e i n f o r c e m e n t , b ya d o p t i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e c o m b i n e dw i lt h ea n a l y s i s a n dc o m p a r i s o no fi n s p e c t i o nd a t a , t h ep a p e ra n a l y s e st h ei m p a c to fr e i n f o r c e m e n t w h e nt h eb r i d g ei sa p p l i e dt od i f f e r e n tt h r u s t 。 t h ea n a l y s i sm e t h o do ff i n i t ee l e m e n tm e d e l i n go f f s e t st h es h o r t a g eo ft h e t r a d i t i o n a li n t e rf o r c ec o m p u t a t i o n ，p r o v i d e sac r e d i b l eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sd a t af o r 武汉理工大学硕士学位论文 t h er e i n f o r c e m e n ta n dr e c o n s t r u c t i o na n do f f e r saf o u n d a t i o nf o rw o r k i n go u ta s u i t a b l es c h e m ef o rr e i n f o r c e m e n t t l l i sm e t h o da l l o w st h ea d d e ds t e e la r c ht os t a n dw i t h o u ta d d i n gt h ew e i g h to f t h eo r i g i n a ls 咖c t u r e b e s i d e s ，w h e nd o i n gt h ew o r ko fr e i n f o r c e m e n t , o n ed o e sn o t n e e dt oc h a n g eal o to ft h eo r i g i n a ls t u r c u t u r e , s ot h i sw a yo fr e i n f o r c e m e n tw i l ln o t d oa n yh a r mt ot h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo ft h eb r i d g e i n f l i c t i n gs o m et h r u s tt ot h e s t e e l - b o xa r c hm e a l 够t or e m o v ep a r to ft h ed e a dl o a do ft h eo r i g i n a ls t r u c t u r e ，a n d t h i sh e l p st or e d u c et h es t r e s sl e v e lo fp r i m a r ya r c hr i b h o w e v e r , t o om u c ht h r u s t w i l lf u f t h e td a m a g et h ep r i m a r ya r c hr i ba n dd o e sn og o o dt oi t t h u s ，t h ek e y p o i n t i na d o p t i n gt h i sm e t h o di st ow o r ko u tt h el e v e lo ft h r u s t a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p a l y sa i n s t r u c t i v er o l ei nw o r k i n go u tt h el e v e lo ft h r u s t h ep r a c t i c eo ft h i sb r i d g e p r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h er e i n f o r c e m e n to ft h i sk i n do f b r i d g e s k e y w o r d s ：r e i n f o r c e m e n t ；a r c h b r i d g e ；s t e e l - b o xa r c h ；f i n i t ee l e m e n t ；b o t t o m t h r u s t ；o f f - l o a d i n ge f f e t ；a r c hr i b i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工 大学或其它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了谢意 研究生( 签名) ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师c 签名x 夏尹么捆乏日期五伊 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章概述 随着我国经济的发展和重点工程的建设，公路交通量不断增大、重型车辆 的增加、超限运输的出现以及超载现象的日趋严重，公路桥梁负荷日趋严重， 普遍存在桥梁承载力不足的情况，加之旧桥部分老化、破损和受原设计荷载标 准的限制，桥梁的承载能力和通过的车辆荷载之间的矛盾愈来突出。这一情况， 不仅在我国各省市、地区不同程度的存在，在一些发达国家，如美、日、西欧 和北欧等国家，也严重存在i l 圳。 桥梁是确保公路畅通的咽喉，其承载能力和通行能力更是沟通全线的关键。 因此，对桥梁的维修加固和如何提高其承载能力等问题的研究、实验和实践推 广，己成为目前和今后面临的一个紧迫任务。从一些工程实践来看，采用维修 加固方法保持和提高原有桥梁的承载能力，其费用约占新建费用的5 2 0 4 1 。 如安徽省皖南某地一双曲拱桥，由于原桥设计荷载偏低，长期通行重车后损伤 严重，原计划准备投资5 0 万拆老桥建新桥，后采用加大拱肋截面、增加横隔板 等加固措施，仅耗资1 5 万就达到了提高原桥的承载能力。1 9 8 0 年在巴黎和布 鲁塞尔、1 9 8 2 年在华盛顿先后召开的关于旧桥问题的国际专题讨论会议，都充 分表明，各国都视旧桥为宝贵财富，力图通过维修加固予以充分利用。因为大 量重建新桥非但耗用巨额投资和人力、物力，而且还需要很长的时间。而对于 目前我国基本建设的实际国情，除了进行一定数量的新桥建设外，如何充分利 用现有桥梁，对其进行有效的技术改造，是有很大的现实意义。拱桥在我国数 量较多，对其维修加固技术的研究探讨，其意义不言而喻。 在参考国内外相关研究资料、设计规范以及相关文献的基础上，本文首先 对常用的公路桥梁加固方法，如增大梁肋加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维 材料加固法、体外预应力加固法、改变结构体系加固方法等进行了回顾，分别 介绍了各加固方法的加固原理和特点。其次为取得良好的加固效果，将其中一 些加固方法综合起来，形成新的加固方法，即钢箱梁底推加固法，并对这种加 固方法的原理、加固桥梁的构造以及加固后桥梁体系的力学性能进行了较深的 武汉理工大学硕士学位论文 研究。最后结合大型有限元分析软件通过实际工程探讨了用该方法加固钢筋混 凝土拱桥的合理性和有效性。具体做了如下工作： 1 ) 论述了国内外桥梁的现状及病害，阐明了进行桥梁加固方面研究工作的 必要性和紧迫性。 2 ) 分析了桥梁加固机理，并对各加固方法及其加固设计方法进行了分析比 较。 3 ) 针对钢箱梁底推加固法进行了详细的力学分析，探讨其加固原理和有关 构造要求。 4 ) 结合实际工程，对桥梁整体进行加固方案设计，并且用有限元软件a n s y s 对该实际工程项目的加固进行模拟分析，验证了所提加固方法的有效性，得出 了一些具有参考价值的结论，可为实际工程加固提供比选参考。 1 2 拱桥的基本特点及力学特性 拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系。拱桥的特点不仅体现在它 独特的外观上，主要还在于它独特的受力性能上。由力学知识可以知道，一种 梁式结构在竖向荷载作用下，支承处仅仅产生竖向支承反力，而拱式结构在竖 向荷载的作用下，支承处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力。由于这个 水平推力的存在，拱的弯矩将比同等跨径的梁的弯矩小很多，而使整个拱主要 承受压力，这样拱桥不仅可以利用钢、钢筋混凝土等材料来建，而且还可以利 用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建。拱桥的主要组成，也是由 桥跨结构及下部结构两大部分组成。 拱桥的主要优点有口1 ： 1 ) 跨越能力较大。在全世界范围内，钢筋混凝土拱桥目前的最大跨径为 3 9 0 m ，石拱桥为1 5 5 m ，钢拱桥达5 1 8 m ； 2 ) 能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝土梁式桥相比，可以节省大量 的钢材和水泥； 3 ) 耐久性好，而且养护、维修费用少； 4 ) 外形美观； 5 ) 构造较简单，尤其是圬工拱桥，技术容易被掌握，有利于广泛采用。 拱桥的主要缺点是： 1 ) 自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，当采用 2 武汉理工大学硕士学位论文 无铰拱时，对地基条件要求高； 2 ) 拱桥( 尤其是圬工拱桥) 建桥时间较长，需要劳动力多； 3 ) 连续多孔的大、中桥梁为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较 复杂的措施，或设置单向推力墩，增加了造价； 4 ) 与梁式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高，当用于城市立体交叉及平 原区的桥梁时，因桥面标高提高，而使两岸接线工程量增大，或使桥面纵坡增 大，既增大造价又对行车不利。因此也使拱桥的使用范围受到一定的限制； 拱桥虽然存在这些缺点，但是由于它的优点突出，只要在条件许可的情况 下，修建拱桥往往仍是经济合理的，因此在我国公路桥梁建设中，拱桥特别是 圬工拱桥仍得到了广泛的应用。 1 3 拱桥的发展现状及已建钢筋混凝土拱桥存在的问题 1 3 1 拱桥的发展现状 我国造桥历史悠久。直至今天，中华大地上还有成千上万座古桥。或横跨 江河两岸，或耸立于崇山峻岭之间，沟通着道路，装点着锦秀河山。人类架设 桥梁经过了漫长的历史发展过程，并由简单到复杂，由低级到高级。到了近代， 桥梁建设有了长足的发展，无论在功能、技术和外观等哪个方面都取得了巨大 的进步和辉煌的成就。 拱桥最早诞生于我国，是我国广大劳动人民智慧的结晶。其中最具有代表 性的河北省赵县的安济桥，又名赵州桥，在我国一千多年来的交通事业中有着 巨大的贡献。直到现在该石拱桥仍在被使用。我国现存的拱桥中历史最久的就 是它，被美国土木工程师学会评为最悠久的“国际历史土木工程里程碑 并被 誉为是世界建桥史上划时代的创举。拱桥不但适用范围广泛、造型优美、具有 民族特色，而且跨越能力很大；在城市道路桥梁和公路桥梁上均占有特殊的地 位。 1 3 2 已建钢筋混凝土拱桥存在的问题 桥梁损坏的原因是多方面的，主要原因如下： 1 ) 设计标准低，交通发展后车辆荷载增大，经常超载行车，造成桥梁损坏， 以至破坏不能通车； 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 洪水、地震自然灾害和战争，对桥梁的破坏； 3 ) 雨雪冰冻等自然因素侵蚀，引起桥梁的破坏； 4 ) 软土地基沉陷和滑动，引起桥梁的破坏或倒塌。 自五十年代以来，我国在公路和铁路上修建了大量的石拱桥、钢筋混凝土 拱桥和预应力混凝土系杆拱桥，这些桥梁在历史上都发挥重要作用。随着国民 经济的发展，交通量的增加和车辆轴载的加大，有相当一部分拱桥存在着严重 的问题。表现在： 1 ) 混凝土老化、碱一骨料反应、酸侵蚀、氯离子侵入、冻融等； 2 ) 拱座处地基沉降、拱座产生水平和竖向位移以及倾斜转动、甚至开 裂； 3 ) 拱脚混凝土压溃开裂、钢筋局部失稳屈曲崩裂、拱圈拱轴变形、拱 圈出现受拉裂缝以及拱上建筑开裂； 4 ) 支座破损老化生锈、桥面破裂漏筋、伸缩缝堵塞破损； 5 ) 整体性差稳定性差、振动厉害、强度不足、桥面宽度不够等。 如何对旧有的拱桥进行全面和科学的评估，并进行试验检测旧桥的病害以 积累原始数据资料，经过理论计算和实测值的对比分析，提出合理而经济的加 固改善设计方案和具体的技术措施，以少量的资金维修和加固旧桥的局部构件， 设法延长旧桥的使用寿命，发挥其承载潜力，使旧桥适应现代交通运输的发展， 为现代经济建设服务，己成为我们急需研究和探讨的课题【1 4 】。 1 4 桥梁维修加固的特点 桥梁维修加固是在承载能力不足的桥梁上进行一系列的构件补强、体系转 变、卸载等，其施工阶段的计算方法、施工方法都有别于新建桥梁，因此桥梁 加固具有其特有的特点；主要如下面几个方面： 1 ) 维修加固的标准与设计时采用的标准不同 由于旧有建筑物的存在，以及未来使用年限要求不同，桥梁加固或改建的 标准不可能与设计时所采用的标准完全相同。应在保证行车安全的前提下，根 据使用要求和耐久性的具体情况，提出加固或改建的标准。 2 ) 维修加固的难度比新建桥梁大 维修加固桥梁建筑物的工作必须在不妨碍交通的条件下进行，因此，往往 会增加不少困难。即使会使施工产生困难，也必须尽量照顾交通。为此，在桥 4 武汉理工大学硕士学位论文 梁维修加固工作中，应从设计上和施工组织上采取有效措施，尽量减少对交通 的影响。 3 ) 桥梁的维修加固应充分利用原结构 桥梁的维修加固，应在对原结构进行周密、细致检查的基础上，合理利用 原有结构，能不更换原有结构的就不更换，能利用旧桥的就充分利用。 4 ) 桥梁维修加固比新建桥梁有更好的经济效果 桥梁在营运使用过程中，由于某种原因而产生较大损伤，承载能力降低或 者随着交通动输的日益繁忙，桥梁承载能力已不能满足要求。解决旧桥承载能 力不足的问题，通常有两种方法可供选择：一是拆除旧桥后重建和换下全部旧 桥主梁、架设荷载等级高的新梁法；另一种是采用各种加固措施，或采取除加 固措施外，同时对旧桥加以拓宽的加固法。前者施工费时、费力，且造价高， 后者所需费用节约很多，一般仅为建造新桥梁1 1 0 3 1 0 。 5 ) 桥梁维修加固施工更要注意安全 桥梁维修加固施工是在荷载存在的情况下进行的，因此必须保证施工每一 阶段结构的安全。特别是在换填拱上填料和改变结构体系时，由于恒载压力线 跟拱轴线偏离较大，要注意验算拱的强度及稳定性；另外混凝土的修理、凿毛 和拆换部分受力构件，均应做出分析评定。必要时在施工中要加强观测，并采 取有效的安全措施等。 6 ) 桥梁维修加固方法很多是新施工工艺 由于桥梁维修加固工作是一项新出现的技术，许多施工工艺是全新的，因 此，其工艺的可靠性、可行性、合理性、耐久性等必须经过反复的科学试验和 实践论证且需经受时间的考验。只有在车辆的反复作用下，才能充分验证是否 获得了预期成效。通过大量实践，进一步探求其规律，为改进新工艺奠定基础。 1 5 桥梁检测概述 随着桥梁建成投入使用一段时间后，由于结构材料的自然老化、车辆荷载 的不断增加、日益恶化的环境影响以及养护维修资金缺乏，相当一部分桥梁不 可避免地出现各种损伤和缺陷，这些都将导致结构承载能力下降、结构性能劣 化、耐久性降低；因此，人们往往通过桥梁检测了解和掌握桥梁的实际运营状 况，从而避免桥梁失效和倒塌事件。 桥梁工程的发展中，桥梁试验也起到了同样重要的作用。大量的试验研究， 成为促进桥梁结构设计计算理论、设计方法不断发展的重要因素之一。桥梁试 5 武汉理工大学硕士学位论文 验是对桥梁原型结构或桥梁模型结构直接进行的科学试验工作，包括试验准备、 理论计算、现场试验、分析整理等内容的一系列工作。桥梁原型试验也称之为 桥梁检测，其目的是通过试验，掌握桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状 态，判定桥梁结构的承载能力和使用条件，检验设计与施工质量；桥梁模型试 验的目的是研究结构的受力行为，探索结构应力、应变的内在规律，为设计施 工服务。随着交通事业的蓬勃发展，新结构、新材料、新工艺的不断涌现，桥 梁工程的试验技术日益受到人们的重视，并不断得到发展和提高。桥梁试验的 任务主要包括以下几个方面p 】。 1 ) 确定新建桥梁结构的承载能力和使用条件。对于重要的桥梁结构在建成 竣工后，通过桥梁试验考察该桥的施工质量与结构性能，判定桥梁结构的实际 承载能力，为竣工验收、投入运营提供科学的依据。对于新型或复杂的桥梁结 构，通过系统的桥梁试验，可以掌握结构在荷载作用下的实际受力状态，探索 结构受力行为的一般规律，为充实和发展桥梁结构的设计计算理论积累科学的 资料。 2 ) 评估既有桥梁的使用性能与承载能力。对于既有桥梁结构在运营期间， 因受水害、地震等自然灾害而损伤，或因设计施工不当而产生严重缺陷，或因 使用荷载大幅度增长而严重超过设计荷载等级，通常通过桥梁试验来评估既有 桥梁的使用性能与承载能力，为既有桥梁养护、加固、改建或限载对策提供科 学的依据。这对于缺乏完整技术资料的既有桥梁更为必要。 3 ) 研究结构( 构件) 的受力行为，总结结构受力行为的一般规律。随着桥梁 工程的不断发展，新结构、新材料、新工艺的推广应用，原有的规范、规程往 往不能适应工程实践的要求。为了修改、完善既有的规范、规程，指导设计与 施工工作，就需要进行大量的研究性试验。 桥梁结构检测，是在桥梁经常检查的基础上，进一步准确确定桥梁技术状 况，由专业技术人员使用专门检测仪器设备，应用无破损检测等测试手段对桥 梁进行全面检测、测强和探伤，从而找出损坏的原因、程度和范围，分析损坏 所造成的后果以及潜在缺陷可能给桥梁结构带来的危险，为评定桥梁的耐久性 和承载能力、确定维修工程的实施方案等提供依据。桥梁结构检测从方法上可 以分为静载试验、动载试验、无损检测与长期监控测试四个方面。桥梁静载试 验是按照预定的试验目的与试验方案，将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置 上，观测桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量的试验项目，然后根据 有关规范和规程的指标，判断桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力。 6 武汉理工大学硕士学位论文 桥梁动载试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有 频率、阻力比、振型、动力冲击系数、行车响应等参量，从而判断桥梁结构的 整体刚度、行车性能。混凝土的无损检测技术，是指在不影响结构构件受力性 能或其它使用功能的前提下，直接在构件上通过测定某些适当的物理量，推定 混凝土的强度、均匀性、连续性、耐久性等一系列性能的检测技术。桥梁结构 在长期的使用过程中；由于各种因素的影响，其内力( 应力) 会发生变化，基础 会产生沉降或变位，桥梁的线形也会发生改变，这些变化甚至会影响桥梁结构 的安全使用，因此建立桥梁的长期监控测试系统是非常必要的。桥梁结构的长 期监测是指针对桥梁的某些几何变量，在一个较长的时间段内按照预定计划进 行若干次测量、比较、分析的过程，从而为桥梁的管理与维护决策提供科学依 据。 桥梁结构状态检测也分为局部检测和整体检测两种。局部检测是对桥梁需 要重点了解的部位进行细查，目的是搞清结构局部的物理、力学和构造特性或 实际状态：整体检测则是从全局上把握结构的实际状态。无论局部检测还是整体 检测，从方法上都可以分为表观检测和仪器检测两种。表观检测方法是桥梁结 构状态检测的一个十分重要的手段，它通过人的观察对结构的外在状态进行调 查。这种方法易于发现比较明显的结构缺陷，如裂缝、焊接缺陷等症状，对一 些要结构的内部损伤和不易观察部位的损伤却难以发现。仪器检测又包括了局 部检测方法、桥梁静载试验和桥梁动载试验。它借助各种技术和仪器，如x 射 线、超声波、显微镜、声学及光学仪器对桥梁结构进行有效检测。 一般情况下进行公路桥梁结构检测的流程可分为三个阶段，即准备规划阶 段、加载和观测阶段和分析总结阶段。准备规划阶段包括接受委托、收集资料、 现场勘察以及编制桥梁检测方案四项内容，是桥梁检测顺利进行的必要条件。 加载和观测阶段是整个检测工作的中心环节，这一阶段的主要工作是设备安装 和数据采集。分析总结阶段，即根据外业采集的数据，进行统计分析和计算， 并编写桥梁检测报告。对桥梁的检测要由表及里、由浅入深地进行，才能全面 了解和判断桥梁的实际工作状况，为桥梁的日常养护和加固维修提供科学的依 据。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 拱桥荷载试验 1 6 1 荷载试验的目的 拱桥桥梁结构荷载试验就是对桥梁结构物进行直接加载测试的一项科学试 验工作，其目的是通过荷载试验，了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作 状态，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评价桥梁的营运质量。对于一些在 理论上难以计算的部位，通过荷载试验可达到直接了解其受力状态的目的；通 过荷载试验常常有助于发现在一般性检查中难以发现的隐蔽病害：通过荷载试 验可以检验桥梁结构的设计与施工质量；通过荷载试验可以确定旧桥结构实际 的承载能力，为制定桥梁加固或改建技术方案提供依据。此外，通过对新建桥 梁结构的竣工荷载试验以及针对性很强的研究性试验，则可为发展桥梁设计理 论和提高施工工艺水平，不断地积累技术数据并提供科学依据。桥梁荷载试验 是新型桥梁结构性能研究、各类桥梁施工质量与结构承载能力评定工作的重要 手段，普及桥梁荷载试验技术，搞好试验工作并作出桥梁结构性能的正确评定， 对于推动我国桥梁建设，提高桥梁工程质量，挖掘服役桥梁承载潜能，都具有 十分重要的意义。 1 6 2 荷载试验的任务 桥梁荷载试验的任务是根据试验的目的和要求来确定的。一般来说桥梁荷 载试验的主要任务是： 1 ) 确定桥梁结构承载能力及营运条件 ( 1 ) 对于重要的桥梁结构，除在设计阶段进行必要项目的试验研究外，通 常在桥梁建成竣工后，通过荷载试验来鉴定桥梁结构的质量和营运条件，分析 判断桥梁的实际承载能力。 ( 2 ) 对于需改建或加固的桥梁，通过荷载试验可进一步提供桥梁改造技术 依据，尤其是对于缺少技术资料的旧桥更为重要。 ( 3 ) 对于新型桥梁及运用新材料、新工艺的复杂桥梁结构，通过系统的荷 载试验，可以了解和掌握结构在荷载作用下的实际受力状态，验证结构计算图 式，并探索具有普遍意义的规律，为充实和发展桥梁结构的计算理论和施工工 武汉理工大学硕士学位论文 艺积累科学资料。 2 ) 分析桥梁病害原因及其变化规律 对于遭受到洪水、冰冻、地震、撞击、河床挖坑或冲刷而损伤的桥梁结构 或使用期间发现有严重缺陷，如过大变形或裂缝等，常通过桥梁荷载进行综合 分析研究，提出合理的整治方案和养护措施。 3 ) 检验桥梁结构的内在质量 对新型桥梁或加固、改建桥梁进行竣工验收鉴定，以对桥梁结构整体受力 性能是否达到设计文件和规范标准的要求作出评价，检验预期的设计效果。 1 6 3 荷载试验的内容 根据试验荷载的作用性质，桥梁荷载试验可分为静载试验和动载试验。桥 梁结构的静载试验和动载试验，虽然在试验目的和内容上都很不相同。但对承 受以车辆荷载为主的桥梁结构来说，这两种性质的荷载试验对于全面分析和了 解桥梁结构的工作状态是同样重要的。静载试验可在结构上布置较多的测点， 便于更全面的分析结构的受力情况。动载试验则是研究分析桥梁结构在车辆荷 载和其他动力荷载作用下的振动特性所必须的。 在桥梁动载试验中，按作用方式可将动力荷载分为冲击荷载、振动荷载和 制动荷载。在试验中可根据试验的具体要求来选择荷载方式。 1 6 4 荷载试验要点 拱式桥梁是有水平推力的桥型结构，其主要承载结构主拱圈( 或主拱肋、拱 片等) ，在恒载作用下一般仅承受轴向力，在外荷载作用下还将承受弯矩和剪力。 由于拱桥系超静定结构，受力复杂，当在外荷载作用及温度、墩台位移和 其他构造等原因影响下出现开裂时，轻者出现截面应力重分布，重者可随裂缝 开展形成结构体系转换，结构内力重分布。如无铰拱开裂后，有可能形成一铰 拱峥二铰拱一) 三铰拱，直至四铰拱破坏。加之，拱上建筑的联合作用，连拱作 用的影响等，难以像梁式桥那样，简单地以计算和实际情况直观类比法评定其 承载能力，成为当前国内外桥梁界研究的主要攻关课题。 所以拱式桥梁荷载试验目的就是希望通过对实桥进行加载、测试，以达到 9 武汉理工大学硕士学位论文 摸清桥梁结构地实际工作状态和动力特性；通过实测各控制截面的应力和变形 ( 挠度) ，并与相应的理论检算值相比较，进而分析与判断桥梁结构的安全承载 能力和使用条件。因此拱式桥梁的荷载试验一般要点为： 1 ) 首先是分析和掌握需要进行荷载试验的实际拱式桥梁的结构和受力特 点； 2 ) 对实桥进行现场勘察和详细的结构检测； 3 ) 根据不同桥型确定主拱圈和拱上建筑的控制截面； 4 ) 明确需要实测的截面参数：应力( 应变) 、挠度( 变形) 、墩台的变位等； 5 ) 对需要进行试验的拱桥进行结构分析和理论值检算； 6 ) 对实桥进行加载试验，测取既定的各种实测参数； 7 ) 将试验实测参数与理论检算值进行对比分析； 8 ) 根据以上结果对实桥实际工作状况进行评定，并综合分析与判断桥梁结 构的安全承载能力、动力性能和使用条件。 1 7 拱桥静载试验 静荷载实验法瞳，即在桥梁上加上实际荷载来评价桥梁承载力的方法， 是目前国内外采用最多的方法；此法被认为是比较成熟的，且能够正确的反映 桥梁的静态承载力。静荷载试验法有几种情况，一是按照桥规 给定的标准 荷载( 如汽- 2 0 或挂- 1 0 0 等) 对实桥施加静载，测得挠度厂、裂缝万、应变g 、 横向分布系数，7 及根据实测值换算的结构刚度日与理论值进行比较，符合要求 则被认为结构抗力能满足相应荷载效应的要求，结构处于安全工作状态：反之 需要做加固或进行必要的技术处理，这种方法多用于新桥验收使用，看其是否 满足设计荷载要求，如能满足要求便认为此桥合格，至于它尚有多少潜力，这 不是评估所关心的。二是在不进行桥梁破坏的状态下，确定其最大的承载力， 在第一种方法的基础上，按结构外荷载与产生的厂、g 等影响应呈线性关系的 弹性工作原理，绘制p 厂、p g 、p 万曲线，从而外推算出该桥的承载 力，当然这种承载力的准确性取决于外推曲线的正确性，此种方法多用于在普 通桥梁因特殊原因要过超载车辆时的评估，以确定能否通过大型车辆。三是对 一些废弃或即将拆除的旧桥进行试验，此种试验纯属研究性质的，它采取的方 法是破坏性加载试验，在桥下先安装好防护装置，然后逐级加载测试，直至破 坏，从而得到科学实验的数据，此种试验属破坏性的实验。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 1 静载试验的具体测定内容 静载试验的具体测定内容担7 砑1 1 ) 静应变测试结构的静态应变量，从而推算结构截面的应力分布、杆件 的实际内力与次应力，确定桥梁结构裂缝的开展情况和中性轴位置、混凝土和 钢筋共同作用情况。试验结构的断面内力( 弯矩、轴向力、剪力、扭矩) 和断面 应力分布，一般都是通过应变测定来反映的，正确的测定应变值，对于结构受 力状态的正确分析是非常重要的。常通过在受力部位布设电阻应变片，在加载 过程中用静态应变仪进行数据采集。应变测量常分如下两种情况。 ( 1 ) 当桥梁结构主应力方向已知时，且结构处于线弹性工作状态时。对单 向应力状态有以下关系： 口：e ( 卜1 ) 对平面应力状态则有： e o l 2 f 丁( s l + 惯2 ) f o 22 南( 占：+ 惯) 测试过程中荷载应变关系表现为如下几种状态( 如下图i - 1 ) 对于承受弯矩作用的结构，沿其截面均匀布置应变片， 区与受压区的相对分布情况如图卜2 所示。 pp 线性状态非线性状态 p 图卜1 荷载一应变状态示意图 ( i - 2 ) ( i - 3 ) 以了解结构承受拉 非线性卸载状态 武汉理工大学硕+ 学位论文 上缘( 受压) 应变片( 沿截面均匀布置)下缘( 受拉) 图1 - 2 应变片布置图 ( 2 ) 当桥梁结构主应力方向未知时 这种情况是经常遇到的，如在受弯构件中正应力和剪应力共同作用的区域， 或截面形状不规则或者有突变的位置。这种情况应变片布置应采用应变花方式， 布置如图1 - 3 。 图卜3 应变花测试布置示意图 此时主应力o 及剪应力t 采用下式计算： 盯m i l l = i e ( 喾击瓜再矿而) ( 1 4 ) r 一= 志瓜忑丙万丽 ( 1 - 5 ) 第一应变片与最大主应力夹角为： 缈= 等芋 m 6 ) 此外，还可采用等边三角形等应变花形式，计算公式应作相应变化。 2 ) 静位移测试竖向静态位移量( 挠度) 、水平静态位移量( 拱脚位移等) 。 位移测定主要是指桥梁挠度及其变形曲线的测定。以便能测出挠曲变形的 特征曲线。在桥梁结构设计中的荷载横向分布系数往往是以测定桥梁横断面各 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 梁挠度的方法推算出来的。 横向分布系数是确定桥梁整体工作性能的重要参数，通过对桥梁跨中横断 面各主拱挠度的测定，按照荷载横向分布的概念，运用变位互等定理，即可计 算并绘出实测的任一主拱的荷载分布影响线。见图1 - 4 。 p i i i y 一 图1 - 4 横向变形分布示意图 当桥梁向各主拱圈断面尺寸相同时，横向分布系数可由下式得到： ”轰 m 7 ) 横向分布系数相差越小，桥梁结构整体工作性能越好，反之则较差。 3 ) 裂缝观测 加载后在受拉区及时发现第一条裂缝是十分重要的。经验表明，即使将构 件表面粉刷，用肉眼来观察裂缝的出现也是不可靠的。为此，采用应变测量仪 进行测定。测试时，应在结构内力最大受拉区，沿受力方向连续布置应变片， 如图1 - 5 所示。 三i i _ 了_ 应变片 图1 - 4 裂缝测试应变片布置示意图 在裂缝没有出现前，应变测试数据是有规律的。若在某级荷载下开裂，则 跨越裂缝的应变片的应变数值骤增，而相邻的应变片的应变数值由于应力释放 武汉理工大学硕士学位论文 而减小，甚至出现负值。如图卜6 所示。 d 1 7 2 数据分析 d 跨越裂缝应变片相邻裂缝应变片 图卜6 结构开裂时的荷载一应变状态 静载试验数据整理分析的主要内容包括结构的位移( 挠度及墩台支座的沉 陷) ，构件截面内力( 截面纤维应变，并由应变计算应力、轴力及弯矩) ，以及构 件裂缝发展情况等。 1 ) 挠度的计算 从偏于安全考虑，拱顶各点挠度一般可采用实测挠度值。如考虑墩台下沉 因素影响时，可对实测的挠度值加以修正，从而得到结构受到荷载作用后的真 正挠度。测量时，拱顶及拱脚处各布置一个挠度计，分别测得跨中挠度z ，拱 脚位移值五、六消除拱脚位移影响后的跨中实测挠度值则为： z ：z 一华 ( 1 - 8 ) 二 2 ) 弹性构件截面内力的计算 ( 1 ) 由各测点实测的应变求应力，可由下式求得： 盯= e 6( 1 - 9 ) 式中：e 一实测应变： e 一材料弹性模量。 钢材的弹性模量e g 一般可根据规定选取；混泥土的弹性模量，由于长期自 然养生的影响，混泥土的标号发生了变化，一般可以按如下两种方法测定： a 用回弹仪测试出混凝土实际标号后，查表折算出混凝土的弹性模量； b 测出跨中挠度，根据截面内力特性，按有关挠度公式，反算出混凝土的 弹性模量。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 压弯( 拉弯) 构件截面内力的计算 以轴向力为主的压弯( 或拉弯) 构件，布置在其对称截面上的上下测点的应 变符号相同，根据构件断面应变图可按下式算出实测轴力和弯矩： = 竽( 轧y 下+ 6 t y 上) ( 1 - 1 0 ) f ， m = 兰 ( 占下一se ) ( 1 1 1 ) 厅 式中：s 、s 下一被测截面上、下边缘的实测应变值； yt 、y v - 被测截面上、下边缘的测点与截面中和轴的距离； 彳一被测截面面积； j 一被测截面惯性矩； j i l 一上、下测点之间的距离。即h = ye - f y 下，当上、下测点布置在截面 上、下纤维边缘时，h 即为截面高度。 1 7 3 桥梁承载能力及工作情况评赳3 0 】 1 ) 实测结构校验系数刀 试验的实测值与理论计算的应力或变形值之比，称为实测结构校验系数， 它反映结构的实际工作状态。对于应力则： ，7 戍力= 杆件实测轴向力杆件理论轴向力，或 叩内力= 截面实测竖向弯曲应力截面理论竖向弯曲应力 对于拱顶挠度与拱脚位移，则： 度= 实测跨中挠度理论跨中挠度 刁支座位移= 实测支座位移理论支座位移 实测结构校验系数r 是一个重要的评定指标，可以从中判定桥梁结构的承 载能力和工作状况。 当刁l 时，说明理论计算偏于安全，结构仍有一定的安全储备。这种情 况说明桥梁结构的工作状况良好。当刁 l 时，则说明桥梁设计不合理，不经济。 对于公路桥梁，在正常情况下，其叩值随着钢筋应力、混凝土上翼应力和挠度 的不同而所不同，也随着结构型式的不同而有所不同，需要在调查试验研究的 基础上，分别评定指标。 2 ) 实测最大应力 在试验荷载( 即等于或接近于标准荷载) 作用下，桥梁结构测得的最大应力 武汉理工大学硕士学位论文 值，在考虑冲击系数并加上恒载应力后，与材料的容许应力相比较，这也是判 断结构工作状况的指标之一。 3 ) 实际安全系数 如果对桥梁结构进行破坏试验，则实际的破坏荷载与试验检定荷载的比值， 即为桥梁的实际安全系数。 4 ) 裂缝宽度 在试验荷载作用下裂缝宽度的评定，一般要按设计规范所规定的允许值进 行分析。 1 8 本文研究的主要内容 拱桥的维修加固是一个复杂的工程，并有着较大的现实意义。本文在导师 的指导下，结合湖北大悟县安阳镇的安阳桥的工程实际情况，采用大型有限元 分析软件a n s y s