（机械制造及其自动化专业论文）有限元分析在旧钢筋混凝土拱桥加固中的应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 目前拱桥在我国的桥梁中占有很大的比例，有大量的旧拱桥需要进行加固改 造，其中不乏重要路段的大跨度拱桥。由于我国桥梁建设资金有限，所以桥梁工 作者必须采取有效措施，在满足工程安全性的前提下，充分利用现有结构的剩余 寿命，对现役桥梁结构的健康状态及经济使用寿命进行适时评估并给出科学、合 理的修复加固方案。本文以黄泊河大桥为研究对象，首先对全桥进行普查并进行 荷载实验，查看该桥梁是否满足设计载荷运营要求，同时该桥主拱圈在静载试验 时各测点截面的应力和挠度分布规律进行分析研究。通过桥梁结构的静载试验， 可以检验桥梁的整体受力性能和评价桥梁结构的实际承载能力，它是各类桥梁施 工质量控制和评定工作的重要手段。然后应用有限元分析软件a n s y s 对钢筋混凝土 拱桥的内力和变形进行了仿真分析，并同四种加载工况以及加固前后计算结果进 行比较比较，计算结果与实测值较为接近，从而验证了使用有限元分析的可行性 和加固方案的合理性，为科学地评价桥梁的受力性能和桥梁加固方案理论依据， 对今后旧桥的空间有限元分析具有借鉴意义。 关键词：钢筋混凝士拱桥，有限元分析，热分析，非线性分析 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n tt h er ca r c hb r i d g eh o l d st h ev e r yg r e a tp r o p o r t i o ni no u rc o u n t r y s b r i d g e al o to fo l da r c hb r i d g e sn e e dt ob er e i n f o r c e d ，i n c l u d i n gt h el a r g e s p a na r c h b r i d g e si ns o m ei m p o r t a n tr o a ds e c t i o n s b e c a u s et h en a t i o n a lc o n s t r u c t i o nf u n di s i n s u f f i c i e n t ，u n d e rt h es e c u r ep r e m i s eo fs t r u c t u r e ，t h ee f f e c t i v em e a s u r e sw e r et a k e n b ym a k i n gg o o du s eo ft h er e s i d u a ll i f eo fe x i s t i n gs e c u r et oe v a l u a t i o no ft h eh e a l t h a n de c o n o m i cl i f co fs e r v i n gb r i d g es t r u c t a r e t h es c i e n t i f i c a l l y , t h er e a s o n a b l er e p a i r r e i n f o r c e m e n tp l a l lw i l lb ed y e n i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h es t u d yo fh u a n g1 3 0r i v e r b r i d g e ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r kw a sc a r r i e do n ：f i r s t ，t h eg e n e r a ls u r v e yt ot h e e n t i r eb r i d g ea n dt h e1 0 a de x p e r i m e n t sw e r ed o n et om a k es u r ew h e t h e ri tc a nm e e tt h e d e s i g no fl o a do p e r a t i o n t h ed i s t r i 、b u t i o nr u l eo ft h ed e f l e c t i o na n dt h es t r e s so f c r o s s - s e c t i o nm e a s u r i n gp o i n t sw e r eo b t a i n e di nt h es t a t i cl o a dt e s to ft h em a i na r c h t h r o u g ht h es t a t i cl o a dt e s to ft h eb r i d g es t r u c t u r e ，t h eo v e r a l ls t r e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h e b r i d g ew i l lb ee x a m i n e da n dt h ea c t u a lb c a r i n gc a p a c i t yo ft h eb r i d g es t r u e t u r ew i l lb e a p p r a i s e d i ti s t h ei m p o r t a n tm e t h o df o rt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o la n dt h e e v a l u a t i o nw o r ko fe a c hk i n do fb r i d g e s e c o n db ya n s y ss o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o n a n a l y s i so ft h ed e f i e c t i o na n dt h es t r e s sh a sb e e nc a r d e do ni nt h er e i n f o r e e dc o n c r e t e a r c h e db r i d g e t h e nc o m p a r e dt h er e s u l t sb e f o r er e i n f o r c e m e n tw i t ht h et e s tr e s u l t sa f t e r r e i n f o f c e m e n ti nf o u rc a s e s ，t h er e s u l l so fc o m p u t a t i o na n dt h er e s u l t so fl o a d i n gt e s ta r e a c c o r d a n tv e r yw e l l s oi ti sf e a s i b l et ou s er e as o f t w a r ea n s y sa n dt h er e p a i r r e i n f o r c e m e n tp l a ni sr e a s o n a b l e ，i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o re v a l u a t i n gt h ef o r o e c a p a b i l i t ya n dt h er e p a i rr e i n f o r c e m e n tp l a no ft h eb r i d g e t h er e s u l ti nt h ep a p e ri s u s e f u lf o rr e f e r c n c et ot h eb r i d g et h a tw i l lb er e c o n s t r u c t e di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：r c a r c hb r i d g e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e r m a la n a l y s i s ，n o n l i n e a r a n a l y s i s 佩嘉亡工誊火罄 学位论文原创一t , t 声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：翘宴争为象_ 日期：纠叩年6 月i 干日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，l p ：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：箍移) 拄 日期：叮年月i 牛日 指导教师签名：闼坌救 日期：解6 月阡日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 我国拱桥发展过程和现状 在我国公路桥梁系列中，拱桥作为一种古老的桥式以其跨越能力大、承载能 力高、可用地方材料、造价经济，养护维修费用少、造型美观等特有的技术优势 而成为建筑历史最悠久、竞争力较强，并且常盛不衰，不断发展的桥梁形式。据 统计，中国已建单跨l o o m 以上的拱桥1 1 5 座之多。拱桥仍是我国公路桥梁大跨度 桥梁的主要桥型之一。我国公路拱桥的发展，可粗略地分为四个阶段： 第一阶段是5 0 年代n 6 0 年代中绝大多数是中小石拱桥，当时也研究过片石 混凝土拱桥等，但未能推广。最大跨度拱桥是1 9 6 1 年建成的云南南盘江上的长虹 桥( 单跨1 1 2 5 m 空胶式石拱桥) 。 第二阶段是6 0 年代中至7 0 年代，主导桥型是低配筋双曲拱桥。由于双曲拱桥 耗用钢材少，施工中能化整为零，需要起重设备少，易于当时搞群众运动，因而 得到飞速发展。当时也研究过中小跨径混凝土预制块拱、二铰拱等少筋拱桥。最 大跨度是1 9 6 8 年建成的河南嵩县前河大桥( 跨度1 5 0 m ，双曲拱桥) 。 第三阶段是7 0 年代末到8 0 年代，主导桥型是大中跨预制钢筋混凝土箱( 肋) 型拱桥。采用无支架吊装架设法建成的最大跨度是四川宜宾马鸣溪大桥( 1 9 7 9 年 建成，跨度1 5 0 m ) ，采用支架法建成的最大跨度是四川攀枝花市宝鼎大桥( 1 9 8 2 年建成，跨度1 7 0 l f l ) 。在这个时期，国外钢筋混凝土拱桥的最大跨度已达3 9 0 m ( 南 斯拉夫克尔克i 桥k r ki ，1 9 8 0 年建成) 。 第四阶段以1 9 9 0 年建成的四川宜宾南门金沙江大桥为标志。该桥系中承式劲 性骨架混凝土肋拱桥，跨度2 4 嘶。居当时中承式拱桥世界第一。宜宾桥采用劲性 骨架成拱，悬挂模板，现浇拱肋混凝土，大大减轻了吊装架设重量，保证了成拱 安全度。浇注过程中，采用水箱加载调整应力和变形，大大节省了钢材，应用现 代电算技术和电测手段进行施工仿真计算和施工监控，使拱桥施工决策走向了科 学化。所取得的设计施工经验和科研成果，极大地推动了我国超大跨拱桥技术进 步。在随后的几年中我国几十座跨度1 0 0 m 以上的拱桥相继建成。1 9 9 6 年建成 的广西邕宁邕江大桥跨度选3 1 2 m ，把中承式劲性骨架混凝土拱桥世界记录提高了 7 2 m 。该桥采用于斤顶斜拉扣挂悬拼架设法悬拼劲性骨拱桁架、浇注拱肋混凝土、 调整施工应力和变形，比水箱法更安全稳妥。四川力 县长江大桥也是劲性骨架混 凝土拱桥，该桥跨度4 2 0 m ，把上承式拱桥的世界记录由南斯拉夫k r ki 大桥的3 9 0 m 湖北工业大学硕士学位论文 提高了3 0 m 。在此期间，1 9 9 5 年贵州省建成了跨度3 3 0 m 的江界河大桥，居预应力 桁架拱桥世界第一。1 9 9 5 年广东省建成了跨度2 0 0 m 的南海三山西中承钢管混凝 十拱桥、居钢管混凝土拱桥世界第一。1 9 9 1 年湖南风凰县建成跨度1 2 0 m 的鸟巢 河大桥，居石拱桥世界第一这些跨度记录和取得的设计施工经验及科研成果说 明。目前，我国拱桥已面跃居世界拱桥先进行列。 近3 0 年来，我国的路网建设经历了从起步到大发展的阶段，肯定成绩的同时 也应该看到，数以千计的旧桥，或因设计荷载标准过低，或因大量重车超载过载， 或因年久失修、失养，其安全性正逐步下降，亟待进行维修加固。目前有较多的 文献研究关于旧桥的维修加固工作，但大都仅限于病害分析和工程技术措施的研 究。对于旧桥梁现有状态的内力、变形和剩余承载力估计进行定量分析的研究鲜 有报道，而这恰恰是对旧桥进行加固改造的首要条件。拱桥在我国的桥梁中占有 很大的比例，有大量的旧拱桥需要进行加固改造，其中不乏重要路段的大跨度拱 桥，而拱桥的维修加固工作又有着不同于其他桥型的特点。由于国家建设资金有 限，必须采取有效措施，在满足工程安全性的前提下，充分利用现有结构的剩余 寿命。对现役桥梁结构的健康状态及经济使用寿命进行适时评估并给出科学、合 理的修复加固方案。 1 2 我国拱桥的主要结构型式 ( 1 ) 石拱桥：是我国修建最早，类型有肋拱、板拱等。 ( 2 ) 钢拱桥：我国在9 0 年代后期发展为世界最大产钢国以前，钢材相对不多，钢 拱桥也修建较少。跨度最大的公路钢拱桥是四川攀枝花市3 0 0 3 桥，跨度为 1 8 1 m ( 1 9 6 9 年) 。 ( 3 ) 混凝土拱桥：类型有箱形拱、桁架拱、板拱、肋拱、刚架拱、桁式组合拱、 双曲拱、系杆拱、中承式拱、钢管混凝土拱等。其中不少桥型已居世界先进 水平。 1 3 我国拱桥的施工方法 施工方法【1 1 是大跨径拱桥最关键的技术，无支架施工是大跨径拱桥的发展方 向，目前我国拱桥主要施工方法有： 1 3 1 缆索吊装法 缆索吊装施工方法是我国修建大跨度拱桥的主要方法之一。也就是用塔架， 2 湖北工业大学硕士学位论文 缆索和扣索扣挂悬臂拱段，直至合拢。我国般采用3 7 段悬拼，个别多到1 l 段，而且广泛用于多孔。四川宜宾马鸣溪金沙江大桥，为净跨1 5 0 m 钢筋混凝土箱 拱，分5 段吊装，块件重达7 0 吨。福建南平玉屏山大桥，净跨l o o m 肋拱，分5 段吊 装，块件重达5 9 1 吨。四j i l 县长江大桥( l = 4 2 0 m ) 也采用缆索吊装，分1 1 段，段 长4 0 m ，吊重5 0 余吨。 1 3 2 转体施工法 半跨拱圈现场浇注，绕拱座作水平或竖直旋转合拢。其中平转施工拱桥是我 国独创。转体施工法近几年在我国发展很快，被广泛用于拱桥施工中，且有所发 展。如：三峡对外公路卜的黄柏河、下牢溪大桥为有平衡重的平转法，转体总重 达3 5 0 0 吨和3 6 0 0 吨，转体重量为目前最大吨位，箕转动球铰采用、下两个经过精 密压旋加工的半球型钢板。河南安阳文峰路立交桥在桥轴线反方向预制，竖转到 要求标商后，再平转1 8 0 度合拢。 1 3 3 悬臂桁架法 将拱圈、立柱、临时或永久的斜拉杆和上弦杆组成的桁架，悬臂施工直至合 拢。我国主要用于组合桁拱，均采用悬拼，不需摇时杆件，但要用临时预应力筋。 跨径3 3 0 m 的江界河桥用钢人字桅杆作吊机，最大吊重1 2 0 吨。 1 3 4 刚性骨架和半刚性骨架法 用型钢做成拱形骨架，围绕骨架浇注混凝土，形成拱桥。我国很少采用烈性 骨架法，主要采用半刚性骨架，一般骨架合拢成拱后，分底、腹、顶板三层，自 拱脚向拱顶浇注混凝土，为防止骨架失稳，需在拱顶区段压重，随混凝土浇注至 拱顶区段而逐步卸载。万县长江大桥和邕宁邕江大桥，用半刚性骨架法施工，但 其骨架角隅，加直径4 0 c m 的钢管，骨架合拢后，管内混凝土以加大骨架刚度。 万县长江大桥采取了把每层混凝土分成6 段，对称并同时浇筑，使骨架下挠均匀， 避免了一般自拱脚向拱顶浇筑时反复变形较大、拱顶部位需压重及预拱度呈马鞍 形等不利因素，是该法的一次重大改进。 1 3 5 拱架施工法 我国主要利用贝雷架，在上弦加些小杆件形成贝雷拱架，进行施工。如：湖 3 湖北工业大学硕士学位论文 南用单层贝雷拱架，并用斜拉索扣挂加劲，拼装建成跨径1 3 3 m 的缆子湾沅水大桥。 综上所述可知，目前我国有许多先进且切实可行的施工方法，况且已形成了 一套有自己特色的拱桥无支架施工方法即是以缆索吊装为主，结合转体施工法、 半刚性骨架法及悬臂桁架法。当然，还须进一步发展和完善。 1 4 我国拱桥的发展方向 1 4 。1 圈的轻拱型化 拱圈轻型化，可减轻对吊装能力的需求，节省上、下部构造工程量，节省造 价。我国箱形拱，受吊重的限制，腹板多而厚，其体积可占主拱圈的2 0 2 5 ， 而腹板所受力较小。因此拱圈轻型化除减薄板件厚度外，还向宽箱，少箱发展， 以减少腹扳体积，出现了双箱加顶、底板形成三室箱的拱圈，也出现了向肋拱发 展的趋势，或用箱肋，工用矩形肋甚至工字形肋。拱圈的轻型化，对设计和施工 也提出了更严的要求： ( 1 ) 设计中应考虑大变形理论，用挠度理论或非线性有限元理论来计算内力。 ( 2 ) 施工中的稳定，特别是肋拱的平面外稳定问题突出。因此往往采用多边段吊 装，单中段合拢的施工措施，保证稳定。 1 4 2 施工阶段拱圉的轻型化 直接影响减少吊装能力的需求。一些大跨径拱桥旌工阶段采用钢一混凝土组 合杆件，或钢管混凝土，合拢后再浇注拱圈，可大大减轻吊装重量。带有钢管的 半刚性骨架很可能成为特大跨径拱桥最有前途的施工方法。施工阶段拱圈轻型化 后，施工阶段稳定性是关键性技术问题应对各步骤的实际结构，考虑几何非线性 和物理非线性的影响，计算每一步骤的稳定系数，保证施工万无一失。 1 4 3 系杆拱、中承拱有较多采用的趋势 系杆拱由于是无推力结构，对墩台要求较低，整个桥型结构简便、轻巧，桥 面视野开阔，广泛用于公路桥梁。 在城市桥梁和平原地区通航河流上，中承拱往往颇受青睐因为它可降低桥 高，矢跨比大，可减少推力；桥面建筑高度小，可缩短桥长；造型美观，为城镇 增添景色；造价也较低，目前发展趋势较快。 4 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 4 钢管混凝土拱桥迅速发展 用钢管或者钢管桁架，架设成拱在钢管内填充砼而形成的拱桥叫钢管砼拱 桥。钢管混凝土作为钢一混凝土组合材料的种，一方面借助内填混凝土提高钢 管壁受压时的稳定性，提高钢管的抗腐蚀性和耐久性，另方面借助管壁对混凝 土的套箍作用。提高了混凝土的抗压强度和延性将钢材和混凝土有机组合起来； 在施工方面钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板，施工吊装重量 轻，进度快，施工用钢量省。由于在材料和旋工方法上的优越性，将这种结构用 于以受力为主的拱桥是十分合理的。钢管混凝土的出现解决了拱桥材料和施工的 两大难题，所以钢管混凝土拱桥目前在我国的发展势头迅猛。 1 5 旧拱桥加固的意义 拱桥在我国的桥梁中占有很大的比例，有大量的旧拱桥需要进行加固改造， 其中不乏重要路段的大跨度拱桥，而拱桥的维修加固工作又有着不同于其他桥型 的特点。随着计算机技术的发展以及计算机在桥梁结构分析计算中的广泛应用， 用有限元法几乎可以不用作任何简化，来建立具有足够精度的空间有限元模型， 以反映桥梁结构的空间行为，这在实践上是科学可行的，对于旧桥，特别是旧拱 桥的计算分析是十分必要的。采用空间有限元法建立结构的空间有限元模型，进 行加固前后的计算有如下三方面的优势。首先，全桥建立统一的空间有限元模型， 根据旧桥的实际情况，模拟拱上建筑和主拱圈的联合作用，能够考虑连拱作用的 影响。其次，对于旧拱桥而言，由于拱轴线已经发生变化，可根据实测拱轴线坐 标建立模型，这样，大大提高了计算模型准确度。再次，根据实际情况，建立的 旧桥空间有限元模型，可对结构进行精确地分析，同时可以运用虚位移原理和边 界元相结合的新方法，求出各个不利截面位置的内力影响面，按实际最不利位置 加载，从而求出旧桥的实际承载能力。 针对目前大量旧拱桥亟待加固的情况，为了可以更准确地对旧结构进行评 估，为维修加固提供依据。结合某旧拱桥维修加固工程实践，采用空自j 有限元方 法，建立了其在维修加固前后的空问模型，计算结构内力和稳定情况，证实了加 固方案的有效性及空间有限元法可用于实践的现实意义。实践表明，通过加固处 理，不但可提高旧拱桥的承载力，而且能合理利用旧桥，经济效益显著。 5 湖北工业大学硕士学位论文 1 6 目前旧拱桥国内外研究现状、水平及存在的问题 近3 0 年来，我国的路网建设经历了从起步到大发展的阶段，肯定成绩的同时 也应该看到，数以千计的旧桥，或因设计荷载标准过低，或因大量重车超载过载， 或因年久失修、失养，其安全性正逐步下降，亟待进行维修加固1 2 j 。由于国家建 设资金有限，必须采取有效措施，在满足工程安全性的前提下，充分利用现有结 构的剩余寿命。对现役桥梁结构的健康状态及经济使用寿命进行适时评估并给出 科学、合理的修复加固方案。目前有较多的文献研究关于旧桥的维修加固工作， 但大都仅限于病害分析和工程技术措施的研究。对于旧桥梁现有状态的内力、变 形和剩余承载力估计进行定量分析的研究鲜有报道，而这恰恰是对旧桥进行加固 改造的首要条件长期以来，国内外对桥梁加固技术方面，多以分析实验数据及实 验现象描述为主，理论分析较少，不能很好地为桥梁加固提供理论依据。利用计 算机建模，进行仿真分析，比较拱桥加固前后的强度的很少。 1 。7 本文主要工作 本文以黄泊河拱桥的修复加固为背景，在全桥检定的基础上，通过与理论计 算对比分析，综合判定桥梁安全承载力，主要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 对全桥进行普查分析，荷载实验，得出起剩余承载力，并提出初步加固方案； ( 2 ) 建立受损最严重的钢筋混凝土两孔拱桥模型，并对其进行荷载仿真分析分析 计算出各重要截面的应力、挠度； ( 3 ) 对腹拱拱圈进行温度场仿真分析，计算温度对其影响变形，以及温度应力的 分布情况，通过对其结构的改造，得出优化的拱圈结构； ( 4 ) 对加固前后计算结果，以及实测结果进行三方对比分析，证明加固方案的合 理性。 6 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章宜昌黄柏河大桥全桥病害状况调查及分析 2 1 概述 黄泊河大桥位于宜昌市葛洲坝水利枢纽上游黄柏河入江口处，它是一座7 孔6 0 m 的腹拱式钢筋混凝土桥。该桥原为葛洲坝工程而建的施工用桥，现作为宜 昌城市桥梁在使用。桥梁全长4 7 6 2 6 m ，桥面宽1 2 m ，其中机动车道宽9 m ，两侧 人行道各宽1 7 5 m 。主拱肋采用七榀等截面箱形结构，拱轴线线形采用悬链线， 净跨6 0 m ，矢高l o m ，矢跨比1 6 ，拱轴系数m = 2 8 1 4 。旋工时每榀箱分三段预制 吊装，每段箱吊重2 5 盹，接头采用螺栓固定、钢板焊接，每榀预制箱之间采用 混凝土湿接。拱上建筑采用腹拱与实腹结合的结构形式，每孔两端各设5 个腹孔， 腹拱采用预制无铰拱板，跨径3 6m ，矢跨比1 6 。实腹段长2 0m 。拱背立墙为 双孔拱门式混凝土扳墙结构，墩顶立墙厚1 7 0 c m ，其余墙厚7 0 c m 。桥梁l # 6 # 墩均采用沉井基础，宜昌岸桥台位于基岩上，前坪岸桥台采用重力明挖基础。墩 身为圆端形片石混凝土圬工实体墩。 2 2 全桥普查 2 2 1 普查内容 ( 1 ) 桥面的铺装层、排水系统、人行道及栏杆外观检查； ( 2 ) 主拱肋一拱圈的风化、剥落、破损、裂缝、主筋锈蚀及拱肋之间接缝等检查； ( 3 ) 拱座处裂缝、错位检查： ( 4 ) 拱上建筑一立墙、腹拱风化、破损、裂缝、漏水、错位检查； ( 5 ) 桥梁墩台及基础检查。 2 2 2 普查编号规则 从宜昌侧到前坪侧桥梁孔位依次编号为第l 孔第7 孔，桥台宜昌岸桥台编 号为0 # 台，前坪岸桥台为7 # 台，桥墩依次编号为l # 墩6 # 墩；主拱圈拱肋编号 从上游到下游顺序依次编号为l # 肋7 # 肋，腹拱拱波从上游到下游顺序依次编 号为l # 拱波8 # 拱波；拱顶立墙从宜昌侧道莳坪侧依次编号为l # 立墙8 # 立墙； 7 湖北工业大学硕士学位论文 立墙上的拱门由上游到下游依次编号为l # 拱门2 # 拱门或3 # 拱门参见图2 1 2 3 。 爿罂翟驿飞 4 沪 囱 知孔 匿回 嬲l 到 僦燃 宜昌侧 图2 i 普查腹拱波编号和拱上立墙编号图 前坪佣 l # 立墙 2 2 3 普查结果 图2 2 主拱拱肋和腹拱拱波编号图 上游侧 下游侧 上游侧下游侧 雒立墙3 i 立墙 图2 3 拱上立墙拱门编号图 下游侧 r 17 0 r 一| 4 r 一口 量艘拱 上游侧拱波 上游侧下游侧 = = = = = = = j = ：= = = ：= j 广i 刁= _ 1 ， 、 l # 拱】2 # 拱r 3 # 拱门 4 # 立墙 第1 孔普查结果列于表2 1 ，部分病害程度参见图2 4 2 5 。 8 湖北工业大学硕士学位论文 表2 1 第1 孔拱上结构普查结果 部位编号病害 拱肋盖板l t t 8 # 全部表面平整，无离析现象 立墙底梁1 # 8 # 有多处环氧树脂压力灌浆修补过的裂缝 l #表面碳化、风化比较严重，均呈砂面 2 # 表面碳化、风化比较严重，均呈砂面 立墙 腹拱拱板 各拱门中部共有7 处环氧树脂压力灌浆修补 3 #过的裂缝 4 # 表面碳化、风化比较严重，均呈砂面 5 # 1 # ，3 # 拱门中部各有一条裂缝 6 # 1 # 拱门中部有一条裂缝 7 # 1 # 拱门中部有一条修补过的裂缝 8 # 表面碳化、风化比较严重，均呈砂面 第1 组靠桥台拱脚部位有错位现象 第2 组第l t t 5 t t 拱板上部开裂，有斜裂纹 第3 组跨中有贯穿裂缝 第4 组无开裂现象，状况良好 第5 组无开裂现象，状况良好 第6 组跨中有贯穿裂缝 第7 组跨中有贯穿裂缝 第8 组第l # 7 t t 拱板跨中有贯穿性裂缝 图2 4 第2 组腹拱跨中裂缝 9 湖北工业大学硕士学位论文 图2 5 第2 # 立墙拱门顶 第2 孔普查结果列于表2 2 ，病害程度参见图2 6 2 7 。 表2 2 第2 孔拱上结构普查结果 部位编号病害 拱肋盖板l # 8 #全部表面平整，无离析现象 立墙基础1 # 8 # l # 2 # 3 # 立墙 4 # 5 # 6 # 7 9 8 # 第1 组 第2 组 第3 组 腹拱拱板第4 组 第5 组 第6 组 第7 组 第8 组 第6 # 、7 # 立墙基础上各有条修补过 的裂缝 l # 拱门中部有贯穿性裂缝 拱门中部有i 处环氧树脂压力灌浆修 补过的裂缝 拱门中部有2 处环氧树脂压力灌浆修 补过的裂缝 拱门中部有3 处环氧树脂压力灌浆修 补过的裂缝 表面碳化、风化比较严重，均呈砂面 l # 、2 # 拱门上中部各有一条贯穿性裂缝 拱门上有两条贯穿性裂缝 l # 拱门上有贯穿性裂缝，宽度约i m m 左 右 跨中有贯穿裂缝 无歼裂现象，状况良好 无开裂现象，状况良好 2 # 拱板上游侧钢筋锈蚀 无开裂现象，状况良好 3 # 4 # 问铰缝渗水，5 # 6 # 拱板错台 l # 3 # 、4 t i 5 9 问铰缝渗水 第l # 7 # 拱扳跨中有贯穿性裂缝 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 图2 。6 第l 组腹拱跨中裂缝 图2 7 第1 # 立墙拱门中裂缝 湖北z - 业大学硕士学位论文 2 3 全桥普查小结 2 3 1 桥墩与基础 ( 1 ) i # 6 # 桥墩采用的是沉井基础，且全部落在基岩上，墩身为混凝土。实体式宜 昌侧桥台基础位于单斜层紫红色细粒砂岩岩层上，台后岩体稳定，桥台不会产 生位移及沉降，桥台及相应的桥跨建筑构件外观没有裂缝产生，但台面常年流 水，该桥台状况良好。 ( 2 ) 宜昌侧桥台为开挖式，由于该桥原为葛洲坝大江截流而建的施工用桥，开挖宽 度有限，开挖后也没有考虑两侧的支护及排水，两侧岩石经历二十多年的风化 和雨水剥蚀有垮塌的危险，一旦发生就会直接危及主拱圈的安全。 ( 3 ) 根据桥梁线形及拱圈接缝判断，桥墩基础没有明显沉降。由于墩身混凝土设计 标号较低，墩身表面风( 水) 蚀较严重，已全部出现砂面，严重影响到桥梁的 耐久性。 ( 4 ) 前坪岸桥台采用明挖的天然基础，重力式桥台，台后2 5 米高的填料足以抵抗 桥台的水平推力。桥台及相应的桥跨构件外观没有裂缝，桥台状况良好。 综上所述，至目前阶段，该桥基础没有出现直接危及安全运营的病害，仍 可安全使用。但宜昌侧桥台两侧的岩石必须立即采取措施支护。 2 3 2 主拱圈( 拱箱) ( 1 ) 经普查，全桥主拱圈所有预制箱板没有发现一条受力裂缝，但拱圈底面船只刮 痕严重，个别部位混凝土已经脱落。该桥下为三级航道，拱顶无任何航行标记。 ( 2 ) 主拱圈设计为预制开口箱体，拱圈拼装完成后再加上口盖板，表面现浇1 2 厘 米厚2 5 0 # 混凝土，所以，桥面破损后的漏水及拱腹漂雨很容易沿新老混凝土接 缝进入箱体内。经普查，箱体内普遍有积水，且个别箱内积水严重。原设计中 并末考虑会有此积水，因而未设排水孔。桥梁安装过程中吊点孔正好位于箱底 可兼作排水孔，但绝大部分已封堵，周围“尿盐”严重。 ( 3 ) 拱脚1 m 高范围箱梁之间现浇接逢普遍存在漏水及“尿盐”现象。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 3 拱上建筑 ( 1 ) 墩顶立墙及拱背立墙拱形门硕均存在一条竖直通长、通透裂缝，宽度o 8 棚2 l l l l l 不等，有2 3 裂缝存在己压浆修补痕迹； ( 2 ) 拱背顶立墙混凝土表面酥松、砂面，全桥共存在4 2 处漏浆蜂窝麻面处； ( 3 ) 全桥腹拱拱圈板共4 9 0 块，跨中存在上下贯通横桥向裂缝并漏水的板块共3 2 6 块，有裂缝但无漏水的板块6 7 块，损坏率达总板数的8 0 9 6 以上； ( 4 ) 2 # 5 # 桥墩顶两侧部分腹拱圈拱脚与立墙顶错位脱空，最严重的拱脚脱空一 半： ( 5 ) l # 6 # 桥墩墩项立墙上部伸缩缝两侧侧墙错位严重，呈八字状且漏水； ( 6 ) 腹拱拱上填料混凝土已大部分开裂，致使雨天侧墙缝隙周围到处漏水。 2 3 4 桥面系及附属结构 ( 1 ) 桥面铺装路面破损1 0 1 处，破损、断裂面积s s 2 f f ，占桥面总面积的2 4 ； ( 2 ) 人行道横梁风化严重，2 2 条横梁保护层混凝土全部脱落，钢筋外露锈蚀； ( 3 ) 保护层混凝土脱落的横梁，由于宽度变窄，纵梁支承宽度不足4 c m ，桥面抖动 严重时会有滑落的危险； ( 4 ) 桥梁栏杆有1 2 处断裂位置，桥面照明设施已全部毁坏。 2 4 ，结论 根据以上桥梁技术现况普查结果，桥梁下部结构属一类，主拱圈结构属二类， 拱上结构属四类，桥面系及附属结构属四类。桥梁总体技术状况为四类，属坏危 结构需大修或改建。 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 概述 第3 章宜昌黄柏河大桥荷载试验 该桥原设计主要技术标准为： ( 1 ) 汽车- 3 6 级，双列车，一列重车，一列轻车。主车、加重车每辆总重，当为 重列车时分别为3 6 0 k n 、5 4 0 k n ；当为轻列车时分别为1 6 0 k n 、2 2 0 k n 。车队 按交通部1 9 7 2 年标准汽车- - 2 0 级车队纵向排列； ( 2 ) 人群荷载：3 5 k p a ； ( 3 ) 桥面满布人群荷载：3 5 k p a * ( 4 ) 验算荷载：按一列重车一列轻车停车满布桥面，重列车为5 4 0 k n 、3 6 0 k n 间 隔排列；轻列车为2 2 0 k n 、1 6 0 k n 间隔排列。间隔距离为1 5 m 。不计人群荷载； ( 5 ) 桥面宽度：净9 m ( 车行道) + 2 x1 5 m ( 人行道) ； ( 6 ) 地震烈度：基本烈度六度。 该桥自葛洲坝工程完工后，一直作为普通城市桥梁使用。此次验算大桥主拱 圈仍能满足汽车超2 0 级荷载标准要求，但作为次承重构件的拱上建筑腹拱结 构普查后已经破坏，因此，检定荷载等级仍按原设计标准分级试加载。 3 2 试验目的 通过对实桥进行加载试验，实测各控制截面的应力和变形( 挠度) ，并与理 论值比较，了解实桥结构强度和刚度特性，进而分析与判断桥梁结构的安全承载 能力和使用条件。 3 3 试验依据 ( 1 ) 黄柏河桥技术设计图湖北省公路管理局 ( 2 ) 公路砖石及混凝土桥涵设计规范( j t j0 2 2 - 8 5 ) ( 3 ) 公路桥涵设计通用规范( i t j 0 2 1 8 9 ) ( 4 ) 公路旧桥承载能力鉴定方法( 交通部标准) ( 5 ) 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范( j t j 0 2 3 8 5 ) ( 6 ) 大跨径混凝土桥梁的试验方法( “铁组”y c 4 4 1 9 7 8 ) 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 3 4 试验内容 ( 1 ) 测定不同工况下边跨( 1 号孔) 台侧拱脚截面、l 2 跨中截面、3 l 4 截面、 1 # 墩拱脚截面应力和相应截面拱圈挠度值； ( 2 ) 测定不同工况下次边跨( 2 号孔) l # 墩拱脚截面、l 4 截面、l 2 截面应力和 相应截面拱圈挠度值； ( 3 ) 用设计荷载重车后轴对腹拱跨中单独加载，观测跨中裂缝的扩转变化及残余 变形； ( 4 ) 实测活载冲击系数。 3 5 试验荷载 本次试验的主要目的是检验桥梁的强度、刚度是否满足要求。荷载试验采用 基本荷载试验f 3 】o 对各测试截面根据内力等效原则，按内力影响线布置试验荷载， 使得试验荷载效率在0 8 1 0 5 之间，即： 0 , 8 ，7 - _ - = 1 0 5 ( 3 - 1 ) 。 ( 1 + p ) s 式中：r 一静力试验荷载效率； s 。一试验荷载作用下，某一检测项目的计算值； 占一设计标准荷载作用下相应检测项目的计算值( 不计冲击系数) ； f 一设计计算取用的冲击系数。 对于本桥检定按原设计荷载标准进行。大桥行车道宽9 i ，按公路工程技 术标准( j t j 0 0 1 - 9 7 ) 规定，按2 车道布鹭，车道荷载不折减。试验按两车道 布载。人群荷载通过汽车施加，人行道上不布载。对称荷载工况时，荷载包括两 车道汽车荷载( 加冲击力) 和双侧人行道满载；偏载工况时，荷载包括两车道汽 车荷载( a n 冲击力) 和一侧人行道满载。 本次试验荷载除对腹拱拱板进行的局部加载车采用5 2 0 k n 重载车外，其余采 用3 5 0 k n 载重汽车施加，由于客观原因，实际试验组织的车辆中载重有较大的的 差别，但保证加载效率仍能满足要求，试验前对加载车辆进行配重称重及编号 ( 1 # l o g ) 。各加载车辆编号及轴重见表3 1 ，轴距见表3 2 ，加载车辆示意见 图3 1 。 加载时对试验荷载分级施加。各工况将荷载按加载汽车数量分为2 3 级， 荷载逐级递加，达到最大荷载后一次卸载。加载车速不大于5 公里小时。每级 湖北工业大学硕士学位论文 荷载阶段内结构交位相对稳定后读数并进入下一个荷载阶段。卸载时车辆退出结 构试验影响区，车速不大于5 公里小时。 表3 1 加载车辆轴重表单位：t 编号车型 p 1p 2p 3p 4总重( t ) 1三轴车6 9 0 1 4 1 01 4 1 0 3 5 1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 三轴车4 9 0 1 6 2 31 6 2 3 3 7 3 6 三轴车6 2 5 1 5 2 01 5 2 0 3 6 6 5 四轴车5 6 3 5 6 3 1 0 3 51 0 3 53 1 9 6 三轴车6 0 0 1 6 7 0 1 6 7 0 3 9 4 0 三轴车9 6 8 1 4 5 01 4 5 0 一 3 8 6 8 三轴车6 0 5 1 2 8 0 1 2 8 0 3 1 6 5 三轴车6 2 5 1 3 2 01 3 2 0 3 2 6 5 三轴车9 。9 8 1 2 4 01 2 4 0 3 4 7 8 四轴车7 6 0 7 6 01 8 6 01 8 6 05 2 4 0 p 1p 2p 3 p 4 ii i l ! | ! ! | 竖i 图3 1 加载车辆示意图 表3 2 加载车辆轴距表单位：m 编号 l 1l 2 l 3 1 61 3 6 6 2 6 6 6 6 6 2 1 3 1 3 6 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 6 1 3 _ _ 1 3 1 6 2 3 4 5 6 7 8 9 l 湖北工业大学硕士学位论文 3 6 测试截面及试验荷载工况 3 6 1 测试截面布置 本试验应力铡试共选取7 个测试截面，分别为边跨( 1 号孔) 台侧1 # 拱脚截 面、l 1 2 跨中截面、3 l 4 截面、2 # 墩拱脚截面；次边跨( 2 号孔) 3 # 拱脚截面、 l 4 截面、l 2 截面。 挠度测试共选取l o 个测试截面，分别为边跨( 1 号孔) 台侧l # 拱脚截面、l 4 截面、l 2 跨中截面、3 l 4 截面及2 # 拱脚截面；次边跨( 2 号孔) 3 # 拱脚截面、l 4 截面、l 2 截面、3 l 4 截面及4 # 拱脚截面。裂缝监测截面选取宜昌侧次边跨2 # 、 3 # 腹孔跨中裂缝截面进行监测。应力测试截面及测点布置位置见图3 2 ，挠度截 面测点布置见图3 3 。 。皇昌 前坪 一表示混凝土纵向应变测点 图l 跨中b - b g - g 截面 一表示混凝土纵向应变测点 图21 4 跨c c f - f 截面 lo 川l| | _ lf ! i i 。 【i i ；川 i t 一一t 一一一一 一表示混凝土纵向应变测点 图3 拱嘟a - a d - d e e 截面 图3 2 应力测试截面及应力测点布置图 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 州澎尹守乓忒i 虬乱路蟛一i 一瀑4 。i ，。沪 瞵 第1 孔诉 髟f ， j 6 第2 孑ll o 3 6 2 试验荷载工况 图3 3 挠度测点布置图 表3 3 试验工况及各工况的试验荷载效率一l 湖北工业大学硕士学位论文 表3 4 试验工况及各工况的试验荷载效率一2 本文只取其中两个重要截面b b ，g g 下工况的计算，其加载示意图如下所示： 图3 4i 况1 ，2 加载示意图 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 3 7 加载方式 图3 5 工况3 ，4 加载示意图 对试验荷载分级施加，以测试荷载效应与荷载的变化关系以及防止桥梁结构 意外损伤。一般将荷载按加载汽车数量分为2 3 级，荷载逐级递加，达到最大 荷载后一次卸载。试验前在桥面预先画出轮位，加载时汽车应准确就位，卸载时 汽车应退出结构试验影响区。车速不大于5 公里4 , 时。每次加载或卸载的持续 时间取决于结构变位达到稳定标准所需的时间。只有该级荷载阶段内结构变位相 对稳定后才能进入下一个荷载阶段。 全部测点在每次加载或卸载后读数一次，并在结构变位稳定后进入下一级荷 载前再读数一次，对本试验可选跨中截面挠度测点每5 分钟读数一次，以观测结 构变位是否达到稳定，一旦结构变位达到稳定，测读完各测点读数后即可进入下 一级加载。 结构控制截面的变位或应力，如果在未达到预计的最大试验荷载，提l i i 达到 或超过设计标准的允许值，在最大正( 负) 弯矩截面的桥面板出现开裂现象，或 者，由于加载使结构出现非正常的损伤、局部破坏影响桥梁承载能力和今后正常 使用时，应立即停止加载。 湖北工业大学硕士学位论文 3 8 试验方法 ( 1 ) 应力测试：采用电测法进行，在相应测点的混凝土表面粘贴大标距电阻应变 片，采用静态电阻应变仪测读。 ( 2 ) 挠度测试：利用测点上的反射光标，运用精密全站仪测量拱圈测点上光标在 加载前后的坐标变位，计算该截面在不同工况下的挠度。 ( 3 ) 裂缝测量：应用裂缝计和读数显微镜测量原裂缝在加载前后的裂缝宽度变 化。 ( 4 ) 冲击系数：应用动态应变仪，根据记录的测点在车辆过桥时的动应变曲线进 行分析整理而得。 3 9 试验结果 3 9 1 应力 根据桥梁初步验算的结果，主拱圈在试验荷载下基本处于受压状态，只有跨 中截面下缘在最大正弯矩时有0 7 0 m p a 拉应力，因此，各断面测点布置在拱圈底 面且全部为混凝土应变计。各应力按实测应变与测点处材料弹模相乘而得。拱圈 混凝土设计标号为2 5 0 号，但强度实测结果在4 0 m p a 以上，考虑到时效性，弹性 模量取值仍为3 o l o 3 t p a ，以下表3 5 3 6 为试验测得值。 表3 5 工况1 实测应力值( 单位：m p a ) 湖北工业大学硕士学位论文 表3 6 工况2 实测应力值( 单位：m p a ) 部位1 # 肋2 # 肋3 # 肋4 # 肋 5 # 肋6 # 肋7 # 肋 实测值实测值实测值实测值实测值实测值实测值 a a 截面o 0 9 0 0 90 0 9 0 0 7。0 0 60 0 50 0 6 b b 截面0 7 4 0 8 10 7 30 5 90 5 10 4 50 4 6 校验系数0 9 0 0 9 60 9 0 0 7 80 7 40 7 30 7 9 c - c 截面- 0 1 4 - 0 1 2 - o 0 9 _ 0 0 6 - o ，0 5 - 0 0 4 - 0 0 2 d d 截面0 0 1 0 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 10 0 2 e e 截面0 0 9 0 1 20 1 1