（机械设计及理论专业论文）现役桥梁结构安全评定及加固技术研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 我【蚓有许多预成力混凝土t 型刚构桥梁，因长期使用产生r 不i 刊程度的病害， 为确保桥梁的运营安全，掌握桥梁结构当前的实际工作状况，综龠评判桥梁的现 行工作性能，在对全桥进行维修加固之前，需做全桥技术检定工作，为桥梁的维 修养护提供有针对性的维修计划。本文以葛洲坝三江公路大桥为研究对象，对该 桥的瘸害机理进行了理论和实验研究，并 ，j 步提出r 加固方案，t 要研究内容包 括四个方面： 首先介绍，桥梁常见病害及其产生原因，然后结合葛洲坝三江公路人桥，介 绍了该桥的全桥普查及倚载试验，研究了该桥的主桥部分在静载试验时各测点截 【l | 的应力分布规律和挠度分布规律。接着利用an sys 软件射主桥进行了有限 几分斩和仿真，研究r 主桥各市段应力分稚观律和挠度分卸规律以及t 桥的崮何 频率和模态振型，并将其结果与试验结果进行了对比，验证了空例有限元分折方 法的有效性，从而对荷载试验进行了科学的指导，弥补了试验测点的有限性并为 科学地评价桥梁的受力性能是否达到设计要求捉供了依据，也埘今后旧桥的窄问 有限庀分析具有借鉴意义。最后，本文存上述研究的摹础上提出了桥粱结构维修 和加阎方案。 天键词：t 型刚构桥，预应力混凝t 一结构，安全评定，有限元分析，加匿| 技术 湖北y - 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r cm a n yp r e s t r e s s e dt - s h a p e dr i g i d f r a m eb r i d g e sw i t hs u s p e n d e db e a m si i lo u rc o u n t r y s o m eo ft h e ma r ei np o o rc o n d i t i o nb e c a u s eo fp o o rc o n d i t i o na st h er e s u l to ft h el o n g - t e r mt r a 锇c t r a n s p o r l a t i o n i no r d e rt ok e e pt h eb r i d g e ns e c u r i t ys t a h l s t h es t a t e so ft h eb r i d g e ss h o u l db ei n h a n d s t h i sa s s e s s m e n tc a nc o n t r i b u t ee f f e c t i v e l yt h es u p p o r tf o rt h em a i n t e ：n 3 y l c ea n ds t r e n g t h e n i n g d e c i s i o no ft h eo l db r i d g e b a s e do nt h ea s s e s s i o n t h em e t h o d so fs i r e n g t h e n i n go l db r i d g ec a nb e p u t f o r w a r db a s e do nap r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，g e z h o u b as a n j i a n gh i g h w a yb r i d g e ，t h i sp a p e r d e t e c t e ds o m ea c t u a ld e f e c t s e x i s t e di nt h eb r i d g ea n da n a l y s e st h ed e f e c t sa n db e a f i n g c a p a c i t yb a s e do nt h er e s u l t t h em e t h o d so fs t r e n g t h e n e di sr e f e r e dt o t h ef o u rm a i np o i n t sa r e a s f o i l o w s f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o m m o nd e f e a t so fb r i d g ea n da n a l y s i st h ec a u s eo ft h a t s e c o n d l y , b a s e do nt h ec o n d i t i o no fg e z h o u b as h a h 商i a n gb r i d g e , t h i sp a p e rd e s c r i b et h eg e n e r a l s u r v e yo ft h eb r i d g ea n dt h el o a d i n gt e s t 丁h i r d l y , s t u d yo dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ns t a t ea n da m o u n to f d e f l e c t i o n o ft h em a i nb r i d g e t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ei n s p i r i n go fm o d e 。a r em a d eo nt h e b a s i so ft h es o f t e w a r ea n s y s c o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lt e s td a t ea n dt h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h ec o n c l u t i o n t h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f i e l d1 p a d i n gt e s ta n dt h e o r e t i c c a l c u l a t i o na r ea c c o r d a n c ev e r yw e l l c a nb ed r a w n i ts h o w st h a tt h eb u i l d i n go ft h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e 】j sr e a s o n a b l e t h ea n a l y s i sm e t h o di sc o r r e c t e d j tc a nb eu s e dt od i r e c tl p a d i n gt e s t ， i tc a nm a k eu pt h e1 i m i l so ft h e f i e l dl o a d i n gt e s t i tc a nb e e v a l u a t et h eb n d g es c i e n t i f i c a l l yt h e r e s u l t si nt h ep a l ) e ri su s e f u if o rr e f e f e n c et ot h eb r i d g es l r e n t h e n e d f i n a l l y ，b a s e do i lt h ec o n e l u t i o n o f t h ee v a l u a l i o n t h es t r e n g t h e nm e t h o d sh a sb e e np u tf o r w a r d k e y w o r d s ：t - s h a p e dr i g i d f r a m eb r i d g e s - p r e s t r e s s e dc o n c r e t es t r u c t u r e - s e c u r i t ye v a l u a t i o n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t r e n g t h e n i n gm m h o d s 佩嘉工孽失溶 学位论文原创性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： 王参 日期： 2 0 0 6年6 月7 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，即：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：王葫 日期：2 0 0 6年6月7 日 舯划隧各妣卜 日期：2 0 0 6 年6 月7 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题米源于湖北省教育厅2 0 0 4 年度优秀中青年科技创新团队项目“现役桥 梁结构损伤安全综合评定关键技术的研究”( 鄂教科1 2 0 0 4 1 7 号) 我国目前有许多预应力混凝土t 型刚构桥梁，因长期使用产生了不同程度的 病害，为确保桥梁的运营安全，掌握桥粱结构当前的实际工作状况，综合评判桥 梁的现行工作性能，在对全桥进行维修加同之前，需做全桥技术柃定工作，为桥 梁的维修养护提供有针对性的维修计划。本文以葛洲坝三江公路大桥为研究对象， 对陔桥的病害机理进行了研究，为科学地评价桥梁的性能是否达到安全要求提供 了依据，对现役桥梁的维修加固具有借鉴和指导意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外研究现状 桥梁结构的病害诊断与防治研究一直是桥梁研究的一个主要方向。对桥梁病 害进行分析，检验、评定旧桥承载能力，进行维修、加固、补强以提h 提高桥梁 承载等级的有效方法等问题的研究、试验和实践推广，引起了世界住的关注，且 建立了国际性的专门机构从事研究。1 9 8 0 午在巴黎和布鲁塞尔、1 9 8 2 年在华盛顿 先后都召开了关于旧桥问题的固际专题讨论会议，1 9 8 1 年，山酲方2 4 个国家参加 的“国际经济合作与开发组织”f d e c d ) 丰持召开了关于“道路桥梁维修与管理” 的会议，会议提出“如何难确评价现有桥梁的实际承载能力与安全度的问题”等 六个关于维修加固方面的题要求加以讨论。 1 9 8 2 年召开的“国际桥梁与结构会议”，1 9 8 3 年召开的“第十七界国际道路 会议”上，都有关于桥梁的安全性评价、检查与维修加固等方面的论文报告，提 h r “桥梁检查”、“桥梁承载能力的鉴定”、“桥梁养护”等多篇有价值的论文报 告。 当前有些交通发达的国家，轿粱建设的重点已放到了i 开桥的加固与改造方面， 湖北工业大学硕士学位论文 而新建桥梁已降低为次要地位。例如，h 前美国已把重点放在旧桥改造上，因为 1 1 3 桥加固或改造仅需新建桥梁的1 0 左右的资金。闰内1 1 3 桥加固或改造的经验也 表明，在一般情况下，桥梁的加固费用约为新建桥梁费用的1 0 一2 0 ，旧桥加固 或改造措施都可以在不中断桥上运输或通航的条件下设施。因此，加速我国旧桥 加固或改造技术的研究，不仅能更好地、及时地为现代交通运输服务，而且可以 为国家带来巨人的经济和社会效益。 自2 0 世纪7 0 年代j t 始，我i 到着手对旧桥加固改造技术进行研究。在“六 五”计划期问，许多省市对公路i r 桥的检测、评价和加固方法进行了广泛的研究 和工程实践，并取得良好的社会效益和经济效益。“七五”期问，交通帮适时地将 “旧桥检测、评价、加固技术的应用”列为1 9 8 9 1 9 9 0 年科技进步“通达计划” 项目。此举极大地推动了公路旧桥加固、改造的技术研究。在公路桥等旧桥承载 力的检测、评定、加固改造技术和施工技术和施工工艺等方面都取得了许多宝贵 的经验，有夫量1 日桥加固改造的成功范例。 1 2 2 桥梁常见病害及其产生原因 公路桥梁作为公路工程的个重要组成部分，其结构和构造的完整性将直接 影响到公路交通运输的安全性和舒适性。 截j k 2 0 0 3 年底我困公路桥梁数量及状况共有公路桥梁3 1 万座，1 2 4 万延米) 。 这些公路桥梁大部分都是建国以后兴建的，根据桥梁的修建“1 年代和所采用的技术 标准，大概可以分为网个阶段，第一阶段是：1 9 6 1 年前( 即桥梁设计规范末形成 以前) 建设的桥梁，这些桥多数已得到改建存在的数量已不多。第j 二险( 1 9 6 1 1 9 7 6 年建) 是按1 9 6 1 年桥梁设计规范设计的公路桥梁，这个时期修建的公路桥梁的i - 口j 题 比较多，原凼是多方面的。其一是设计倚载的标准满足不了日前交通事业发展要 求：其二，设计和施 ：都较释l 糙，多数存在着大量的结构和构造的质量问题；其 三，设计和施1 - 资料1 i 完善，这个时期修建的公路桥梁的设计和掩工资料都没有 得到很好的保存，给目前对这些桥梁的改建带来很大的困难。第三阶段是1 9 7 4 年 公路桥涵设计规范颁发后设计的公路桥梁，这个阶段叮以截1 ：n 2 0 世纪8 0 年 代的中期。其特点是设计荷载基本可以满足目前的需要，在结构：问题不大，但 在构造上存在的问题较多。比如桥面铺装、伸缩装置、排水系统、支疼及防护 _ 程等。第四阶段是2 0 世纪8 0 q i 代r f 一期以后修建的桥梁，这个时期修建晌桥梁构造 湖北工业大学硕士学位论文 上也多少存在一些问题，主要反映在桥头跳车、伸缩装置等方面。 现役公路桥梁出现各种病害导致承载能力的减低除原有设计的技术标准过低 以外，还有设计理论不完善，对结构的性能认识1 ；足等方面的原冈。f 面将根据 公路桥梁病害性质的不同，对桥梁的病害进行分类，分析其产乍的原因，找出其 病害处治的办法及预防措施。 1 病害的分类 对桥梁病害的分类“，以根据不同的山发点、不同的研究的目的得到不同的分 类。按照重要郎件，次要部件的功能及其材料状态，承载力状况和行4 ：状况等， 町将桥梁部件和桥梁总体的技术状况分为下述五类并分别采取相应维修对策： 类，状况完好或良好，_ f 常保养：类，状况较好，进行小修：三类，状况较筹， 进行中修：列类，差的状况，进j 二大修：五类，危险状态，须彻底全面改善。 也可将桥梁的病害分为结构性病害和构造性病害： 结构性病害是指桥梁结构在受外界荷载的影响下，使既有结构整体的承载能 力有所下降的病害。这种病害最大的特点就是由于它的存在使整个结构的承载能 力受到很大的影响。如：粱式桥梁的粱体裂缝、拱式桥梁的拱脚及拱顶的破损、 钢桥的腐蚀等。 构造性病害是指桥梁在使用过程q 部分构件丧失功能，使桥梁结构的通行使 用舒适性有所下降的病害。这类病害的最大的特点就是它的存在对整个桥梁结构 的承载能力没有大的影响。当然部分构造性病害如果不能得到及时的维修，长期 发展下去也会造成结构性病害，以至1 ：降低桥梁结构的承载能力。这类病害包 舌： 伸缩装置失效、桥嘶铺装破损及桥头跳车等。 2 桥梁结构性病害 ( 1 ) 梁桥结构病害 钢筋混凝士粱式桥和预应力混凝土粱式桥在日前公路桥梁中占有很大的份 额。尤其是新建公路桥梁，除极少数大跨径桥梁外，多采用装配式钢筋混凝1 ：或 预应力混凝上空心板、t 型梁或箱型粱。作为混凝土结构和预应力混凝土结构，其 结构的耐久性是一个很大的优点。除战争、地震、火灾及水灾导致混凝上结构和 预应力混凝上的结构破坏以外，混凝土桥梁的裂缝i u j 题是它的最大病害。钢筋混 凝土或预应力混凝上结构物足利j 】_ 厂钢材与混凝 各自长处的结构。反过来说， 由于是相瓦弥补了各自短处的结构所以在应力集中处、钢筋锚固处、钢筋弯起 湖北工业大学硕士学位论文 点、钢筋数量突减处、混凝土断面突变处及应力应变最大处等都是易出现裂缝的 部位。可以从设计、施工、材料及外部环境等方面柬分析混凝土结构和预应力混 凝土结构的裂缝，荷载作用下产生的裂缝作为结构病害考虑，其它裂缝作为构造 病害考虑。 弯曲裂缝 在混凝士梁卜施加弯矩时，将产生弯曲裂缝。弯曲裂缝也称垂直裂缝。对于 弯构件和压弯构件来说，弯曲裂缝首先出现在弯矩最大的截面的混凝土受拉区。 粱板结构的正弯矩裂缝一般位于跨中，从底边开始向上发展，负弯矩裂缝位于连 续粱或悬臂粱板的支座附近，自f ：向下发展。随着荷载的增大，裂缝宽度增大， 长度延伸，裂缝数量增加，裂缝区域逐渐向两侧发展。 剪切裂缝 剪切裂缝有时也称斜裂缝。首先发生在剪应力最大的部位。对受弯构件和受 压构件，往往发生在支座附近，由下部开始，沿着与轴线成2 5 。5 0 。左右的角度 裂开。随着荷载的增大，裂缝长度将不断增长并向受压区发展，裂缝缝数不断增 多并分叉，裂缝区也逐渐向跨中方向扩大。剪切裂缝一旦出现，就应加强观察。 如裂缝发展缓慢并限制在受拉区，还是允许的，但如裂缝不断发展或者裂缝已接 近受压区，则不论其宽度和挠度如何都应及时给予必要的加固处理 断开裂缝 钢筋混凝1 ：构什受拉时，进入整个截面的裂缝称为断开裂缝。受拉构件在荷 载作用f 产生的裂缝均沿正截面开展，裂缝问距有一定的规律性。受拉构件在 受力较小时，混凝土和钢筋均承受拉力，拉应力值较小，不超过混凝j ：的抗拉极 限，这足末出现裂缝构件的工作状态。随着内力增加，混凝土内拉应力达到其受 拉极限，产生裂缝并退出工作，全部拉力m 钢筋承担，这是允许出现裂缝的构件 的工作状态。前载继续增大，钢筋应力达到流动极限，钢筋仲长率较大，裂缝宽 度超过设计规范允许宽度的许多倍，这时多为使用所不允许的或构件将接近破坏 的状态。 扭曲裂缝 混凝1 二构件受扭转与弯曲同时作用而产生的裂缝称为扭曲裂缝。该裂缝一般 呈4 5 0 倾斜方向。钢筋混凝土构件在扭曲作用f ，产生的裂缝一般有许多条，裂缝 出现后混凝土保护层剥落，扭曲产生的扭矩改由钢筋承担，直至钢筋滑动时构件 完全破坏。 湖北工业大学硕士学位论文 局部应力引起的裂缝 局部应，j 引起的裂缝，t 要表现在：墩台支座处受到较大局部应力；构件突 然受到冲击荷载；预应力粱锚围端受到较大局部应力而引起的裂缝。 ( 2 ) 洮凝1 结栅的坏化 钢筋混凝士结构坏化最常见的原因是钢筋腐蚀造成混凝土的剥落。之所以把 混凝土结构的坏化做为结构十牛病害，是w 为钢筋混凝 结构的上f ：化肘结构状态、 承载能力、贱余寿命都有很大的影响。钢筋腐蚀的两个主要的原闪就是混凝土的 碳化或受氯离子影响i 町造成的碱性减低或钝化膜消失。提高混凝土的密度，减少 其渗透性可以减缓碳化及氯离子的作川速度。 3 桥梁构造住病害 ( 1 ) 伸缩装置 伸缩装置是为使f 辆平稳通过桥佰i 并满足桥面变形的需要在桥面伸缩缝处设 置的各种装置的总称。 伸缩装胃的发展及分类 公路桥梁伸缩装置在桥梁结构中，直接承受车轮的反复荷载，因此是最易于 破损的部分。其设汁、施工上的缺陷，不仪直接使通行者感到不舒适和危险，有 时也影响到桥梁的结构。伸缩装置都足根据粱的温度变化、混凝土的徐变及干燥 收缩引起的收缩镀、梁端的旋转、梁的挠度差、以及由于其它原因而必要的结构 上的多余量等等，柬确定其结构。桥梁伸缩装置，在我国公路的不同建设时期采 用的种类不同，它随着公路交通事、l k 的发腱而发展。根据不同时期和不同的结构 特点大致可将现存的仲缩装置分为：对接一娜 l 缩装置、钢制支承伸缩装霄、组合 剪切式橡胶伸缩装筲、模数支承式仲缩装菏及尢缝式( 暗缝式) 仲缩装置。只有 充分了解它们自身的结构，才能很女r 地分析j 病害的原埘。 桥梁伸缩装臀的病害及损坏原因 伸缩装置出现问题有以卜几方面的原凶：1 交通量增大，重载车增多，车辆冲 击也变大，设计、施工中稍有缺陷就会造成仲缩装置的破坏。2 在设计方面，仃 些桥梁结构，桥面板的刚度4 i 足，导致桥面板变形过大。有些装置的锚【州4 - 牢， 在荷载作j h 下，会导敛混凝土粘接力的火效。伸缩量计算不准确，选型1 i 当也会 造成仲缩装胃破坏。错误地选定构造取| 材料14 防水、排水设旌不完茸，引起漏水、 溢水、锚矧什受腐蚀，粱端和支座侵蚀严弧，也会造成伸缩装置的破坏。3 施工 方面原w ，施，【：州放松施l ：质最，小按改i i 劁纸要求施：l ：，也足破坏的原| q ，仲 湖北工业大学硕士学位论文 缩装置两侧混凝一1 二和沥青混凝j ：铺装层结合不好，碾压f i 密实，形成两张皮，容 易产生丌裂、脱落，最终引起伸缩装置的破坏。4 管理维护原因，由于桥梁逐渐 老化，桥梁，重超载，维修不充分，因此破坏不断扩展。 ( 2 ) 桥而i 铺装 桥面铺装m 观病害的原因很多，具体的表现形式是桥面防水混凝1 二破损导致 桥面铺装的破坏。 原因之：卜粱( 空心扳) 的刚度过小。设汁时，考虑到经济性，减少了混 凝 ：粱( 板) 的建筑高度和截j t 寸，这样就降低了 二粱( 板) 的刚度，使预麻 混凝卜粱( 板) 的项拱度很夫，舀二运营过程l ，的挠度也很人。这使得保证支座 处桥面铺装的厚度，和保证跨r 1 、的桥面铺装混凝十的厚度之间产生了矛盾：如果 保i l ：r 跨中桥丽铺装混凝士的厚度，支座处的混凝。 二厚度就会人大超过没计的厚 度，就会增加桥梁的自重，这对铺装层是很f i 利的。 原幽之：二e 粱( 空心板) 在施工过程中质龄得小到，“格的控制。施工单位 质量保i i 体系不健全，施工质量控制不均匀，其离散性很人。比如截面尺寸时大 时小，预应力的施加也 i 均匀，这样导致的结果是川批生产的粱( 板) 其预拱 度有很大的差异。架设主梁以后，横桥向每片粱的颁拱度差距会很大，桥面铺装 的厚度变化也很大，这样容易产生桥面的破损。 原冈之三：桥面铺装防水混凝上的强度过低。h 前在高等级公路建设中，在 设计上普遍存侄莆桥面铀装混凝土的强度多数足3 0 t ；防水混凝上，而主粱( 板) 的强发多为4 0 弓或5 0 号混凝f ：，实际上在运营阶段，桥面铺装混凝土的受力状 念足很复杂的，尤其是在日哥高等级公路f 1 1 正交的桥梁已经很少，多数是斜交的 轿梁，斜交桥梁桥向铺装混凝j 二的受力状态更肌复杂， f 3 ) 桥头跳i 桥头跳乍的题是目前公路桥梁l ：程中的质量逆病。桥头跳车台阶的产生和 形成足多力衙群j ，主要原周为：地基强度不同改汁小j 薯，台后填料4 i 与，台厉 j i 实不足地基浸水软化。 ( 4 ) 钢筋混凝f 二结构的构造裂缝 裂缝产生的原闪主要仃：材料质量不好，施l i 质吊小奸。 1 3 本文主要工作 小叟以弱洲坝- 江公路人桥的修复加为哲景，f 1 个轿检定的鉴础l ：，通过 湖北_ y - 业大学硕士学位论文 与理论计算对比分析，综合判定桥梁安全承载力。再用a n s y s 软什建赢t 江公路 人桥主桥仃限兀模型，进行有限元分析，将a n s y s 的计算结果与实测及原理论计 算的结果十h 比较，论h f 了何限元分析方法的有效性。j 正确十牛，从而j 以验证用此 有限无计算的方法叮以指导荷载试验。并住此基础上对三江桥进行综合评定，对 上部结构既有病害及发现的其它缺陷进行分析，找出病害发生的原凶，并提m 维 修加固初步建议。 第一章，提出了本文研究的背景和意义，l 剿述了桥梁常见的病害及其产：，i ：的 原冈，在此基础上提出了本文的研究思路和内容。 第二章，首先介绍了一- 江桥的概况，接着论述三江桥普查的i j 的、内容和方 法及普查结果，然后针对普查结果发现的病害，分析病害的成冈。 第三章，仝桥普查情况，介绍静载试验的内容方法以及两种 况，然后测定 两种工况f 的应力和挠度，比较实测值和理论计算值，评定桥的承载力。 第四章，本章在有限7 i 理论的基础七，建立了二= 三江桥卞桥有限i 模型，模拟 计算了桥梁静载时的应力、挠度及振璎，并与实测数据及原理论计算数据进行j ， 比较，以此证实了三汀桥一桥的有限元模型足合理的，证实了空间有限元分析方 法的有效性，说叫本有限元结果对荷载试验进行科学的指导。对类似问题提供好 的借鉴。 第五章，介绍了桥梁常见病害防范和加固措施，然后针对三江桥病害，提出 加固的原则及仞步方案。 第六章，对全文进行总结，并提出展单。 湖北3 - 业大学硕士学位论文 第2 章葛洲坝三江公路大桥全桥病害状况调查及分析 2 1 引言 对桥梁结构进 亍周密检查的目的是为了详细了解桥梁结构在运营中所发生的 变化，及时发现病害分| 厅病害的原因，然后采取有效的防治措施，合理安捧维修 工作。在尚未出现更大的损伤之前就能采取维修养护措施，以控制病害的发展或 把病害清除，从而确保桥梁的正常使用。 2 2 葛洲坝三江公路大桥概述 葛洲坝三江公路大桥位于湖北省宜昌市城区，跨越三江人工航道，担负葛洲 坝水利枢纽工程大江截流和二期工程旌工的需要以及运转期阿岸交通。大桥全长 l l1 7 1 4 米，按双向两车道设计，正桥主孔采用跨径1 5 8 米预应力混凝土t 型刚构， 挂粱采用3 0 米预应力混凝土简支梁，两岸配以跨径2 0 米和3 0 米的简支梁引桥。 该桥原设计荷载等级为汽车3 6 级，桥面宽度为：净1 1 + 2 x 2 ，0 米人行道( 包括 栏杆) ，宜昌岸引桥和引道纵坡按3 骗设计，主墩采用钢筋混凝土空心墩，明挖扩 大基础。基础落在无风化的灰白色砂岩上，两个主墩的基坑在岩面下用不低于1 5 0 号混凝土回填。 由于该桥自葛洲坝工程完工后，一直作为普通城市挢梁使用，因此，此次大 桥检定茼载等级按汽车一超2 0 级检测。 该桥自1 9 8 1 年5 月建成通车至今已历2 0 余载，因长期使用产生了不同程度 的病害，为确保桥梁的运营安全，掌握桥梁结构当前的实际工作状况，综合评判 桥梁的现行工作性能，在对全桥迸行维修整治之前，需傲全桥技术检定工作，为 桥梁的维修养护提供有针对性的维修计划。 崭衔苛i 茬：前落 图2 1 三江桥总体布置图( 单位：m ) 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 全桥普查 2 3 1 普查目的 ( 1 ) 通过对上部结构普查、主桥线形测量及静动载试验，掌握桥梁结构在荷载作 用下的实际丁作状态，并通过与理论计算数据对比分析，综合判定桥梁安全 承载能力。 ( 2 ) 对上部结构既有病害及发现的其他缺陷进行分析，找出病害发生的原因，并 提出维修加固初步建议。 2 3 2 普查内容 对葛洲坝三江公路大桥全桥普查，内容包括以下几个方而： ( 1 ) 桥面的铺装层、排水系统、伸缩缝、人行道及栏杆外观检查； ( 2 ) 主桥l ：部结构( t 型刚构箱内部分、中孔挂粱、边孔挂粱) 、引桥宜昌侧3 0 m t 梁( 1 8 1 9 号墩) 和2 0 m t 梁( 1 7 1 8 墨墩) 的裂缝普查，包括裂缝的位置、长 度、宽度、深度及结构缺陷病吉的检查； ( 3 ) 主桥上部结构( t 型刚构箱内部分、q j f l 挂梁、边孔挂梁) 、引桥宜昌侧3 0 r o t 梁( 1 8 1 9 号墩) 和2 0 m t 梁( 1 7 18 号墩) 混凝土强度检测； ( 4 )芰座调查，调查其i ：作状况是否i f i 常，有无缺陷。 2 3 3 检测方法 裂缝的普查，先查找，再用钢卷尺测曼裂缝的长度，并用读数显微镜测出裂 缝的宽度，西也裂缝的位置示意图，其中对f 宽度超过0 2 m m 的裂缝采用超声波 检测其深度；粱体结构混凝土强度采用超卢回弹综合法评定其强度；对梁体结构 的蜂窝、麻面、露筋、风化和剥落等缺陷病害，采用f 1 测查找，做好记录；支座 采用目测调查。 湖北x - 业大学硕士学位论文 2 3 ，4 全桥普查结果 ( 1 ) 由于该桥经过2 0 多年的运营，桥面铺装层出现不同程度的j r 裂及破损，以及 部分简支粱梁端存在定的高差，这对行车舒适性及粱体结构的耐久性和安令 性产生不乖影响：图2 - 2 是主桥l o 号墩顶桥面铺装层破损情况照片。 图2 - 2士桥1 0 号墩顶桥面铺装层破损 ( 2 )人行道板及栏杆的破损利钢筋的锈蚀均较为严重，特别是人行道梁的锈蚀，这 不仅影响其美观而主要影响其安全性和可靠性，应引起足够的重视： ( 3 ) 伸缩缝的损坏较为，“重，r - 1 1 、梳形板仲缩缝有两处掉落及多处锚同螺栓失效， 而填嵌沥青仲缩缝大部分均已火效，这一方面对车辆在伸缩缝处的冲击效 应增大，对粱端结构的受j 不利，另一方面导致了雨水渗透及垃圾堆积加 剧了支座的锈蚀和损伤( 见罔2 3 ) ； ( 4 ) 主桥t 构梁体原设计混凝士强度为c 4 0 ，此次对t 构梁体内侧混凝士强度进 行了检测，榆测的结果为：最大强度推定值为4 99 m p a ，最小的为4 23 m p a 达到原设计强度要求： 湖北工业大学硕士学位论文 陶2 - 3 主桥西坝侧边孔伸缩缝梳形扳掉落、锚栓必效 ( 5 ) t 构粱体j ：要存在的缺陷为：箱梁横隔墙发现较多横向裂缝，部分裂缝延 仲至腹板及货穿横隔墙，且最大宽度达0 8 0 r a m ，这些裂缝的产，j i 可能主要是 由于施工时分层浇注、节段问处理不当。有些成桥时就已发现的裂缝，自今未 见明显增长、变宽，且这些裂缝延伸至腹板时未见腹板对应处产生裂缝，表明 经过了二十多年这些裂缝还比较稳定：牛腿节段及牛腿支座处渗水、垃圾 堆积严重，主要是t 构的排水孔布置不尽合理及伸缩缝的损坏导致，应及时 予以处理，避免对梁体耐久性及支座锈蚀产生进一步不利的影响；( 见图2 _ 4 ) 目2 _ 4 牛腿节段及牛腿支庠处渗水、垃圾堆积严重 ( 6 ) 主桥中孔粱体原设计混凝土强度为c 4 0 ，此次对中j l 粱体混；疑土强度进行了检 测， 佥测的结果为：最人强度推；芒值为4 5 5 m p a ，最小的为4 1 0 m p a ，退剑原 设计强度要求： 湖北3 2 业大学硕士学位论文 ( 7 )中孔和边孔挂粱边梁翼缘板有= 三四处混凝t 衷面钢筋锈蚀胀裂的微裂缝及t 粱端部两翼缘板连接几处渗水混凝土表面泛自； ( 8 )引桥2 0 m t 粱梁体混凝土原设计强度为c 2 5 3 0 r o t 梁粱体混凝土原设计强度 为c 4 0 ，此次列这两孔粱混凝上强度进行了检测检n f t j 结果为：2 0 r o t 梁最 大强度推定值为3 3 8 m p a ，最小强度推定值为2 9 4 m p a ：3 0 m t 梁最大强度推 定位为4 4 5 m p a ，最小强度推定值为4 0 8m p a ，均满足原设计强度要求； ( 9 )2 0 r o t 粱腹板裂缝较多，多为。轻向裂缝。裂缝譬- p 问宽，沿两端逐渐收缩。这 可能t 要由j i 混凝土收缩产生的，而且2 0 r o t 粱为普通铡筋混凝土粱； ( 1 0 ) 支座锈蚀及支座处垃圾堆积较为严重，卜要足由j 二伸缩缝的破损导致的，这 应引起重视，支座的进一步锈蚀损坏将降低其使用寿命，对i ：部结构的受力也 会产生不利影响； ( 1 1 ) 主桥l o 号墩两坝侧牛腿处4 弓t 梁活动支座辊轴偏移抵住上垫板端部导致 上挚扳翘起；另该侧3 号t 粱辊轴偏移较多，靠上颦板# b i n 端部仅4 c m 多， 应对其进行适当的纠偏避免局部应力集中。( 见图2 - 5 ) h 2 5 t 粱活动支庠辊轴偏移抵住l 一垫扳端郝，导致上培扳翘起 2 4 葛洲坝三江公路大桥病害分析 葛洲坝i 汀公路人桥i 桥足座带 l 粱n 0 颅啊 濉凝1 t 型刚构桥，l e 艘丽 址变撼嘶衔粱。! ：! 个结心为静定结掬，( t 1 此f 7 ，况f 、，架 屿删i r i 披足刈称的坳 湖北工业大学硕士学位论文 柱中无不平衡的恒载弯矩。两个t 构单元单独作用，在跨内有正负弯矩分布牛 腿构造复杂。这类结构容易产生裂缝和损伤的部位：受拉区易产生裂缝；其受拉 区主要是各墩梁囤结区段及其附近的粱顶板、中性轴以上的腹板：与梁固结墩的 顶部( 约35 m ) 范围内；简支挂粱的跨中及其附近区段的底板、中性轴以下的腹 板等。墩梁固结区段内粱的横隔板易出现裂缝及其他缺陷发生。悬臂端部牛腿下 挠过大；t 构悬臂端部支撑挂梁的牛腿，顶面凶局部应力集中易产牛裂缝，两侧丽 易产生斜裂缝。t 构悬臂端部与挂孔端部之间，由于混凝土收缩徐变和施工误差等 原因，容易形成折角，桥面不平顺，造成车辆冲击颠簸，使伸缩缝乃至梁端局部 混凝土损坏。简支挂粱之钢活动支座的滚轴容易移至极限位置，影响挂梁与t 构 悬臂端的相对移动，增加不必要的附加外力。箱粱顶板跨中底面出现纵向裂缝； 桥面铺装层及伸缩缝损坏严重；支座锈蚀等。应对这些位置进行重点检查。 经过桥面普查及荷载试验，发现葛洲坝三江公路大桥的病害情况不太严重，混 凝土状况较好，箱粱粱体构件j ：作状况较为良好，大桥主体部分无裂缝，腹板、 顶板混凝土未见明显( 大于0 1 n l m ) 的裂缝( 混凝土的龟裂裂缝除外) ，也未见明 显的缺陷及损伤。但它有以下几种典型病害：桥面铺装层破损严重；伸缩缝损坏 严重；横隔板裂缝病害；人行道板及栏杆出现破损；支座锈蚀。 2 4 1 桥面铺装层的病害分析 该桥桥面铺装部分位置出现开裂及破损，其中每孔梁桥面铺装层均有几条纵向 裂缝，最大破损裂缝宽度达到2 5 c m ，最长裂缝长约1 0 m ；桥面铺装层横向裂缝主 要集巾在简支梁端部，这主要与粱体的，f i 、r 整及仲缩缝的破损有较大关系。桥面 铺装层有十余处破损，破损的最大面积达1 0 m2 。西坝侧0 号桥台及l 号墩处的t 梁端部铺装层存在高差，最大处高达4 e m ，由于高低不平引起车辆对粱体的冲击 效应增大，隆氐粱体端部的耐久性及行车舒适性。 桥面铺装是桥梁上部结构的组成部分，它直接承受车轮的压力、冲击和剪切作 用，并在汽车和气候变化的反复作用下被磨耗和风化。同时，山于它粘结存粱体 顶面，成为受力结构的上缘部分，承受一定的内力。它的主要作用：一是防巾车 辆轮胎或履带直接磨耗粱板：j 是保护主梁免受雨水腐蚀：三是分布午轮集中荷 载。因此要求抗车辙、行车舒适、抗滑、耐磨、4 i 锈水、刚度和强度好等。桥面 铺装多出现网裂、纵横裂、破碎和漏筋等病害，4 i 仪影响舒适的行4 ：条件，而h 增加了车辆的动力作用，影响到桥梁主体结构从而使之损坏，这些都直接关系到 湖北工业大学硕士学位论文 桥粱结构物的承载能力及使用寿命。 桥面铺装出现病害的原因很多，具体的表现形式是桥面防水混凝上破损导致 桥面铺装的破坏。 原因之：卡粱在施工过程巾质量得不到严格的控制。施工质量控制不均匀， 其离散性报大。比如截面尺、j 时大时小，预应力的施加也不均匀，这样导致的结 果是同批生产的梁，其预拱度有很大的差异。架设主梁以后，横桥向缚片粱的预 拱度差距会很大，桥面铀装的厚度变化也很人，易造成桥面不、f 整，这样容易产 生桥面的破损。 原冈之二：桥面铺装防水混凝上的强度过低。其强度人低j 主梁的强度，在 实际的运营阶段，桥面铺装混凝土的受力状态是很复杂的，尤其足在 | 阿高等级 公路中f 交的桥梁已经很少，多数是斜交的桥梁，斜交桥梁桥面铺装混凝土的受 力状态更加复杂。 因此桥面铺装防水混凝土的强度过低也是桥面铺装破坏的原因 夕一。 2 4 2 桥面伸缩缝的病害分析 带挂梁的t 形刚构桥桥面1 1 t t 缩缝较多已损坏，该桥上的伸缩缝损坏较为严重， 其中梳形板伸缩缝有两处掉落及多处锚崮螺栓失效，而填嵌沥青伸缩缝大部分均 已失效，起小到防水功能，导致支序处于雨水长期渗透、垃圾的堆积腐蚀，支座 锈蚀严重。 伸缩装置是为解决桥梁温度应变、混凝上徐变等变形而设置的。设置在梁端或 桥端构造l ? 相对比较薄弱的部位，加之伸缩缝装置的件能及连结等4 i 尽完善，因 此在车轮荷载反复作用下，伸缩缝极易发牛损伤。 伸缩装置 h 现问题的原因很多，由于伸缩缝受力复杂，有产品本身问题，也有 设计和施工的问题。归纳起来有：1 交通量增大，重载车增多，时伸缩缝的撞击及反 复荷载作用也增人，会造成伸缩装茕的破坏。2 在设计方面，f 的桥梁局部结构， 桥面板的刚度不足，导致桥面板变形过大。有些装置的锚崮不牢，在荷载作用下， 会导致混凝一i ：粘接力的失效。伸缩量计算不准确，选型不当也会造成伸缩装置破 坏。错误地选定构造和材料且防水、排水设施不完善，引起漏水、溢水、锚固件 受腐蚀，粱端和支座侵蚀，“重，也会造成伸缩装胃的破坏。3 施i ：方而原因，可 能为赶 期，放松施工质量，小按设计图纸要求旌工，也足破坏的原因，伸缩装 湖北工业大学硕士学位论文 置两侧混凝土和沥青混凝土铺装层结合不好，碾压不密实，形成两张皮，容易产 生丌裂、脱落，最终引起伸缩装置的破坏。4 管理维护原因，由于桥梁逐渐老化， 桥梁严重超载，维修不充分，因此破坏不断扩展。另外，安装后混凝上没有达到 强度就提前开放交通也是造成伸缩缝损坏的原因。 2 4 3 梁体裂缝病害分析 1 常见裂缝产生的原因 裂缝是桥梁最常见的缺陷和主要病害，丽病害往往是从裂缝形成而始：裂缝隙是 结构变形的结果，是桥梁状况的外在表现。凶此，重桃裂缝研究，找出裂缝隙产 生的原因，对于桥梁维修和加固有着直接的意义。 裂缝产生的原因：经过对结构件裂缝隙分析呵以得知，只有当“迫变( c ) 足够大”对，才引起缔构裂缝，与形变( 6 ) 、臼变( i ) 大小无直接天系，这样 就呵以简化化问题的分析。 迫变来自外力( 或者阻力) ，裂缝发生在垂直于外力的作用面一卜。当张拉 迫变足够大时，在该作用的截而 ：便发，1 ：裂缝。 迫变有严格的方向性，裂缝隙也有严格的方向性，因此，根据发q ：裂缝隙 的时问和裂缝的形式，反求出追变大小及方鼬。 例：设某一构件的材料张拉追变极限为fej 自然裂缝的必要条件是 c = 卜6 ：当某方向有约束时，此方f , j6 0 ，一一i ，所以只要i ：e ， 则产生裂缝，这种裂缝叫做自然裂缝。 由荷载直接引起的裂缝，称为荷载裂缝，记为= 吾标准极限( 张力迫变极 限) ，鼋d 2 0 醴，汁算时采用：卜l5 c c ，口= 1 0 1 为混凝 温度的线膨 胀系数o r ，作为变形单位。 裂缝特征 当e e ，立即发生裂缝。 裂缝隙产，之后，可能出现两种结果：舀：外因f 1 | 1 j 下，只有迫变才能j “7 t - 裂缝， 只要根据结构的变形解决迫变现象，裂缝隙就冬会发展而且还会愈合：如聚迫 变作用还存在，虽然裂缝已修补，裂缝还会4 ，i ：裂。 湖北工业大学硕士学位论文 迫变e 有严格的方向性，裂缝也有严格的方向性和规律性可寻。 结构是否开裂，以及裂缝大小，耿决于e e ：裂缝方向和形式，取决于构 件的部化和迫变的方向。 2 三江桥梁体病害分析 ( 1 ) 对t 桥t 型刚构箱内结构部分进行调查，发现箱梁横隔墙裂缝较多，以横 向裂缝为 ，部分裂缝延伸至腹板，贯穿横隔墙，且最大宽度达0 8 0 m m ；有些成 桥时就已发现的裂缝，白今未见明显增长、变宽，且这些裂缝延伸至腹板时未见 腹板对应处产生裂缝，表明经过了二十多年这些裂缝还比较稳定。这主要是变形 变化引起的裂缝。结构由于温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等闪素而引起的裂缝。 这种裂缝起因是结构首先要求变形，当变形得不到满足才引起应力，而且应力尚 与结构的刚度大小有关，只有当应力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出现后变形 得到满足或部分满足，同时刚度下降，应力就发生松弛。变形荷载的作用，从环 境的变化，变形的产生到约束应力的形成，裂缝的出现与扩展等都不是在同一 时间瞬时完成的，它钶个“时问过程”，称之为“传递过程”，即应力累积和 传递的过程，它是一个多次产生和发展的过程。 ( 2 ) 经过对主桥中孔、边孑l 3 0 m t 挂梁的检查，发现边梁翼缘板有三四处混凝上表 面钢筋锈蚀胀裂的微裂缝及t 梁端部两翼缘板连接处几处渗水混凝土表面泛白；对 引桥2 0 m 、3 0 m t 梁的详细榆垒，发现2 0 m t 梁由于其为普通钢筋混凝土结构，腹板裂 缝较多，多为峰向裂缝，裂缝呈中问宽，沿两端逐渐收缩；3 0 m t 梁为预应力混凝 _ j j 结构，腹板有少数儿条裂缝，宽度较小，长度较短：t 梁端部两翼缘板连接处发 现渗水现象，渗水导致翼缘板底板混凝上表面出现泛臼现象；边粱翼缘板外侧底 板出现少数细裂缝。 这些主要是些沿粱腹板梁高度上的表面裂缝和斜裂缝。 表面裂缝，它常见于t 形粱的腹板侧面上，在半梁高度处常出现枣形裂缝，问距 无规律：裂缝的位置和方向：腹板裂缝，常出现在粱的跨中，并垂直于主钢筋：在支 座到1 4 跨径之叫，裂缝与主钏筋形成6 0 0 斜角。这类裂缝产生的原因是：混凝t 等 级低、质量不均匀，在受到较大倚载，易沿腹板j “， 三裂缝。这种类型的裂缝，最 大宽度极变化不人，但是，容易与受拉区裂缝柑连接。 至j 一粱腹扳的斜裂缝，这螳裂缝常发巾在支座到1 4 跨径之州，出现在粱的侧 面，并与粱形成45 06 0 0 厶：右的央妇。其原冈是：梁在弯剪力f i - j 】于1 - - ，在0 【d 阵 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 域产生的主拉应力，超过了该部位的材料抗拉强度。随着荷载增加，斜裂缝隙也 逐渐增大。在o i j 4 梁段内，外力主要以剪力形式出现，因此，裂缝形成角度大于 45 0 ：随着弯矩增加，梁腹板在剪一弯作用下，发生剪弯裂缝，裂缝则与粱纵向 成为3 0 0 一4 5 0 角。裂缝条数为卜2 条，缝宽为0 20 3 m m 。这种裂缝的发生的过程： 先出现垂直f 粱轴的弯曲裂缝，再发生倾斜裂缝。 2 4 4 其他病害分析 对葛洲坝二汀公路大桥的病害调查表明，该桥还有其他病害，如：支座瘸害、 人行道及栏杆严重破损：桥面排水不畅等病害。入行