（水利工程专业论文）旧桥安全评估及旧桩利用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的快速发展，公路交通运输量急剧上升，桥梁负荷日趋加 重，加之设计、施工及老龄化等原因，使得运营中的桥梁病害不断出现，承载能 力降低，严重的已经影响到桥梁的正常使用，急需进行维修加固或重建。面对这 一问题，首先需要对现有桥梁进行完整的检测，再根据桥梁的受损状况得出安全 评估结论，并拟定桥梁的进一步处理方案。 本文以济宁洗河大桥为背景，对桥梁的现场检测、评估及重建进行了探讨， 主要开展了如下的工作： 1 对国内外现有的桥梁结构安全性评估方法的现状进行了评述，详细论述了各种 评估方法的基本原理及特点，并深入阐述了桥梁安全性评估的内涵。 2 本文对济宁洗河大桥进行了外观检测和静载试验，全面分析了该桥的应变、挠 度的变化，并与相应的桥梁设计规范标准、荷载试验规范标准的容许值以及理 论计算值进行了对比分析，为同类桥梁的承载能力研究提供依据。 3 根据安全评估结果，对济宁洗河大桥进行了重建。提出了一种直接利用原有桩 基础的旌工方法，大大降低了工程造价，缩短了工期。 关键词：旧桥检测；荷载试验；重建；桩基础 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s tg r o w t ho fc h i n e s ee c o n o m y , i n c r e a s i n ga m o u n t so ft r a f f i cm a k eb r i d g e s b u r d e nm o r ea n dm o r e i nc o m b i n a t i o nw i t hp r o b l e m so fd e s i g n 、c o n s t r u c t i o na n d d u r a b i l i t y , al o to fb r i d g e sh a v eb e e nd a m a g e da n dt h e i rc a r r y i n gc a p a c i t yh a v eb e e n w o r s e nt o om u c ht oo p e r a t en o r m a l l y ，w h i c hs h o u l db es t r e n g t h e n e da n dr e b u i l ta ss o o n a sp o s s i b l e i nf a c eo ft h i ss i t u a t i o n ，c o m p l e t ed e t e c t i o no fe x i s t i n gb r i d g e ss h o u l db e c a r r i e do u tf o rs a f e t ye v a l u a t i o na n df u r t h e rm e a s u r e m e n t ss h o u l d b ec o n d u c t e d a c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i o nr e s u l t s t a k i n g j i n i n gg u a n g h eb r i d g e a sa ne x a m p l e ，t h ed e t e c t i o n ，e v a l u a t i o na n d r e b u i l d i n go fb r i d g ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , t h em a i np o i n t sa sf o l l o w i n g ： 1 t oi n t r o d u c et h ee x i s t i n gm e t h o d so fs a f e t ye v a l u a t i o no fb r i d g e s b a s i ct h o e r ya n d c h a r a c t e r i s t i co ft h e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l sa n ds i g n i f i c a n c eo fs a f e t ye v a l u a t i o na r e e x p o u n d e dg r a d u a l l y 2 v i s u a le x a m i n a t i o na n ds t a t i cl o a dt e s to fj i n i n gg u a n g h eb r i d g ea r ec o n d u c t e d ，a n d t h ev a r i a t i o no fs t r a i na n dd e f l e c t i o na r ea n a l y s e dc o m p r e h e n s i v e l y t h er e s u l t so ft e s t s a r ec o m p a r e dw i t ht h el i m i t so fc o r r e s p o n d i n gb r i d g ed e s i g nc o d e s ，l o a dt e s t i n gc o d e s a n dt h et h e o r e t i c a lv a l u e s ，i no r d e rt op r o v i d et h eb a s i sf o rt h es t u d yo ft h ec a r r y i n g c a p a c i t yo ft h es i m i l a rd i m e n s i o n i n gb r i d g e s 3 j i n i n gg u a n g h eb r i d g ei sr e b u i l ta c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o no fs a f e t ye v a l u a t i o n a n e wc o n s t r u c t i o nm e t h o do fu t i l i z i n go l dp i l ei sp u tf o r w a r d ，w h i c hr e d u c et h ec o s ta n d t i m eo f p r o j e c t k e y w o r d s ：d e t e c t i o no fo l db r i d g e ；l o a dt e s t ；r e b u i l d i n g ；p i l ef o u n d a t i o n v l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期t o 予- 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名弛师签名： 日期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 国内现有桥梁的状况 我国大部分桥梁是建国后兴建的，使用年限一般在3 0 年以内，病害问题尚 未大量暴露，但当前己有一定数量的桥梁发生老化、破损现象，其承载能力明显 降低，给交通安全带来隐患。根据1 9 8 2 年全国公路普查资料，我国公路现有桥梁 中危桥约占3 5 4 ；而国道干线上的危桥约占2 4 。在现有桥梁中，除按1 9 7 2 年 交通部颁布的公路工程技术标准( 试行) 和1 9 8 2 年以来按部颁公路工程技术标 准( 7 t 7 1 1 9 8 1 ) 设计建造的桥梁，尚能基本满足近期交通要求外，在此之前，特 别是2 0 世纪5 0 年代后期及6 0 年代的一些桥梁大都发生荷载吨位不足，甚至干线 公路桥梁重车无法通过的情况时有发生【。目前，国道干线桥梁存在较多问题，如 桥面净宽不足；老化、破损、裂缝；亦或其他工程施工影响而引起破坏；同时， 必须清楚地看到新建的桥梁中，由于施工工艺、方法、材料等因素的影响，使新 桥也很快地称为被维修的对象。例如，1 9 9 9 年3 月被全国人大代表点名批评的四 条高等级道路( 沈四线、柳南线、昆绿线、佛开线) 称为豆腐渣工程，其中佛开线 ( 佛山一开平) 是1 9 9 6 年1 2 月竣工，1 9 9 8 年9 月全路封闭维修三个月，原因是该 路的所有桥面均出现大面积开裂、松散等，严重地影响车辆的运行。因此，对这 些出现问题的桥梁，无疑地必须进行全面检测，视其病害状况，进行处治【2 j 。 1 1 2 国外现有桥梁的状况 美国自1 9 7 8 年至1 9 8 1 年对全国公路桥作了调查。美国共有公路桥5 6 6 0 0 0 座， 其中有4 0 以上( 超过2 0 0 0 0 0 座) 都有不同程度的损坏：9 8 0 0 0 座桥梁结构强度降低， 应停止或只能限载通行；1 0 2 0 0 座桥梁车行道太窄、桥下净空不够或承载力不足。 由于桥梁的陈旧老化，弃养失修，塌桥事故不断发生，给美国经济发展和人民生 活带来了及其不良的影响。 日本在7 0 - - 8 0 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，给现有公路桥梁造成了越来越大的压力。1 9 5 6 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5 5 0 0 座，其中普通混凝土 桥约4 5 0 0 座。 德国于1 9 7 8 - 1 9 7 9 年，对1 5 0 0 多座钢筋混凝土和预应力混凝土公路桥作了全 山东大学硕士学位论文 面检查，发现桥龄在5 0 6 0 年的钢筋混凝土桥中，有2 7 的桥梁其上部结构至少有 一处严重损伤；6 4 至少有一处重要损伤；7 7 至少有一处中等损伤。3 0 - 3 5 年桥龄 的钢筋混凝土桥中，有1 3 的桥梁上部结构至少有一处严重损伤；3 7 至少有一处 重要损伤；5 3 至少有一处中等损伤。2 0 - 3 0 年桥龄的，有8 的上部结构至少有一 处严重损伤；2 4 至少有一处重要损伤；4 6 至少有一处中等程度损伤。而预应力 混凝土桥的损伤情况比钢筋混凝土桥更严重，2 0 3 0 年桥龄的预应力混凝土桥，有 将近5 0 的桥梁上部构造至少有一处重要损伤，其中2 3 至少有一处中等损伤。 因此，对现役桥梁进行结构安全性评估具有重要的经济和社会效益是迫切需 要解决的课题。 1 2 研究意义 对桥梁结构进行评估，是对桥梁进行有效的合理的管理和维护的基础，而桥 梁检测和监测是进行桥梁评估的基础。对桥梁结构进行检测的最终目是对桥梁实 际工作状况有一个正确的估价，没有正确适当的桥梁评估方法检测工作，就将失 去应有的实际作用和意义，对于桥梁结构的管理及维护工作，也将无法有效地实 施。可以说评估是实现对桥梁科学管理及维修养护的重要前提条件。 开展桥梁评估理论和方法研究，对正确评估桥梁的安全性，避免生命财产的 损失和延长桥梁的使用寿命是非常有价值。通过桥梁的检测和评估，真正了解桥 梁的实际状态( 包括损伤状态) ，实际承载力和使用寿命等，可以使桥梁的技术改 造决策更加科学化、技术改造方案的设计和制定更加经济、合理，从而保证桥梁 的安全使用，这对确保交通运输畅通和经济稳定发展有着重要的经济和社会效益 【3 】。通过正确评价桥梁结构的承载状态，既能继续充分发挥大量己建桥梁的承载功 能，节省新建改建所需的大量资金，又能鉴定和发现桥梁存在的危险隐患及时采 取恰当的维修、加固技术措施，避免发生车辆和行人的安全事故。 因此，通过桥梁结构的安全性评估，对桥梁的实际承载能力进行分析、评定， 并在此基础上对整个桥梁结构的实际状态做出评价和鉴定，及时为桥梁管理、维 修和加固提供科学、可靠的决策依据，保证桥梁的安全使用。 1 3 桥梁安全性评估的研究现状 桥梁结构的安全性是指在规定的期限内，在正常施工和正常使用情况下，结 构能承受可能出现的各种作用( 指直接施加于结构上的荷载和间接施加于结构的， 山东大学硕士学位论文 曼皇曼曼曼曼曼! ! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼詈皇寡io 皇曼! 曼! ! 曼曼曼! 曼曼蔓曼皇曼曼皇鼍曼鼍曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼葛 引起结构外加变形或约束变形的原因) ，在偶然事件( 如罕遇地震撞击等) 发生时及 发生后，结构发生局部损坏但不致于出现整体破坏和连续倒塌，仍能保持必需的 整体稳定性1 4 1 。对于桥梁工程，桥梁评估就是“评定承载能力、确定材料强度或对 结构条件的分类”i s 】。在英国近年颁布的桥梁评估文件中嘲，评估的定义是“调 查并依据规定的车辆荷载等级确定结构的承载能力 。由于桥梁状态评估涉及的 范围广、因素多，在对其内涵的理解上，往往有所偏重。目前的重点放在桥梁的 承载能力评估方面一种可能较为全面的定义是：评估就是“利用特定信息分析现 有桥梁的可靠性并做出工程决策的工作过程。它可分为信息资料收集和处理，计 算机分析评估模型的建立与修正分析评估和决策建议等三个主要部分”。 1 3 1 国内桥梁结构安全性评估研究现状 八十年代中期国内开始研究桥梁评估管理系统。由四川公路研究所、广东省 公路研究所、交通部公路研究所等单位在利用国外已经开发的桥梁评估系统的经 验基础上，根据我国的国情先后开发了四川省桥梁数据库系统、广东省桥梁管理 系统、北京市桥梁管理系统等【| 7 1 。交通部在9 0 年代对公路桥梁承载能力开展了一 系列的研究工作，主要侧重于桥梁检测与加固技术的研究，通过理论分析来挖掘 既有桥梁的承载潜力。在1 9 8 8 年1 9 9 3 年分别颁发了公路旧桥承载力鉴定方法( 试 行) 【8 】和桥梁可靠性鉴定规程，使桥梁评价工作逐步走上了正轨。 1 3 2 国外桥梁结构安全性评估研究现状 自2 0 世纪8 0 年代以来桥梁的安全性评价日益受到国内外专家学者的重视。 人们在桥梁的安全性评价方面进行了大量的研究，特别是欧、美、日、澳等发达 国家，诸多学者致力于桥梁结构安全性评估的研究，有力地推动了该领域的发展。 在一些工业发达国家，比如美国和英国，从8 0 年代起，桥梁结构研究的重点已逐 步转向养护、维修鉴定、评估和加固改造方面，并已取得长足进展【1 3 】。在公路桥梁 方面，美、英、加拿大先后颁布了基于极限状态原理的桥梁评估标准或文件【1 4 】。 英国自1 9 6 0 年发生了一起桥梁在使用过程中垮塌的严重事件后，国家开始投 入大量人力、财力对旧桥能否满足现代交通承载要求的问题进行研究。1 9 6 7 年正 式提出了桥梁防护规则，1 9 7 8 年将该规则加入了b s 5 4 0 0 。1 9 8 4 年提出了专用的桥 梁评估规范，给出了评定桥梁承载力的一般原则。对于旧桥或己有损伤的桥梁， 英国主要采用荷载试验的方法确定其承载能力f l5 1 。在2 0 世纪8 0 年代，美国联邦 山东大学硕士学位论文 公路研究组织主持开展了关于“既有桥梁的承载能力评定”的研究课题【1 引，1 9 8 8 年开发了世界上第一个桥梁管理系统“国家桥梁档案数据库 。1 9 9 4 年j d e b r i t o 等针对混凝土桥梁开发了桥梁管理专家系统。系统功能分为两大模块：检测 模块和桥梁管理策略优化模【l 。h g m e l h e m 和s e n a k aa t u r a l i y a 采用专家系统工 具c l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) 建立了桥梁总体评价程序， 提出了采用模糊加权向量方法得到相应各评价子集的模糊加权向量，提高了最终 评价结果的稳定性支持检测评价结果的分散性，克服了对部分监测可能不精确检 测结果的敏感性。系统对桥梁结构的最终评价值分为卜9 级，并按照各级指标的 权重及评价结果，进行检测和维修策略的制订l ls 】。1 9 9 6 年h i t o s h if u r u t a 等采用 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 与神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ) 相结合的方法开发 了桥梁损伤模糊评价专家系统i l9 1 。 王永平等提出用损伤来度量桥梁结构或构件的损伤程度，使用模糊数学原理 建立了桥梁使用性能的模糊综合评价体系和桥梁评价的专家系统【9 】。系统知识库通 过对众多专家的咨询和对专家经验的分析整理获得，系统具有一定的机器学习功 能。刘沐宇等依据层次分析法的基本思想，建立了完整的大跨度钢管混凝土拱桥 安全性评价模型及其指标体系，并引入模糊理论建立了大跨度钢管混凝土拱桥安 全性模糊综合评价方法【10 1 。陆亚兴等根据桥梁结构的特点以及缺损特征提出了桥 梁构件缺损状况的监测内容及构件的5 级评定标准，将桥梁缺损状况指数 b c i ( b r i d g ec o n d i t i o ni n d e x ) 作为桥梁缺损状况评价指标，建立了b c i 的计算模 型。通过主客观相结合的方法标定了模型的各项参数，并探讨了b c i 与桥梁养护 维修对策之间的对应关系【l l 】。潘黎明采用层次分析法( a h p ) 模糊数学理论和人工神 经网络方法对斜拉桥的安全性及耐久性评价进行了深入研究，开发了大型桥梁安 全性和耐久性评价的神经网络专家系统，其综合评价结果为桥梁总体状态对应于 优、良、中、差、劣五个等级的模糊隶属度向量【1 2 1 。 1 4 桥梁荷载试验的发展 公路桥梁荷载试验在1 9 世纪以前还没有直接量测结构应变的仪器。直至2 0 世纪2 0 4 0 年代才出现各种类型的应变计。桥梁荷载试验已有1 0 0 多年历史，它 是随着桥梁检测技术的发展而发展起来的，桥梁结构的检验工作也在几乎是空白 的基础上得到了长足的进展【2 0 l 。 4 山东大学硕士学位论文 曼曼曼i l 。曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼蔓皇蔓曼曼皇皇皇皇曼量曼曼曼曼皇曼皇曼皇鼍皇鼍皇皇量皇曼皇曼皇皇曼皇曼曼蔓曼皇曼曼! 曼蔓皇曼量皇詈曼曼曼曼皇曼曼曼曼 1 4 1 国内桥梁荷载试验的发展 我国桥梁荷载试验的研究起步较晚，桥梁试验与历史数据相对较少，相应规 范冲击系数取值偏小。建国后，荷载试验才取得了较快速的发展。1 9 5 7 年1 0 月， 著名的武汉长江大桥全部建成后，经受了极为严格的科学检验。1 9 6 8 年世界闻名 的南京长江大桥建成后也经受了大规模的全面检验。先进的设计方法和施工技术 促进了结构试验研究工作的发展，反之荷载试验也使设计方法和施工技术日益得 到完善。 我国公路桥涵车辆荷载标准经历过套用美国标准，参照苏联标准，到第一次 拟订反映我国实际情况的车辆荷载标准的历程。文革后，我国先后颁布了三本规 范，分别是：1 9 7 5 年试行的公路桥涵设计规范( 适用- 7 5 ) ( 简称7 5 规范) 、1 9 8 9 年执行的公路桥涵设计通用规范( j t j 0 2 1 1 9 8 9 ) ( 简称8 9 规范) 、2 0 0 4 年实施 的公路桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 2 0 0 4 ) ( 简称0 4 规范) 。其主要依据仍然 是1 9 8 5 年德国柏林国际会议上通过的大跨径混凝土桥梁的试验方法草案和交 通部1 9 8 8 年颁布的公路旧桥承载能力鉴定方法( 试行) t 2 1 - 2 z 】。 从9 0 年代开始，我国也开始了光纤传感技术的应用研究。同济大学、重庆大 学、哈尔滨工程大学等院校己对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究，并 已应用于桥梁检测中，取得了较好的效果【2 引。 1 4 2 国外桥梁荷载试验的发展 1 8 5 0 年英国建造的最大跨径为1 4 0 米的箱形连续梁铁路桥( 不列颠桥) ，原设 计是一座有加劲梁的吊桥，在建造过程中，曾进行荷载试验，并改变了原设计方 案。1 9 世纪7 0 年代后期德国人k 库尔曼、英国人w j m 兰金和j c 麦克斯韦 等人使结构力学获得很大的发展，能够对桥梁各构件在荷载作用下发生的应力进 行分析，推动了连续梁的发展，同时也推动了荷载试验的发展。 相对于桥梁的静载试验，桥梁的动载试验的发展更是受到专家的重视，因为 动载下，桥梁与车辆的耦合受力情况非常复杂，模型的简化也在逐渐更新，使其 更贴近实际。桥梁在动载作用下的承载力研究始于1 8 4 4 年法国与英国对b r i t a n n i a 桥进行的模型试验。随后r w i l l i s 于1 8 4 9 年进行了系统的模型试验与实桥测试， 并开始从理论上研究桥梁的冲击问题。此后，桥梁的车辆振动研究得到了很快的 发展，到3 0 年代己建立起车辆振动的近似计算理论【2 4 】。在这期间，a a 乌曼斯基 。山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼i r i i i 曼曼! 曼曼曼曼曼曼舅 就对连续和铰接体系浮桥的自由振动进行过初步分析。b h 吉洛夫将浮桥看作为 无阻尼的弹性地基梁，把附加质量作为常数并计及移动荷载质量进行动力分析， 求出了连续体系浮桥在若干典型情况下的封闭解【2 5 】。 1 9 5 7 年b i g g s 等、1 9 6 1 年f l e m i n g 等的研究开始了现代车辆振动理论的新阶 段，他们假设车辆为弹簧支撑的单质量刚体，并用计算机寻求动力响应的数值解。 在实验研究方面，瑞士的e m p a 的工作最为系统。他们自1 9 2 2 年a a r a u 的k e t t e n 桥进行了第一座桥梁的动态试验以后的6 0 多年来，对大量的桥梁进行了动载试验， 特别是1 9 5 8 年到1 9 8 1 年所做的3 5 6 座桥梁试验取得了非常有价值的成果。最具 代表意义的成果就是提出了的冲击系数的取值原则【2 6 2 8 1 。 9 0 年代w a n g 和黄东洲将车辆和桥梁模拟为空间结构，路面竖向的不平顺假设 为一平稳的随机过程，研究了多梁式桥、斜拉桥、刚架桥、曲线桥、斜桥及箱梁 桥的车辆振动问题，得到了不少重要结论。目前国际上较好的桥梁一车辆振动系统 的分析力学模型，如图1 - 1 所示，该模型共有五个刚体：拖车、挂车和三个轮轴。 拖车和挂车各有三个自由度，轮轴各有两个自由度，悬挂弹簧位移与力的关系假 设为非线性，轮胎弹簧为线性，路面竖向不平顺【2 9 3 1 1 。 k l n k i ” 叭：、，7 lx 2 一 y 1 图1 1 桥梁一车辆振动系统的分析力学模型 桥梁荷载试验的发展还体现在测试仪器及分析软件的自动化程度上。试验的 自动化程度与各国的具体条件、试验规模和试验性质有关，比较先进的可做到数 据自动收集、数据自动分析处理以及试验过程完全自动化( 包括试验加载程序控 制，数据收集和处理过程自动化) 【3 引。最近几年，光弹试验技术方面的发展很快， 1 9 8 9 年美国布朗大学的m e n d e z 等人首先提出了光纤传感器用于钢筋混凝土结构 的检测，并给出了实验结果之后，美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等发 达国家，纷纷将光纤传感技术应用在桥梁、大坝等大型民用基础设施的安全监测 6 山东大学硕士学位论文 中，取得了很大的进展。1 9 9 6 年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州i 1 0 桥健康检测系统，它由6 0 个f b g ( 光纤布喇格光栅) 传感器组成，可实现动态与 静态应变测量。1 9 9 7 年，美国的佛丝特米勒公司也用f b g 传感器完成了俄亥俄 州巴特勒县高速公路桥健康检测系统。美国的维蒙特大学与美国电光子公司合作 研制了用于检测桥梁、公路腐蚀的光纤腐蚀传感技术，并在1 9 9 7 年的夏季首次应 用在维蒙特市北部的3 座桥上，取得了较好的测量效果。瑞士的联邦技术研究所 与瑞士智能结构公司基于准相干光干涉原理开发出了光纤应变、变形传感器，传 感头可方便地埋入混凝土结构的内部或固定于任意结构的外部。为了和传统的电 检测技术比较，智能结构公司于1 9 9 5 年在日内瓦附近的一座高速公路桥上同时安 装了光纤传感器和传统的应变片、热电偶应变传感器。但只有光纤传感器完成了 从施工、竣工检验、通车使用全过程中的混凝土固化的热收缩应变、负荷试验、 长期应用考验。 随着检测技术的发展，在桥梁的荷载试验方面，大量新型的设备己投入到生 产实践中，新型传感器具有更高的精度、可靠度和耐久性；检测数据通过可靠的 自动化数据收集系统、处理系统可直接输出结果，节省了大量时间，同时能保证 数据的精确度。因此，未来桥梁试验应该不断修改试验理论及完善试验检测手段， 使之与桥梁设计理论更相吻合。通过设计理论来指导桥梁试验，而试验结果又反 过来促进设计理论的改进与完善。二者相辅相成，缺一不可。 1 5 桩基技术的应用和发展 深基础是当地基浅层土质不良，无法满足结构物对地基变形和强度方面的要 求时，以深层较为坚实的土层或岩层作为持力层，用来传递荷载的基础。深基础 具有较深的埋置深度，且用有效的、特殊的施工方法建造。深基础主要有桩基础、 沉井和地下连续墙等，其中，桩基础以其有效的、经济等优点使用最为广泛。桩 基础是由设置于岩土中的桩和联接于桩顶端的承台组成的基础 33 1 。常用于工业与 民用建筑、桥梁、港口、动力机器基础等工程中。 桩基础由承台和埋置于土中的桩群组成。承台把桩连接起来，并承受上部结 构的荷载，然后通过桩传到地基中去。随着科学技术的发展，为了满足各种结构 物的要求，在工程实践中可采用各种不同类型的桩和桩基础。桩根据不同的目的 可以有不同的分类方法【3 4 】： 7 山东大学硕士学位论文 根据桩的受力条件可分为端承桩与摩擦桩。端承桩主要依靠桩底土层抵抗力 支承垂直荷载。桩穿过较软弱土层，桩底支承在岩层或硬土层( 如密实的大块卵 石层) 等实际非压缩性土层上，沉降量甚微，故桩侧摩阻力可忽略不计，全部垂 直荷载由桩底岩层抵抗力承受。摩擦桩主要依靠桩侧土的摩阻力支承垂直荷载。 桩穿过并支承在各种压缩性土层中，一般情况下，桩基沉降量较大，桩底土层也 支承部分垂直荷载。 通常端承桩承载力较大，基础沉降小，较安全可靠。但若岩层埋置很深，沉 桩困难时，则可采用摩擦桩。此外，根据桩所承受水平外力的大小不同，还可设 置成竖直桩( 水平外力小) 和斜桩( 水平外力大) 。 根据桩的施工方法通常可分为预制桩、灌注桩和管柱基础三类。预制桩是将 各种预先制好的桩( 多为钢筋混凝土或预应力混凝土实心方桩或管桩，也有钢桩 或木桩) 以不同的沉桩方式( 如锤击打入，振动下沉，静力压桩等) 沉入地基内 达到所需要的深度。预制桩桩体质量高，可工厂化大量生产，施工速度快，适用 于一般土地基。但含筋量大，成本高，较难沉入坚实地层，接桩截桩困难，并有 明显的挤土作用，应考虑对邻近结构的影响。 灌注桩是在现场地基中采用钻、挖孔机械或人工成孔，然后浇注钢筋混凝土 或混凝土而成的桩。灌注桩桩径大，承载力高，用钢量小，成本低，在施工过程 中可避免挤土及噪声等对周围环境的影响，但在成孔成桩过程应采取相应的措施 和方法，以保证孔壁的稳定和提高桩体的质量。 管柱基础是将预制的大直径( 直径l m 5 m 左右) 钢筋混凝土或预应力混凝土或 钢管柱，用大型的振动桩锤延导向结构振动下沉到基岩( 一般辅以高压射水和吸泥 机) ，然后在管内钻岩成孔，下放钢筋笼骨架，灌注混凝土，将管柱嵌固于岩层。 管柱基础可以在深水及各种覆盖层条件下进行，无水下作业不受季节限制，但施 工需要有振动沉桩锤、凿岩机、起重设备等大型机具，动力要求也高，因此在一 般公路桥梁中较少采用。 1 5 1 我国桩基技术的应用和发展 桩基础是最古老的基础型式之一，桩基用于桥梁，历史亦极为悠久。桩基础 在我国桥梁工程中的应用以有如下几个阶段， 1 9 5 0 年以前，我国桥梁工程多采用木桩基础，虽然钢筋混凝土桩和钢桩也有 8 山东大学硕士学位论文 应用，但数量较少，桩的制造工艺和施工质量均不高。如3 0 年代建于浙赣铁路上 的钱塘江大桥就曾采用过木桩和钢筋混凝土桩基础，本世纪初建造的郑州黄河大 桥( 老桥) 采用过铸钢管桩基础。 桩基础在我国桥梁工程中的大规模应用和发展还是在1 9 5 0 年以后，木桩逐渐 被钢筋混凝土和预应力混凝土桩所取代，工程中开始普遍采用钢筋混凝土预制管 桩和方桩基础，如武汉长江大桥、余姚江大桥、奉化江大桥、南京长江大桥、撞 关黄河大桥等等。由于普通钢筋混凝土管桩的抗裂能力不高，尤其在沉桩过程中， 桩身防止横向裂缝的能力较差，1 9 6 6 年丰台桥梁厂开始研制先张法预应力离心混 凝土管桩，并于1 9 7 0 年正式投入成批生产。 1 9 6 3 年，我国河南首次在安阳冯宿桥成功使用了钻孔灌注桩基础，1 9 6 5 年4 月交通部在河南省南阳市召开了钻孔桩技术鉴定会。自此在我国桥梁工程中开始 广泛采用钻、挖孔灌注桩基础。如松花江大桥、山东北镇黄河大桥、长沙湘江大 桥、郑州黄河大桥等等。随着桩基施工技术的提高，桩径、桩长均得到大大提高。 目前，我国桥梁工程中最大桩径己逾5 m ，基桩入土深度最深己达1 0 7 m 。 1 5 2 桩基检测技术 桩基础属隐蔽工程，常常受水文、地质等情况及施工中的原材料、配合比等 多种因素影响，造成桩基断桩、夹泥、缩颈、离析及桩顶混凝土密实性较差等质 量缺陷。因此如何准确检测灌注桩桩基的施工质量与承载力，对消除工程的隐患 和旧桩基础的利用具有重要意义，严格控制与检测每根钻孔灌注桩的施工质量是 关系整个桥梁工程安危的极为重要的问题【3 5 j 桩基质量通常应包含两方面内容，一是桩基的承载能力3 6 4 0 】；二是桩身完整 t 生【4 1 4 6 1 。 桩基的承载能力检验有两种方法：一为静载试验，过去钻孔灌注桩桩基质量 检测一直沿用静载试验，尽管它能直接得出单桩的荷载( 沉降曲线) ，及实际短期 承载力，是确定单桩承载力较直接而有效的方法，但费用很高，且经过静载试验 的桩都因破损而废弃。由于静载检测数量有限，只占实际工程桩的1 - - 2 。单 纯依靠少量的试桩数据难以达到检测分析整个工程所有桩基承载力与质量的目 的；为高应变检测法，即根据土动力学和波动理论来推断桩基的承载能力，它 具有试验简单、快速、费用低等优点，但可靠性较差。 9 山东大学硕士学位论文 桩身的完整性检测有以下几种：钻芯检验法，常用地质钻机在桩身上沿长度 方向钻取芯样，通过对芯样的观察和测试确定桩的质量，但这种方法只能反映钻 孔范围内的小部分混凝土质量，而且设备庞大、费工费时、价格昂贵，不宜作为 大面积检测方法，而只能用于抽样检查，一般抽检总桩量的3 一5 ，或作为对 无损检测结果的校核手段。1 9 8 8 年国家科委召开了全国桩基质量无损检测新技术 成果推广会，肯定了动态检测技术的实用性和科学性，具有效率高、成本低的特 点，为综合评定桩基质量提供了简便易行的检测技术。无损检测是通过现场动力 试验来判断桩身质量、内部缺陷的一种测试方法，目前，国内应用较广的动测方 法有反射波法、机械阻抗法、水电效应法、共振法、超声波法( 声波透射法) 、动力 参数法等。 1 6 本文研究内容 本论文主要是基于现有规范与理论的基础上，通过对济宁洗河大桥进行桥梁 外观检测和静载试验的测试，并对其检测结果进行分析以判断桥梁的实际工作状 态及其承载力，并且提出了相应的维修、重建方案。主要内容包括： 1 通过对济宁洗河大桥的上部、下部结构，支座和桥面系等组成部分的外观检 测，对桥梁的耐久性进行了评估。 2 通过对各测点在静载试验各工况荷载作用下挠度、应变的测量，对数据进行处 理分析，并与理论值进行比较，判断出桥梁在静载作用下的实际承载力； 3 结合桥梁新建方案，对桥梁旧桩基的利用的进行了优化设计，根据检测评估结 果和使用要求，提出了济宁洗河大桥的桩基础施工工艺，可为同类的跨度桥梁 提供参考和借鉴。 l o 山东大学硕士学位论文 皇曼曼舅曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼量曼曼曼_ l n l _ mn,n 皇曼鼍 第二章桥梁外观检测 桥梁在运营过程中，在车辆荷载作用下以及受设计、施工、气候条件或其它 环境因素的变化和影响，钢筋混凝土桥梁或多或少会出现不同程度的损伤。桥梁 控制截面处的裂缝变形及应力、应变状态是反映桥梁的使用性能和承载能力是否 满足设计要求的主要指标。 桥梁外观检测是桥梁检测中一项非常重要的工作，我们通过外观检测可以大 致分析判断病害产生的原因或者施工后桥梁的大致工作情况，提出整治措施并且 有利于明确接下来工作的重点。现状检查包括上、下部结构和支座的外观检查， 如桥梁的总体尺寸、各部位的构件截面尺寸及支座布置位置，承重构件开裂与否 及裂缝宽度、分布情况及发展趋势，有无钢筋露蚀、混凝土剥落碳化情况，也包 括支座是否老化、基础有无动融灾害等，检查支座、排水装置、桥面铺装、扶手 栏杆等附属设施的质量状态p 引。 2 1 桥梁概况 洗河大桥位于济宁市济邹路，为东西向直线桥，横跨洗府河，全桥分两幅， 各自独立，建于不同时期，两桥共用中央防撞墙。本次检测以西为前进方向定义 前后左右，对桥梁构件顺序编号，记录病害，描述检测结果。 洗河大桥左右幅跨径设置相同，为1 8 1 x ：1 4 m ，桥面3 跨一联，一联内桥面连 续，各联间设置u 型伸缩缝。桥面总宽1 9 3 4 m ，横向布置为1 7 6 m ( 人行道) + 7 5 m ( 车行道) + 0 8 m ( 中央防撞墙) + 7 5 m ( 车行道) + 1 7 8 m ( 人行道) 。桥梁外观照 片见2 1 2 4 。桥梁立面、平面及横断面示意图见2 1 2 3 。 洗河大桥左幅桥即南半幅建于1 9 7 2 年，设计荷载汽1 3 、拖6 0 。本桥上部结 构为预制钢筋混凝土i 型梁和微弯型桥面板，i 型梁上部的后浇带将主梁与桥面板 连成整体，i 型梁高6 0 c m ，底宽3 0 c m ，中心间距1 6 0 c m ，每跨设5 个横系梁( 包 括端系梁) ，横系梁在桥面板中设置，没有直接与主梁相联；下部结构为双圆柱墩、 桩柱式桥台、钻孔灌注桩，双圆柱墩上固结盖梁，支座采用矩形板式橡胶支座， 每片梁两端下各设一个。桥面采用普通钢筋混凝土铺装。人行道栏杆采用钢筋混 凝土栏杆，表层涂石灰。 洗河大桥右幅桥即北半幅建于1 9 8 8 年，缺少设计资料，本次桥梁检测同时补 充本桥的主要结构尺寸，并以此作为计算数据。本桥上部结构为横向9 片钢筋混 凝土简支空心板，下部结构为双圆柱墩、桩柱式桥台、钻孔灌注桩，双圆柱墩上 山东大学硕士学位论文 设盖粱，支庠采川简易书层支睁。桥面秉川普通铡筋濉凝土铺犍人行j 直栏十t 采 h j 钢筋混凝r f 杆，表层涂石灰。 口前，右幅桥桥面破损严晕现己天闭交通，同时对左嘲桥进行限高限载， 左幅桥成为济宁h 东1 1 3 口的主要通道，仪允许行人、非机动辛和小型车通过，尤 其在上下小时司，交通流量大，极易发牛坫塞： 眦片22 洗河大桥左右幅外观 熄片23 洗河j 、桥点幅外观 山东大学硕士学位论文 照片2 4 洗河大桥右幅外观 i “山一o t j 女自一r 自 一。 _ l_ l i 】_ *_ -e_ _ _ l l _诗h鬲 ，j 亩j毫 一多 虞- 寄 图2 - 1 洗河 桥立面示意圈( 单位：c m ) l l 1 1 2 - 2 洗河人桥平面示意图( 单位：c m 刚 山东大学硕士学位论文 左幅桥 霍霍薹雾雾确 立二耐i 一， 。， l “ ” 右幅桥 图2 - 8 洗河大桥横断面图( 单位：c m 2 2 外观检测结果 2 2 1 左幅桥外观检测结果 本桥实际上己超负荷运行多年，结构已经出现严重结构性和耐久性破坏。由 十木桥病害很多，在此不一一赘述，只对重点病害作以具体叙述。 2 2 1 1 上部结构 全桥18 跨，上剖结构中普遍存在的现象是外边粱腹板蒋水严重产生大量泛碱； 桥面板与i 型粱结合处严重脱空。比较突出的问题是i 型粱受渗水影响存在严重的 钢筋锈胀的现象引起混凝土脱落，主、箍筋暴露锈蚀甚至朽烂：i 型梁底保护层 太薄有露筋锈蚀现象：桥面板大面积严重泛碱：横系粱横向开裂，露筋锈蚀。 尤其是第1 6 跨的2 # 和3 # 梁阃桥面板大面积泛碱：第1 6 跨6 # 粱有腹板距】6 # 墩57 m 处受渗水影响钢筋锈胀，混凝土剥落，箍筋外露锈蚀，见照片2 ，且有腹 板近l7 # 墩下缘露租骨料，见照片2 - 6 ： 一” 1 q ， 1 溯 山东大学硕士学位论文 2 2 1 2 下部结构 左幅桥下部结构采用桩柱式桥台、双圆柱墩，墩上固结盖梁，无挡块。每个 盖梁在行车道下方的扇形面都进行过钢板加固，敲击钢板发出空鼓声，说明钢板 与原结构脱离，不能共同工作，加固功能失效，而且钢板已经严重的锈蚀。长期 严重超负荷运行，对本桥的下部结构产生了非常明显的结构性和耐久性破坏，主 要表现在盖梁严重开裂、墩柱盖梁风化严重且内部钢筋锈蚀。从东向西依次对墩 台编号为0 # - , - 1 8 # ，下部结构存在的主要病害详见表2 1 。 表2 1 左幅桥下部结构病害记录表 墩台病害描述 盖梁底面混凝土多处脱落，脱落处外层主筋与箍筋均全部暴露 1 j f f 墩 并严重锈蚀， 3 墩盖梁底面大面积混凝土脱落露筋锈蚀， 5 j | f 墩第6 跨侧左侧表面破损露筋3 0 2 0 l o c m 3 第6 跨侧l 、2 群梁下偏左位置八字形裂缝，分别宽1 5 m m 、1 3 r a m ； 6 j f f 墩第7 跨侧1 f 盖梁下破损面积1 5 1 0c m 2 ，6 撑梁下破损4 0 3 0 8c m 3 7 群墩盖梁外端侧面露主筋，锈蚀：表面多处混凝土破损 8 群墩2 撑、3 # i 型梁下盖梁呈八字形开裂 9 拌墩第9 跨侧左侧表面破损露筋面积1 5 2 0c m 2 1 0 # 墩盖梁第1 0 跨侧大面积混凝土脱落，局部露筋 11 j | 墩 第1 2 跨侧2 梁下盖梁表面竖向裂缝长5 0 c m 宽0 3 m m 1 3 j ! j ! 墩 2 拌墩基础上缘混凝土受力碎裂 1 4 - # 墩 1 撑墩底部一处钢筋锈胀严重，导致混凝土开裂 1 5 ；f | 墩 盖梁在l # 1 型梁下方部位大量混凝土脱落 盖梁第1 8 跨侧混凝土破损脱落，多处露主筋箍筋且锈蚀严重； 1 7 # 墩 第1 8 跨4 # i 型梁下盖梁八字形开裂 1 8 拌台加固钢板缺失 2 2 1 3 支座 全桥采用矩形板式橡胶支座，每片设置2 个。支座垫石全部完好，未见破损。 支座大部分有脱空现象，个别支座被压裂。 2 2 1 4 桥面系 桥面采用普通钢筋混凝土铺装，桥面铺装表现出各种形式病害：碎裂、网裂、 露筋、露粗骨料、桥面不平整等。 些童奎兰堡圭兰丝丝圣 2 2 1 5 伸缩缱 全桥未发伸缩鳢，跨f u j 仅设简易变形缝。大部分变形缝诎泥沙察满，局部 现碎边，见照片2 7 。第8 、9 跨间和第1 2 、l3 跨词变形缝破坏严重，见照片2g 照h2 - 9 。 照片2l o 第6 跨栏忏酸损簖筋严亩 山东大学硕士学位论文 ! ! 片2 - 11 栏杆开裂露筋h h 片212 丰 = 与立杆卡接处破损松动 用吲弹法检测混凝土强度，同时对构件进行碳化深度检测。这种方法建立在 回弹值同混凝上抗压强度之闭相互关系基础上，榆测标准依据吲弹法检测混凝 土抗i 、强度技术m 程( j g j t 2 3 2 0 0 1 ) 。混凝土的碳化是指混凝士中的成分( 主要 c a ( o h ) 2 ) 与渗透进混凝土的二氧化碳及其他酸性气体发生化学反应，使混凝土碱 度降低，钢筋表面的钝化膜遭到破坏而使钢筋产生锈蚀。用酚酞酒精溶液和碳化 深度尺：0 1 | _ 定碳化深度。 2 21 7 混凝土抗压强度检测 表22 左幅桥上部结构混凝士抗压强度实测位 平均值标准蛀小位推定值碳化滞度 构件名称 ( m p a ) 差 ( m p a )( m p a )( m m ) 第1 畸2 # 粱右腹板 第2 跨4 # 粱左腹板 第3 跨3 # 粱左腹板 第4 跨3 # 粱右嘘板 第5 蹄5 # 梁左腹板 第6 跨5 # 粱右腹板 第7 跨3 # 粱左嚷板 第8 跨3 # 粱矗腹板 第9 跨6 # 粱左腹板 第1 0 跨4 # 粱右腹板 第1 2 跨3 # 粱左腹板 第l3 跨3 # 粱左腹板 第1 5 跨4 # 桀右腹板 第1 7 跨3 # 粱左腹板 第1 8 跨l # 粱芹瞧板 表2 - 3 芹幅桥下部结构湿凝十抗压强度实删值 山东大学硕士学位论文 平均值标准最小值 推定值碳化深 构件名称 ( m p a ) 差 ( m p a ) ( m p a )度( r a m ) 1 # 墩盖粱3 2 52 62 8 7 2 8 91 2 5 3 # 墩盖梁3 4 43 22 9 3 2 9 7 l1 5 5 # 墩盖粱2 7 。51 62 5 。8 2 6 01 2 0 8 # 墩盖梁2 9 32 62 7 3 2 7 。51 3 o 1 0 # 墩盖梁3 1 52 9 12 6 8 2 7 11 2 5 1 l # 墩盖梁 3 4 52 8 2 8 33 0 09 5 1 7 # 墩盖梁2 5 12 2 2 2 62 1 49 5 9 ；5 f 墩1 # 柱 2 5 61 9 2 3 12 2 61 0 o 1 3 # 墩l # 柱 2 7 71 9 2 4 82 4 61 2 0 1 4