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沪宁高速公路扩建工程桥梁极限状态实桥试验及桥梁结构物状况评价 江苏沪宁高速公路扩建工程指挥部谢家全二零零八年八月 一 桥梁极限状态实桥试验研究 1 1研究必要性1 2研究目的及意义1 3技术难点1 4研究内容及方法1 5主要创新点 由于航道等级提高 利用拆除桥梁做桥梁极限状态实侨试验 获取可靠资料和经验 填补国内空白 1 1研究必要性 总体现状1 两种手段 理论分析和试验分析 2 理论分析研究较多 但仍不够完善 3 模型试验研究难以与实际情况完全吻合 4 实桥破坏性试验进行的较少 特别是采用实桥破坏性试验方法研究预应力砼桥梁的极限承载力尚属空白 实桥破坏性试验研究现状国内 无国外 主要集中在美国 1 2国内外研究现状 1 为省内外同类桥梁桥梁的承载能力鉴定 桥梁改建和拆除等提供重要依据2 桥型及其病害本身所具有的代表性 有助于研究评定该类既有桥梁的极限承载能力和安全储备3 为国内相关桥梁规范的修订提供重要参考资料4 为以后进行类似破坏性试验积累经验和知识 1 3研究目的和意义 新兴塘大桥 30m 50m 30m预应力混凝土等截面连续箱梁桥 锡澄运河大桥引桥 20m预应力混凝土简支T梁桥 1 4技术难点 经验少 项目多 时间短 任务重 风险高 难度大 1 经验少 国内以往几乎没有 试验过程中加载方式 数据采集 安全保障等方案均需进行反复可行性论证后提出 2 项目多 试验机会难得 代价高昂 因此应尽可能多地开展研究项目 3 时间短 为了尽可能减少对沪宁改造主体工程工期的影响 必须极大压缩试验时间 4 任务重 必须保证现场试验过程的完备性和试验数据的准确性 试验研究面广 深度大 5 风险高 是国际上首次在双幅桥一幅正常通车的情况下进行另一幅的破坏性试验 试验中可能带来灾难性后果 试验风险较高 难度极大 6 难度大 试验现场环境恶劣 需要协调的单位众多 1 4技术难点 主要研究内容试验方案设计与实施方法的研究弹性工作状态下桥梁工作性能的研究弹塑性工作状态下桥梁工作性能的研究既有桥梁承载力和损伤指标评估方法的研究基于结构动力特性的损伤识别方法理论的研究辅助研究内容桥梁外观检测无损检测与有损检测预应力管道压浆质量检测常规静载试验及BDI测试与破坏性试验实测承载力的对比分析探索性试验研究内容基于分布式光纤传感器的砼裂缝产生与发展过程监测技术的探索性研究 1 5研究内容及方法 1 5 1研究内容 1 5研究内容及方法 试验前锡澄运河大引桥状况较好 新兴塘大桥梁体裂缝较明显 1 5 2原桥状况 锡澄运河大桥引桥 新兴塘大桥梁体裂缝 通过对混凝土块 钢筋 碎石 反力架 水袋等多种加载方案的比选 首次在大型桥梁现场试验中采用了钢筋与水袋组合加载 试验证明效果良好 对今后类似试验有较大指导意义 1 5 3加载方式确定 1 5研究内容及方法 现场钢筋加载 现场水袋加载 试验终止条件要满足试验规范规定 且对于新兴塘大桥当桥梁实测参数达到以下任一条件时即可终止试验 中跨跨中挠度为50cm 相当于f L 100 中跨跨中挠度值随时间不收敛 持荷10分钟后 每5分钟读一次跨中位移计读数 最多六次 如30分钟内位移增量大于6mm或最后5分钟单次实测跨中挠度增量不能减小到0 5mm以内 则认为位移不收敛 停止加载 两边跨支座处有明显脱空现象 结构体系已发生改变 对于锡澄运河大桥引桥以T梁垮塌为终止条件 1 5研究内容及方法 1 5 4终止条件 受拉主钢筋处最大裂缝宽度达到1 2cm 边跨支座上翘 新兴塘大桥试验终止状态 新兴塘大桥 三跨预应力连续箱梁桥 全桥整体跨塌 梁间横隔板错开 锡澄运河大桥引桥试验终止状态 1 5研究内容及方法 1 5 5安全保障措施 一方面制订了详细的安全管理要求 设置了专门的安全管理员 另一方面还针对试验桥段的特点 建立了专门的安全保障体系 1 梁底设置一定高度的土坝 以承担塌落的梁体和加载设备 2 土坝之间预留安全通道 便于试验过程中人工观测项目的测试 3 靠近新桥侧设置临时防护网 防止试验过程中构件飞出危及人身和设备的安全 4 充分考虑现场试验过程中的风险 建立了包括非预想性倒塌 乱石飞溅危及另一幅通车等18种风险预案 新兴塘桥安全通道保障系统 梁底设置土坝 土坝之间预留安全通道 锡澄运河大桥引桥安全通道保障系统 梁底设置土坝 土坝之间预留安全通道 1 5研究内容及方法 1 5 6新型检测技术和方法 混杂碳纤维传感器监测技术基于BOTDR的混凝土桥梁裂缝检测技术X射线无损检测预应力混凝土密实度技术 本试验对上述三项先进的检测技术在实桥中进行了探索性应用 为这些技术逐步走向实用化提供了宝贵数据和经验 混杂碳纤维传感技术 基于BOTDR的混凝土桥梁裂缝检测技术 基于X射线探伤的预应力孔道灌浆密实度检测技术 新兴塘大桥主桥结构有限元网格顶视图 新兴塘大桥主桥结构有限元网格底视图 1 5研究内容及方法 1 5 7分析方法 锡澄大桥引桥结构有限元网格图 验证了一系列传统结论 完善了现有证明体系 也得到了一些与传统认识不同之处 首先开裂位置 裂缝宽度 频率随损伤的变化影响系数 动态可靠度分析方法对我国公路旧桥检算评定公式的改进建议试验指南 加载方式 控制方式 终止条件 新型检测技术的实桥应用混杂碳纤维传感器监测技术基于BOTDR的混凝土桥梁裂缝检测技术X射线无损检测预应力混凝土密实度技术 1 6主要研究成果 二 桥梁结构物状况评价 2 1目的及意义2 2研究方法2 3主要研究成果 2 1目的及意义 沪宁高速公路 江苏段 扩建工程全线既有桥梁共有主线桥348座 匝道桥81座 跨线桥49座 总共478座 桥梁上部结构类型有 先张法预应力混凝土空心板梁 钢筋混凝土实心板梁 预应力混凝土组合T梁 预应力混凝土T梁 预应力混凝土箱梁及钢筋混凝土箱梁等 结构体系分为简支桥面连续和结构连续两种 现有桥梁结构物经过多年的使用 存在很多病害 因此非常有必要对现有桥梁进行合理 客观的评价 并对旧桥提出相应的技术建议 既有桥梁桥面系 上部结构以及下部结构存在病害 伸缩缝损坏 上部结构主梁钢筋外漏 2 1目的及意义 2 1目的及意义 支座变形 露筋及锈蚀 2 1目的及意义 正截面开裂 板底纵向裂缝 2 1目的及意义 腹板45 斜裂缝 桥台台背斜向裂缝 2 2研究方法 1 通过历年养护资料 现场调查对全线桥况作出初步评价为后续工作打下基础 2 对既有桥梁进行现场检测查明扩建前桥梁结构物的各类病害分布情况 3 提出简单 适用 可靠的既有桥梁状况评价方法 并提出沪宁高速公路既有桥梁状况评价结果 供设计参考 4 基于评价结果及病害调查分析 提出扩建工程中既有桥梁结构的合理利用与处置对策 现场桥梁检查 2 2研究方法 试验室混凝土抗压强度试验 2 3主要成果 通过研究提出三类处治建议 1 第一类病害属于轻微的病害表现 a 桥面系损害 如路面坑塘 拥包 车辙等 b 附属设施损坏 如护栏损坏 伸缩缝损坏等 c 支座轻微损坏 不对结构受力造成大的影响 d 非受力裂缝 如温度裂缝 收缩裂缝等 e 非局部压碎型混凝土破损 f 规范限值范围内的混凝土裂缝影响 对行车舒适性 桥梁外观及长期耐久性有不利影响 但承重结构完好 不影响结构安全 对桥梁的设计使用年限基本不造成影响 处理方式 可以直接拼接 但桥梁的轻微病害需要维修 维修工作宜在拼接施工之前进行 计划安排有困难时也可在拼接后组织维修 2 3主要成果 通过研究提出三类处治建议 2 第二类病害属于较严重的病害表现 a 重要部件材料有较多 10 以内 严重缺损 b 次要部件材料有大量 10 20 严重缺损 功能降低 进一步恶化恐将不利于重要部件 c 出现超过规范限值的结构性裂缝 d 支座严重损坏 已影响结构受力 e 经检算承载能力较设计值降低10 以内 影响 其结构安全虽基本能够保证 但影响其设计使用寿命 处理方式 需要补强加固或更换构件才能达到设计使用年限的要求 补强加固工作必须在新旧桥拼接前完成 2 3主要成果 通过研究提出三类处治建议 3 第三类病害属于危桥的严重病害 表现 a 重要部件材料有大量 10 20 严重缺损 b 次要部件材料有20 以上严重缺损 失去应有功能 并已严重影响到重要部件 c 结构变形已等于或接近规范值 d 经检算承载能力较设计值降低10 以上 影响 结构安全不能保证处理方式 应该拆除或部分拆除 然后重建或局部重建该桥 2 3主要成果 根据沪宁高速公路 江苏段 全线既有桥梁的检测结果 对病害桥梁进行统计并按照上述三类处治建议进行分类处治 具体处治工程量见下 砼破损修复 39 40m3裂缝封缝处理 1934 70m裂缝灌浆处理 13999 45m碳纤维结构补强 15904 85m2钢筋锈蚀阻