既有桥梁的检测与评估.doc

西南交通大学硕士学位论文既有桥梁的检测与评估姓名：余华丽申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：蒲黔辉2010040167 / 67西南交通大学硕士研究生学位论文第l页摘要1日桥的原设计标准偏低、结构构件老化、各种材料强度降低，早已是世界 各国普遍关注的问题。如何检测评定在役桥梁的承载能力和安全度，正确评估 结构物的损伤程度，合理地对桥梁进行加固维修，提高桥梁的可靠性已经引起 全世界的关注。本文展开了以下几个方面的工作：(1)介绍了既有桥梁的国内外现状及评估加固的研究情况，指出了既有桥梁 检测评估与加固的目的与意义，并总结了检测加固理论，对未来的桥梁检测评 定与技术加固提出了展望。(2)具体分析了既有桥梁的主要病害机理与特点，针对病害提出了具体检测 方法，并对桥梁的动、静载试验的理论及实际应用进行了探讨，建立并积累了 各项技术资料。(3)详细阐述了桥梁结构常用评估方法的基本思路及特点，判断结构的安全 承载能否力和使用条件评价，为进行桥梁的修复加固提供可靠依据。(4)对桥梁加固技术的方法与应用进行分析与对比，在对桥梁结构病害检测 分析和鉴定评估的基础上，根据技术经济条件和使用要求，有针对性地提出恰 当的方案。(5)以南河大桥为例，对该桥进行全面检测与病害分析，根据现场检测与荷 载试验结果进行技术状况等级评定，并提出了维修加固建议，可为其他桥梁的 检测评定与加固提供借鉴。关键词：检测；荷载试验；评估；加固西南交通大学硕士研究生学位论文第l|页Ab stractIt is a worldwide issue that previous design criteria and standards for existing bridges are lower with a time increaseAt the same time，structural aging and the decline of structural materials have attracted more attentionsThe majorconcern of bridge assessment includes how to rate loadcarrying capacity and safety of existing bridges，how to correctly assess the structural damage，how to rationally strengthen and maintain bridges，and how to improve the reliability of existing bridgesThis thesis attempts to present five aspects as follows：(1) Introduce the research development for bridge assessment and strengthening in China and other countries all over the worldThe theory of assessment and strengthening are concluded based on the introduction，and the future of research for bridge assessment and strengthening is present(2)Detailed analyze the main disease mechanism and the characteristic of existing bridges，and propose a concrete inspection methodA discussion is presented based on the theories of dynamic and static load tests and their applicationsVarious technical database and materials are collected(3)Elaborate the regular methods and their applications in bridge assessment The load-carrying capacity and service condition of existing bridges are evaluated to provide reliable suggestions for bridge maintain and strengthening(4)A comparison is made between the methods and their applications of bridge strengtheningAfter the assessment of damage of bridge inspection，a proper strategy is proposed accordingly based on the technical condition and servicerequirement(5)By taking Nanhe Bridge as an example，a comprehensive inspection and damage analysis are conductedThe bridge condition rating is given based on the field inspection and load testsThen the strategies of maintenance andstrengthening are proposed for this bridge，which can be taken as valuablesuggestions for similar types of bridgeKey words：Detection；load test；assessment；strengthening西南交通大学 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，同意学校保留 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 人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1保密口，在年解密后适用本授权书；2不保密囱。：使用本授权书。(请在以上方框内打V)学位论文作者签名触寻t指导老师签名日期：口枷房yB。B锝：70t9f秽泛vV n西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 对国内外既有桥梁研究现状进行了简要介绍和对比，针对既有桥梁的检测、评估与加固三个方面作了具体理论研究和分析，并以已建桥梁南河桥为例，将理论研究应用于实际。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：气游q日期：午6一谴西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论11既有桥梁的现状111国内既有桥梁的现状近年来，我国桥梁工程建设取得了举世瞩目的进步，然而随着交通事业的 发展和在役桥梁使用年限的增加，桥梁结构病害问题日益突出。一方面，公路 交通量急速增长，大型重载的运输工具越来越多，需要高标准的桥梁；另一方 面，既有桥梁因老化、破损及原设计标准偏低，难以适应公路运输的发展。另 外，在大型水电站、矿山建设中，需通行运输超大型构件的大吨位车辆，即使 今年修建的桥梁也无法满足运行要求。据全国公路普查资料【l】，截止2004年底，我国公路共有桥梁32 161 2座，总长1 337641 5延米，互通式立交桥2338座，总长444980延米。其中579 为中小跨径桥梁，而这中间552分布在技术标准低、通行能力差的县乡级公 路上，设计荷载偏低。由于交通量与日俱增，车辆载重不断提升加之缺乏维修， 多处于带病负荷工作状态。据查，公路共有危桥1 3303座，总长468887延米， 其中627分布在县乡级公路上。此外，尚有1923座总长49005延米的半永 久性桥梁和1 764座30722延米的临时性桥梁需要改造。在铁路桥梁方面，从l 881年唐胥铁路建成至今，中国共修建了4万余座 各种铁路大小桥梁，其中1 9841 995年的1 0年里就修建了6259座。早期桥梁 及20世纪80年代后修建的大跨度、新结构桥梁在行车动力性能、耐久性、安 全性、养护维修及老龄化等方面问题也日益突出。据1994年对我国铁路桥梁 检查情况的统计，我国运营国有铁路有病害桥61 37座，占桥梁总数的1 88， 其中钢筋混凝土桥梁为2675座。112国外既有桥梁的现状美国20世纪80年代初的调查结果显示【2】，全国共有566000座公路桥梁。在 调查报告中叙述了5 1 4000座桥梁，其中40以上桥梁都有不同程度的破坏， 98000座桥梁结构强度降低，只能停止或限载通行，1 02000座桥梁行车道太窄，桥下净空不够或承载力不足。由于桥梁陈旧老化、失修，塌桥事故不断发生。 原联邦德国曾于70年代末对一个州的l 500座钢筋混凝土和预应力混凝土公路桥梁做了全面检查。结果发现【2】，钢筋混凝土桥：桥龄在5060年的，有 27的桥梁至少有一处严重损伤，64至少有一处重要损伤，77至少有一处 中等损伤；桥龄在3035年的，有1 3的桥梁上部结构至少有一处严重损伤，西南交通大学硕士研究生学位论文第2页37至少有处重要损伤，53至少有一处中等损伤；桥龄在2030年的，有8 的上部结构至少有一处严重损伤，24至少有一处重要损伤，46至少有一处 中等程度损伤。预应力混凝土桥的损伤情况比钢筋混凝土桥更严重，2030年 桥龄的预应力混凝土桥，有将近50的桥梁上部构造至少有一处重要损伤，其 中23至少有一处中等损伤。日本在7080年代【21，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。1956年以前按旧标准 设计施工的桥梁，承载力显然不足。据统计这类桥梁约有5500座，其中普通混 凝土桥约4500座。在前南斯拉夫，大约有1 9的桥梁运营状况不佳。在印度，大约10的公路桥梁需要替换，另有1 0的桥梁有损伤迹象【3】。 旧桥、危桥的加固、维修，以及如何评价现有桥梁的承载能力和安全度，正确地评估结构物的损伤程度，合理地对桥梁进行加固维修，提高桥梁的可靠 性，已经引起世界的关注。，12既有桥梁检测评估的研究现状121国内既有桥梁检测评估研究现状20世纪80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【4】。交通部在90年代对公路桥梁承 载能力开展了一定的研究工作，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1988年、l 993年分别颁发了公路 旧桥承载力鉴定方法(试行)和桥梁可靠性鉴定规程，使桥梁评估工作逐 步走上了正轨。许多专家学者纷纷提出了各种评估检测办法。王永平等【5】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，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，具有一定的机器学习功能。刘沐宇等【6J根据层次 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指 标体系，引入模糊理论建立大跨度钢管混凝土拱桥安全性模糊综合评价方法。 陆亚兴等【71根据桥梁结构的特点及缺损特征，指出了桥梁构件缺损状况的监测 内容及构件的五级评定标准，将桥梁缺损状况指数BCI(Bridge Condition Index)西南交通大学硕士研究生学位论文第3页作为桥梁缺损状况评价指标，建立其计算模型，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BCI与桥梁养护维修对策之间的对应关系。潘黎 明【8】采用层次分析法、模糊数学理论和人工神经网络方法对斜拉桥的安全性、 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路 专家系统，其综合评价结果为桥梁总体状态对应优、良、中、差、劣五个等级的模糊隶属度向量。122国外既有桥梁检测评估研究现状20世纪80年代，美国联邦公路研究组织【9】主持开展了关于“既有桥梁的 承载力评定的研究课题，1 988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”。1994年Jde Brito等【10】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块。HG Melhem和Senaka Aturaliya1 U采用专家系统工具CLIPS(C Language Intergrated Production System)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19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。1996年，Hitoshi、Furuta12】等采用遗传算法(Genetic Algorithms)与神经网络(Neural Networks)相结合的方法开发了桥梁损伤模 糊评价专家系统。英国自l 960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 始投入大量人力物力对旧桥能否满足现代交通承载要求的问题进行研究。1 967 年正式提出了桥梁防护规则，l 978年将该规则加入了BS5400。1 984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。对于旧桥或已有损 伤的桥梁，英国主要采用荷载试验的方法确定其承载能力【1引。1 994年德国的Natke14对已建结构损伤检测及可靠性评价作了深入研究； 前苏联对已建结构的可靠性也进行了大量研究，并对荷载、抗力分布的确定都 提出了明确的原则；加拿大的桥梁评定是以结构各部分性能、状况为主要内容进行量级评价，排出优劣次序：日本Kusida M，Miyamoto A等【15】认为桥梁管 理系统应该具有桥梁状态评估功能，并利用机器学习建立了混凝土桥梁等级评 估专家系统(BREX)，其目标就是评估桥梁结构在诸多因素下的状态功能，如 承载能力、耐久性能等。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页13既有桥梁检测检测与评估的目的及意义通过对既有桥梁实际承载能力的检测评定，为既有桥梁使用的安全可靠及 维修加固提供必要的依据和积累必要的技术资料，建立桥梁数据库检验桥梁结 构的质量，确定工程的可靠度，推动和发展既有桥梁评定及新结构的设计计算 理论。桥梁检测评估与加固的目的和意义如下【l 6】：(1)桥梁由于营运使用多年，主要部位出现缺陷，如裂缝、错位、沉降 等，通过检查确定桥梁各部位损坏的程度及实际承载能力。(2)原来按旧标准规定的荷载等级设计的桥梁，由于交通量的不断增加、 车辆载重的不断加大，对桥梁通过能力和承载能力的要求也越高，通过检测评 价，可确定原有桥梁的荷载等级，从而决定是否需要通过加固来极高其荷载等 级。(3)随着我国现代化工业建设的发展，特大型工业设备、集装箱运输逐 渐频繁，超重车辆过桥的情况时有发生，通过检测评估可确定超重车辆是否能 安全通过，并为临时加固提供技术资料。(4)桥梁遭受特大灾害时，如发生泥石流、地震、洪水等而受到严重损 坏，或在建造、使用过程中发生严重缺陷等(如质量事故、过度变形和意外撞 击等)，通过检测评估可及时反映其承载能力。(5)若既有桥梁资料不全，通过检查，可重新建立和积累技术资料，为 加强科学管理和提高桥梁技术水平提供必要条件。(6)系统地收集桥梁技术数据，建立桥梁数据库，应用计算机管理系统 更好的维护管理桥梁，指导桥梁养护、加固与维修。(7)对于一些重要的大桥或特大桥，在建成之后，通过检测评估，可评定其设计与施工质量，确定工程可靠度。 (8)对采用新型结构的桥梁，通过检测评估，可验证理论的实践性和可靠性，并能进一步发现问题总结经验，以便对结构设计理论和结构形式加以改进，使其日臻完善。 (9)对经过维修加固的桥梁进行竣工检测，可检验维修加固的质量，并验证加固方法的合理性和可靠性。(1 0)了解桥梁实际受力状态，判断结构的安全承载能力和使用条件评价， 为进行桥来那个的维修加固提供可靠依据。14本文的主要内容本文主要研究既有桥梁的检测评估与加固问题，以绵阳南河桥为例，通过西南交通大学硕士研究生学位论文第5页对既有桥梁的承载力及可靠性方面进行检测评估，并提出合理的维修加固方法。本文的主要工作有：1、进行现场检测，考虑混凝土碳化、混凝土强度、桥梁线型等因素对桥 梁结构承载力的影响。采用合理的检测方法，并分析桥梁结构损伤的严重程度 对其实际工作状态的影响。2、既有桥梁的评估，评价结构的实际承载能力及使用条件，为维修加固提供技术依据。3、桥梁的维修加固，对桥梁病害的处理与结构改造。西南交通大学硕士研究生学位论文第6页第2章既有桥梁的检测21既有桥梁的主要病害机理分析GBT502831999公路工程结构可靠度设计统一标准【l 7】规定公路工程 结构必须满足下列功能要求：(1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。 (2)在正常使用时，具有良好的工作性能。 (3)在正常维护下，具有足够的耐久性能。 (4)在预计的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。凡由于人为的(勘察、设计、施工、使用等)或自然的(地质、风雨、冰 冻等)原因，使桥梁结构出项不符合上述规范和标准要求的一些问题和现象， 统称桥梁结构的病害。按照不同的严重程度可分为四类：1、完好或基本完好：桥梁结构基本满足上述要求，与建造时比基本没有 可观测到的病害。2、轻微损伤的病害：这类病害并不影响结构的承载力、刚度、完整性及 其使用功能，但要消除由于它们造成的损伤则需要额外的费用，有时还要在使 用过程中对结构作系统的观察。如勾缝脱落、混凝土轻微剥落等。3、一般性损伤的病害：这类病害虽不一定影响结构应有的承载力，但却 使它们的使用性能下降维护费用增大，影响美观。如钢筋混凝土梁挠度过大、 出现肉眼可见裂缝、基础发生整体沉降等。4、严重性损伤或破坏性损伤的病害：这类病害表现为材料强度不足，构 件残缺有伤，构件截面尺寸不足，连接构造质量低劣及使用环境恶劣，如超载、 撞击等。这类病害如不及时消除，可能迅速导致局部结构甚至整体结构的破坏， 而修复此类病害则需耗费巨额资金，有些甚至无法修复，需要推倒重建。除第一类外，其余三类病害可能是显露的，如混凝土漏振拆模后发现大面 积空洞；也可能是隐蔽的，如埋设在混凝土中的钢筋位置有错。隐蔽的病害尤 其危险，因为它们有着良好外表的假象，不易被察觉，一旦这类病害导致结构 发生破坏就会带来严重后果。下面本文就桥梁结构中的主要病害进行分析。211混凝土碳化2111混凝土碳化机理 混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙(Ca(OH)2)与渗透进混凝土中的二氧化碳(C02)或其他酸性气体(如S02、H2S等)发生化学反应的过程。西南交通大学硕士研究生学位论文第7页反应方程式如下：Ca(OH)2+C02=CaC03+H20XCaO。YSi02。ZH20+nC02=XCaCOa+YSi02nH20+H20碳化的实质是混凝土的中性化。碳化使混凝土的PH值降低，一旦碳化到 钢筋表面且PH值小于9时，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而产生锈蚀。 一般而言，混凝土的碳化速度取决于C02气体的扩散速度及C02与混凝土成分的反应速度。2112混凝土碳化深度预测模型 混凝土碳化深度预测模型直是结构工程领域的热点问题，国内外学者提出了很多种碳化预测模型，基本可分为两大类： 1、基于扩散理论建立的理论模型。2、基于碳化试验的经验模型。 实际工程中应用较多的是经验模型，其统一模式为：D=仅讥(21)式中：D一混凝土碳化深度； t一混凝土碳化龄期：旷碳化速度系数。主要研究成果有：(1)龚洛书等18】【193提出的利用混凝土碳化多系数分成预测长期自然碳化深度。在假定周围介质因素和工艺条件不变的情况下，通过大量试验，研究了水 泥用量、水灰比、粉煤灰取代量、水泥品种、集料品种和养护方法等因素对混 凝土碳化的影响，在此基础上提出的混凝土快速标准碳化的多系数方程：D=强772773仇775776Jif(22)式中：T1l一水泥用量影响系数； 112一水灰比影响系数； T13一粉煤灰取代量影响系数； 114一水泥品种影响系数： T15一集料品种影响系数； T16一养护方法影响系数； k一综合影响系数。(2)基于混凝土抗压强度的经验模型中国建筑科学研究院邱小坛等【201通过对大量混凝土碳化观测结果的统计分析，提出以混凝土抗压强度标准值为主要参数，考虑环境修正、养护条件修西南交通大学硕士研究生学位论文第8页正和水泥品种修正的碳化计算公式。：f罢一k=I一l10 4t()LJ clf。k式中：厶。一混凝土抗压强度标准值；一养护条件修正系数，标准养护28d，取=10；标准养护14d，取=125；标准养护7d，取=15；标准养护3d，取=175；一水泥品种修正系数，普通硅酸盐水泥取=1；矿渣水泥取=13； 识一环境条件系数，桥梁结构可参照民用建筑室外条件确定。该式是根据钢筋混凝土结构常用的低强度混凝土实例碳化观测资料的统 计分析经验公式，对于混凝土强度等级C60的高强度混凝土是不适用的。(3)牛荻涛211提出的预测混凝土碳化深度的随机模型 从混凝土碳化过程及影响因素可知，导致混凝土碳化深度产生变异的主要原因来自于混凝土本身的变异性和环境的变异性。根据混凝土碳化影响因素分 析，从碳化理论模型入手，以工程实用为目的，提出以环境条件与混凝土质量 影响为主，并考虑碳化位置、混凝土养护浇筑面、工作应力修正的预测混凝土 碳化深度的多系数随机模式：DItl=KmcKjK。：KpK sK。Kqt1 0时保持无色，说明已碳化。若碳 化深度到达钢筋部位，混凝土失去保护作用，则钢筋可能锈蚀。气透性检测，主要用于原位评定混凝土对碳化和有害离子侵蚀的抵抗力，从而间接评定钢筋锈蚀的可能性。 8、地基检测当发现墩台有沉降、倾斜、位移时，一定要对地基进行探测分析。对既有 桥的地基检测比较困难，可用触探和钻孔取样的方法，或荷载板试验，但很难 在原位进行。23既有桥梁的荷载试验桥梁现场荷载试验是对桥梁结构工作状态进行直接测试的一种检定手段， 是桥梁结构试验中最基本的试验，大量的桥梁现场试验以静力荷载试验为主， 辅以动力荷载试验进行。从测试手段方面来说，静、动载试验的差别不大，一 般而言只是放大器环节的不同。231荷载试验的目的和意义桥梁结构荷载试验的目的是通过荷载试验了解桥梁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能力，评价其运营质量16】。1、对新建桥梁进行鉴定通过一定的试验手段，对桥梁的主要质量指标(如桥梁各部分质量、检验 荷载作用下桥梁的最大挠度或挠曲线等)进行测试，由测得的数据评定新建桥 梁的质量。通过试验可检验设计理论及施工质量，为即将投入使用的桥梁的运西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7页行养护提供依据。2、对在役桥梁实际承载力进行鉴定大部分早期建成的桥梁设计荷载等级偏低，难以满足现今交通发展的需要， 为加固、改建，有必要通过试验确定桥梁的实际承载能力。在某些特殊条件下 (如超重车辆过桥、结构遭意外损伤等)，或某些自然因素影响下(如地震、 台风、雨雪、冰冻等)，桥梁结构都会受到不同程度的损害。为了了解桥梁的 实际损害程度以便决定采取何种养护和维修措施，有必要对这些桥梁进行试验 检测。另外，对于某些重要桥梁及为满足交通需求而需改建、重建的桥梁，也 需进行试验检测其承载能力。3、验证桥梁结构设计理论和设计方法 桥梁工程中的新结构、新材料和新工艺的不断创新，对某些理论问题的深入研究，对某种新方法、新材料的应用实践，都需要大量的现场试验的实测数据作为检验依据。 4、桥梁结构自振特性及结构受动力荷载作用产生的动态反应的测试研究 对一些桥梁在动力荷载作用下的动态反应，大跨径轻柔结构的抗风稳定及地震区桥梁结构的抗震性能等，都需要通过实测了解桥梁结构的自振特性和动 态反应。232静力荷载试验静力试验是结构试验中最基本的试验，桥梁结构工作时受到的荷载主要是 静力荷载，如桥梁结构的自重、荷载位置随时问而变的移动车辆荷载等。将移 动车辆荷载作为静载来考虑主要有两个原因：一是因为区分静力与动力问题的 主要标志，不是与结构受力状态有关的各物理量是否随时