桥梁评价与加固PPT课件.ppt

桥梁结构安全评价及加固 讲授 张彬2012 03 1 图1k0 368 k0 384面路裂缝 2 图2中央大街靠环心岛处路面磨损严重 加强筋外露 3 图3桥面伸缩缝铁板多处缺损 4 图4桥台B处桥头跳车 5 图5人行道面层破损 6 图6S20 11 D支座破损 7 图7S21 12 U支座破损 8 图8S1桥面板下表面混凝土被侵蚀 9 图9S19 1梁体混凝土中度剥落 10 图10S39梁体混凝土严重剥离 11 图11S20 7 4附近主梁裂缝 12 图12S20悬臂端露筋锈蚀 13 图13S5 7梁处外侧内漏 14 图14S7 4 2 3 4横隔梁露筋 15 图15桥台B护墙处沉降 16 图16P16 1柱体表皮脱落 17 图17桥板悬空 支座损伤 18 图18桥板漏水 19 图19桥板露筋 20 图20露筋桥台沉降 21 图21高宋桥桥班板塌陷 22 图22框架结构主梁裂缝 沉降 23 图23基础沉降 24 图24盘锦大桥跨塌 25 图25盘锦大桥跨塌 细部 26 2004年6月 盘锦市田庄台大桥垮塌事故 专家组认为这次事故是由于一辆超载货车的重压从而造成了大桥北起第十五孔 桥中部 的悬臂端突然断裂 从而导致了桥板脱落 该桥属T型刚构桥 牛腿处裂缝导致断裂 发生事故的田庄台大桥 建于72年 77年投入使用 全长878米 横跨辽河 是辽宁省屈指可数的大型桥梁之一 由于设计问题及运营中的超载 超速 95年 18年 即定为危桥 限载15吨的标志 给钱就过 60吨以上照过 严重超负荷运营 导致跨塌 27 图26綦江虹桥垮塌前原貌 28 图27綦江虹桥垮塌现场 29 1999年 月 日发生的綦江虹桥垮塌事件 这座长102米 宽10米多的中承式拱形桥 该桥建成还不足3年 造成死 人 伤 人的惨剧和 多万元的重大经济损失 从虹桥事件中揭露出来的腐败 渎职等问题 对基本建设战线严肃法纪 保证工程质量 具有深刻的警示意义 国家检察机关近几年查处的10多万件贿赂案件 涉及建筑业的竟占73 可见加强建筑立法 加强建筑市场管理是多么重要 后期的招标 30 图28广东东莞商业街房屋大坍塌事故 发生在1999 12 1广东东莞商业街房屋大坍塌事故 造成10余人死亡 不完全统计 这是典型的人为灾害 房屋倒塌后覆盖了整个商业街 据查该工程是典型的 豆腐渣 工程 无办理报建手续 无国土证 无规划许可证 无施工许可证 31 2001年11月7日凌晨4点半 全长约1000米左右 投资几千万元 如飞虹般横跨金沙江的提篮中承式大桥 四川宜宾市南门大桥 在十几分钟里 轰然断裂 成为三截 造成2人死亡2人受伤 1990年竣工刚通车时日车流量不过1000辆左右 仅过两年 到1992年5月 南岸成立经济开发区 至今居民人数已有7万余 很多单位也建在或迁至南岸 南北两岸的过桥车流量在11年里急剧增长 至今每日过桥车流量已达3万辆左右 也就是说 11年里车流量急剧增长30倍 设计前瞻性 两边的断裂处都是在主桥与引桥的结合点 恰也是吊桥动态与静态的结合点 图29宜宾南门大桥垮塌事故 32 2005年 江苏省吴江市梅堰镇一座桥梁突然坍塌 造成 人受伤 坍塌的大桥建造于 年代中期 为简支空心板桥 距今已有 年左右的历史 是座危桥 图30江苏省吴江市梅堰镇一座桥梁坍塌事故 33 内蒙包头高架倒塌 34 35 图31台湾高屏大桥断裂 2000年8月 连接高雄与屏东的重要通道高屏大桥 突然拦腰断裂 16辆大大小小的车辆坠入河中 22人受伤 桥面突然从中间下陷断裂 下陷的部分长达一百米左右 其中一部分桥面还被河水冲走 高屏大桥已通车22年 36 湖南省株洲市红旗路一座待拆除的高架桥突然发生坍塌 现场超过20台车辆被砸坏或掩埋 37 38 39 40 41 对震害作出鉴定 并制定修复 加固方案 图为高架桥支柱震害 42 混凝土桥墩震害 43 44 山西应县木塔 建于公元1056年 塔高67 3m 八角形 底层直径30 27m 该塔共9层 是我国保存至今的唯一木塔 也是现存的最高的木结构之一 它虽经多次大地震仍完整无损 足以证明我国历史上木结构的辉煌成就 45 图32比萨斜塔 姑建于1174年 竣工于1350年 白色大理石建造 现以每年8cm的速度向南面下沉 塔顶已超出基边线大约4 9M 46 图33赵洲桥 被国际桥梁和建筑协会列为重点保护文物的世界署名的 赵州桥 曾名 安济桥 大弧形敞肩式石拱桥 却则有一番风采 赵州桥位于河北省赵县南门外约3km的皎河上 建于隋朝开皇大业年间 公元590一608年 在1400年中 作为我国南北交通一条主要干道上的一座石拱桥 没右间断地为南来北往的行旅客商以及各种运输服务 而且 在邢台大地震 唐山大地震时 它虽受到波击 但仍属良好 47 一 桥梁病患的基本概念 在役桥梁也叫 即有桥梁 已有桥梁 或 旧有桥梁 是指正在发挥其使用功能的桥梁 桥梁是经过规划 设计及施工而形成 必须满足使用功能 美观 舒适和安全的要求 桥梁寿命人有生 老 病 死 包括自然寿命 从生到死未受到外界任何损害 老死的 生理寿命 实际寿命 病死的 无缘无故死的很少 大多是癌症 心脑血管等 和随机寿命 天灾人祸 如战争 地震 海啸 矿难 交通 犯罪 枪毙 因此 人的寿命影响因素错综复杂 难于预测 除非自杀 第一部分概论 48 桥梁也相近 有设计寿命 使用寿命 随机寿命和剩余寿命 设计寿命 是在设计时根据标准定出的 固定的 如50年100年等 使用寿命 即使用期限 即实际寿命 是与桥梁的初始状况 包括设计 施工 结构 材料等 使用维修情况 自然环境等诸多因素都密切相关的模糊数字 是一个多种学科交叉 实践 理论 计算全都用上而不能给出确切答案的问题 热点问题 使用寿命预测 至今 世界各国的建筑物法规对桥梁使用期限有明确规定的并不多 随机寿命 是指受某种外因作用 突然失去使用功能 如火灾 水灾 地震 违章建筑的强制拆毁 房屋沉陷倒塌 超速超载桥梁跨塌等 49 剩余寿命 即设计寿命减去使用寿命 由于使用寿命的不确定 则不可能简单计算 是建筑工程的研究热点之一 同上属于同一问题 我们最关心的是对建筑 健康 状况的把握和使用寿命的预测 发现 病情 如何诊治的问题 即对剩余寿命的预测 检测评估 对症下药 病患治理 3 桥梁的建设程序形成一定规模 满足使用要求及安全要求的建筑 必须遵循建设程序 程序是 规划审批 论证决策 设计施工 竣工验收 保养 维修 加固 所谓程序就包含两层含义 既不能缺项 也不能前后颠倒 50 二 我国在役桥梁的现状1 工业与民用建筑我国城镇累积100余亿平方米的工业与民用建筑 并且以每年近6 7个亿平方米的速度增长 然而 现有的建筑60 以上超期服役 已步入老龄化或末老先衰 解危资金杯水车薪 使解危速度远低于增危速度 大量危房已成了沉重的包袱 房屋坍塌而房毁人亡的惨锅时有发生 新建房屋的质量事故也给用户带来诸多烦恼 而且使用寿命大为降低 03年大小的倒塌事故500余起 最近北京媒体报道说 统计数据显示 我国房屋建筑寿命较短 北京尤其明显 平均下来还不到 年 仅为设计寿命 年到 年的一半 带病服役 半官方的建设部住宅产业化促进中心副主任童悦仲说 我国城市住宅寿命低于 年的情况相当普遍 使用寿命短已成为我国住宅的突出问题 51 2 公路桥与铁路桥梁截止到2008年 各种桥型总和约有40余万座 存在安全隐患和耐久性问题的桥梁占总数的50 个别地方甚至超过了70 在这些桥中危桥又占20 30 几万余座之多 铁路桥梁总数41727座 2637 384km 其中解放前桥梁6360座 197 7km 座数和长度分别占15 24 和7 5 桥梁长度占全部线路长度 7 3万km 的3 61 混凝土桥 2245 383km 座数占全部桥梁总数94 38 钢桥 152 566km 占全部桥梁总数4 24 混合桥 237 692km 占1 13 临时桥 1 743km 占0 25 各种公路桥梁总数约36万余座 急需维修加固的桥梁超过20000座 总投资超过1000亿 检测 维修 加固的经济 社会价值 甚至超过了新桥的规划与建设 该领域研究开发具有光明的前景 学科的定位为 混凝土梁式桥检测 评估 安全 寿命预测 及加固 52 三 结构安全 1 结构安全性 结构安全性是一个综合性的概念 是结构防止破坏或倒塌的能力 是结构工程最重要的质量指标 它取决于结构的整体稳定性 牢固性 结构的耐久性 使用状态 时间及正常使用阶段的检测维修 决定于结构的设计与施工安全水准 标准或目标 2 安全设置水准 与设计寿命有关 水准高寿命长 与结构构件安全水准关系最大的二个因素是 1 规范规定结构需要承受多大的荷载 荷载标准值 比如我国规范自1959年以来均规定楼板承受的活荷载是每平方米150公斤 现已确定在新的规范里将改回到200公斤 而美 英则为240和250公斤 桥梁的最不利布载 车辆类型等 2 规范规定的荷载分项系数与材料强度分项系数的大小 前者是放大的一个系数 后者是缩小的一个系数 尽管我国设计规范所设定的安全贮备较低 但是某些工程的材料用量反而有高于国外同类工程的 这里的问题主要在于设计墨守陈规 在结构方案 材料选用 分析计算 结构构造上缺乏创新 以高消耗确保结构安全 53 3 整体牢固性 是指结构出现某处的局部破坏不至于导致大范围连续破坏倒塌的能力 或者说是结构不应出现与其原因不相称的破坏后果 结构的整体牢固性主要依靠结构具有良好的延性和必要的冗余度 木结构 钢结构 砖混及钢混 汶川 玉树大地震造成的巨大伤亡与当地房屋结构缺乏整体牢固性有很大关系 2001年石家庄发生故意破坏的恶性爆炸事件 分4次数栋楼房倒塌 死亡108人 伤38人 4 结构的耐久性 T 是工程结构使用期内结构保持正常功能的能力 这一正常功能包括结构的安全性和结构的适用性 而且更多地体现在适用性上 注 结构耐久性 强度及使用寿命的关系 强度是指结构承载能力的瞬间指标 耐久性是与使用的荷载 静载或动载 和环境条件相关的延时性 时间 定性指标 与使用寿命紧密相关 以往注重强度忽视耐久性的研究 导致大量的结构安全隐患 是造成建筑病害的主要原因之一 如干湿 冻融等大气侵蚀以及工程周围水 土中有害化学介质侵蚀 导致混凝土炭化等的耐久性要求则相对考虑较少 问题 结构耐久性的研究是进行桥梁健康评价和剩余寿命研究的重要课题之一 54 砼碳化指砼中的Ca OH 2与空气中CO2或水中的CO2或其它酸性物质反应变成CaCO3而失去碱性的过程 Ca OH 2 CO2 CaCO3 H2O 砼的碳化值指砼自表面的碳化深度 它是确定钢筋保护层厚度的依据 当砼失去碱性环境 钢筋就易锈蚀膨胀并胀裂砼 最终削弱砼对钢筋的握裹力 导至钢筋砼构件的破坏 碳化与地区与环境关系密切 5 结构的可靠性 包括安全性 适用性和耐久性三项要素 是衡量结构稳定的综合性定性指标 6 结构可靠度 结构在规定的时间内 设计基准期50年 在规定的条件下 正常设计 正常施工和正常的使用条件 不包括人为的过失影响 完成预定功能 能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用的能力 即安全性 的概率 是结构可靠性的概率度量 模糊预测 结构安全是一个综合指标 是变量 以桥梁为例是随着荷载增加 交通量增加而降低 随结构物的使用年限而降低 材料碳化 老化 构件或单元结构的安全性关联整体安全 如前面桥梁倒塌 破坏实例 问题 桥梁结构可靠度的研究 55 四 桥梁检测评估的主要问题 1 目前旧桥的检测评估仍处于半经验 半理论状态 其计算分析的理论依据还不甚完善 对其评定方法的研究迫在眉睫 2 损伤识别 就诊 是旧桥评定的基础工作 但目前的损伤识别理论距实际应用尚有一定的距离 高灵敏度的损伤识别指标 传感器优化布置 误差分析等问题需进一步研究 3 剩余极限承载力评定是旧桥加固工作的关键步骤 目前的理论不能准确的计算结构的剩余极限承载力 利用损伤识别的结果 结合人工检测的手段 查明材料退化情况 以此作为基础来分析剩余承载力 是研究承载力的一种方法 4 目前的检测手段还有待于完善 如 预应力钢绞线的锈蚀程度量测 锚头的锈蚀无损探测等 5 建立完善的检测 评估及加固构架体系 6 安全监测和剩余寿命预测 是该领域的难点和研究方向 56 第二部分桥梁检测内容与方法综述 目前 桥梁的检测评估技术发展很快 尤其是无损检测新技术的应用 如 X射线 物探技术 红外成像 雷达探测 固定激光全桥扫描技术 精确差分GPS监测桥梁变形技术 边坡监测技术 超声波磁性裂纹分析法 电磁法测钢筋锈蚀等技术在桥梁结构检测中得到了充分应用 提高了测试的精度和准确性 是评价依据 一 桥梁检测主要内容与室内试验不同 室内试验是指对材料的试块或构件的力学性能验证 如抗压 抗折 抗拉 抗剪 抗弯及抗渗等 检测是指对实体构筑物的力学功能的现场检验 试验 检验的主要内容包括 强度 混凝土裂缝 长度 宽度 深度 间距 位置 方向和形状等 混凝土炭化深度等 另外 桥梁还有两项重要的检测内容 动载检测 试验 和静载检测 试验 57 二 桥梁检测方法简介 实体强度与试件强度 1 回弹法 间接 回弹法是用回弹仪弹击混凝土表面 由仪器重锤回弹能量的变化 反映混凝土的弹性和塑性性质 测量混凝土的表面硬度来推算抗压强度 是混凝土桥梁现场检测中常用的一种非破损试验方法 我国已编制了 回弹法评定混凝土抗压强度技术规程 23 92 正在使用 属估算 回弹法的主要优点是 仪器构造简单 方法易于掌握 检测效率高 费用低廉 影响因素较少 几十年来回弹法已成为结构混凝土检测中最常用的一种无损检测方法 但还存在一定不足 回弹值受碳化深度 测试角度的影响 石子种类对其也有影响 要对回弹值进行不同的修正 对存在有质量疑问区域的混凝土 需用其它方法进行进一步检测 混凝土强度的影响因素 裂隙 空隙 级配 密实度 骨料及水泥种类等 58 人们通过试验发现 混凝上的强度与其表面硬度存在内在联系 通过测量混凝土表面硬度 来推定混凝土抗压强度 可作为混凝土强度检验的辅助手段 由瑞士科学家史密特发明了回弹仪 回弹法的基本原理 是使用回弹仪的弹击拉簧驱动仪器内的弹击重锤 通过中心导杆 弹击混凝土的表面 并测出重锤回弹的距离 以反弹距离与弹簧初始长度之比为回弹值 由其与混凝土强度的相关关系来推定混凝土抗压强度 59 60 2 超声脉冲法用超声脉冲法检测混凝土强度是测试超声波在混凝土中的传播参数 声速 衰减等 找出混凝土抗压强度与这些参数的关系 确定其抗压强度 也可应用于桩基检测 混凝土是各向异性的多相复合材料 内部存在广泛分布的砂浆与骨料的界面和各种缺陷 微裂 蜂窝 孔洞等 使超声波在混凝土中的传播要比在均匀介质中复杂得多 产生反射 折射和散射现象 并出现较大衰减 因此 超声脉冲法检测混凝土强度虽然能够检测出混凝土内部存在的问题 但是对测试仪器 换能器与混凝土的表面连接耦合均有较高的要求 同时 混凝土的强度和超声传播声速间的定量关系受到混凝土的原材料性质及配合比的影响 测试试件的温度和含水率的影响等 只有综合考虑各种因素和条件