服役石拱桥可靠性评估与加固改造技术研究.doc

服役石拱桥可靠性评估与加固改造技术研究报 告 简 本一、立项背景我国西南地区和我省湘西地区,大部分石拱桥建成于二十世纪五十至八十年代，受历史条件限制，设计荷载等级都不高，且经过数十年运营，桥梁的技术状况已不能满足现有交通行车安全的需要，并时有石拱桥跨塌事故发生。运营过程中跨塌的浏阳大瑶石拱桥运营过程中跨塌的溢洪道石拱桥 加固过程中跨塌的双桥铺石拱桥运营过程中跨塌的江西傍罗石拱桥桥梁结构承载力与安全性问题是一个十分重要也是需要进一步研究的问题，它的研究既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建桥梁结构改进的理论意义，同时，对丰富和发展桥梁结构承载力与安全性深入研究具有一定的理论价值。旧桥的维修加固和改造要解决安全和经济之间的问题，即寻求最佳的维修加固和改造方案，在保证结构安全、满足使用功能的前提下，经济效益最优。采用维修加固和改造的方法保持和提高旧桥的承载能力，其费用约占新建桥梁的5%30% ;基于以上原因，2004年9月，我院以湘西和部分西南地区石拱桥为依托与交通部西部项目中心签定了“服役石拱桥安全性评估与加固改造技术研究”项目合同，合同编号为：2004-318-785-18。二、项目总体目标1、研究总思路本项目旨在以理论为指导，充分吸收国内外已有的技术成果，通过对湘西地区及我国西南地区部分石拱桥的典型病害成因与防治研究、石拱桥安全性评估研究和加固改造技术的研究，提出更切合实际的服役石拱桥安全性评估方法和加固改造技术途径，使我国大量的石拱桥资源得到更充分和更安全的利用，最大限度地发挥其潜在效益。 2、主要研究内容专题一、服役石拱桥病害调查与成因分析研究专题二、服役石拱桥理论与安全性评估研究 乌巢河大桥石料力学参数试验研究 石拱桥计算理论与程序开发研究 石拱桥使用健康状况的安全性评价研究专题三、服役石拱桥维修加固改造技术研究 石拱桥实用加固改造技术研究 石拱桥加固改造效果评价研究 石拱桥加固的经济性评价研究 三、服役石拱桥病害调查与成因分析研究通过对湘西地区526座的现役石拱桥和我国西南地区G319、S103以及11条县乡道路上的44座服役石拱桥进行调查，并对部分桥梁进行了重点抽查。得出如下两点成果。成果一：典型病害归类与成因分析结构类别典型病害产生的主要原因备注下部构造1、基础冲刷水流流速大，基础防护不到位2、基础沉降、滑移施工质量问题、超载、基础冲刷严重。3、桥台侧墙变形、开裂侧墙内土压力增大、超载等原因。上部构造4、拱圈开裂、变形施工质量问题、超载、基础沉降、滑移等原因。5、砌筑砂浆不饱满拱圈渗水施工质量问题。6、风化严重石料属于易风化岩石、养护不及时，造成生物风化严重。桥面与总体7、桥面开裂施工质量问题；超载。8、总体线形差设计问题，桥梁与接线衔接不顺直。成果二：石拱桥建筑石料要求 用于石拱桥的石料须满足以下四个方面的要求：1、石质均匀性；2、强度：一般要大于40MPa；3、抗风化性：难风化的石料；4、抗冻性：抗冻质量损失率小于5%，耐冻系数85%。 如：石质均匀、不易风化、抗冻性能好的石灰岩、花岗岩可用于石拱桥的修建，石质差、易风化、抗冻性能差的红砂岩、页岩不能用于石拱桥的修建。四、服役石拱桥理论与安全性评估研究 本研究专项有三部分研究内容，即乌巢河大桥石料力学参数试验研究、石拱桥计算理论与程序开发研究、服役石拱桥健康状况的安全性评价方法研究。1、乌巢河大桥石料力学参数试验研究1.1、研究内容及所获参数 研究内容所获参数 单轴压缩试验单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和变形模量 三轴压缩试验内摩擦角、内聚力、弹性模量和泊松比 砌缝法向单轴压缩试验砌缝的法向刚度 砌缝压剪强度试验砌缝的抗剪强度参数（内摩擦角和内聚力）切向刚度 岩石力学参数劣化分析探索性的岩石力学劣化衰减数学模型 1.2、试验设备与试件RMT-105C刚性试验机试件示意图1.3、成果本次共进行14组试验，其中单轴压缩试验2组（6个试件）、三轴压缩试验6组（18个试件）、砌缝法向压缩试验3组（9个试件）、砌缝压剪强度试验3组（9个试件）。通过试验均得到了相应的应力应变曲线及相应关系式。1）、砌缝法向单轴压缩试验 切向应力-切向变形、法向变形曲线2）、砌缝压剪强度试验 砌缝的切向刚度K与法向应力N 、最大剪应力与法向应力N 的 关系式：2、石拱桥计算理论与程序开发研究2.1、拱轴线研究研究表明悬链线不是空腹石拱桥最合理的拱轴线。采取拱趾、拱顶和1/4跨五点拟合确定的悬链线拱轴线，存在如下的问题：石拱桥不能受拉，通过五点拟合确定的悬链线并不能保证其他截面不受拉力。因此，采用悬索线拱轴线代替悬链线拱轴线。悬索线方程为：其中：基本方程：研究组从以上基本方程出发，建立了一整套的悬索线理论。2.2、平铰拱理论研究“平铰”相当于一个半径为的铰。与理论铰相比，平铰不能自由转动，即在转动中要受到一定程度的约束。与固定端相比较，平铰不能承受拉应力，截面所能承担弯矩有限。 根据以上特点作以下基本假定：1、圬工砌体为弹性匀质材料，服从平面假设和虎克定律；2、圬工砌体不承受任何拉应力；3、任一截面压应力与外荷载在该截面产生的内力平衡。 计算的基本图示如下：计算基本步骤： 先按无铰拱计算出拱脚轴力N和弯矩M； 令拉应力为0；调整压应力并计算轴力到中性轴的距弯e； 计算平铰约束弯矩 ； 计算应力调整后的拱脚轴力N和约束弯矩； 重复、步直致计算结果收敛； 结束。2.3、石拱桥联合作用研究 基本图式：平铰拱联合作用的计算假定1）立墙上下端为铰结，不计立墙的抗推刚度。2）荷载P作用的另一侧腹拱受压缩，用无铰拱的抗推刚度综合代表全桥的约束。3）荷载P作用下腹拱产生的水平推力沿桥面系传递，不作用于主拱圈上。4）平铰拱在荷载P作用下的8#截面水平位移p值，与无铰拱差异很小，故可近似采用无铰拱值。5）平铰拱8#截面的水平刚度K主（以称拱背刚度）也近似采用无铰拱值 。通过以上假设推导建立了一系列联合作用计算公式。2.4、石拱桥分析软件开发 软件是根据本项目的研究成果开发的，它具有以下功能： 平铰（无铰）结构自重作用内力计算； 平铰（无铰）结构在集中力作用下内力计算； 平铰（无铰）结构在温度、支座位移工况内力计算； 平铰（无铰）结构任一截面内力影响线计算； 平铰（无铰）拱结构联合作用内力计算； 并可根据JTG D62-2004有关规定进行内力组合。 单位：kN 无铰M平铰M比值0L拱脚-29430.63-19437.490.66 L拱顶8114.04 6405.68 0.79 L拱脚-20874.35 -16889.59 0.81 计算和试验表明：平铰拱拱顶、拱脚弯矩比无铰拱小1035%。2.5、石拱桥上部构造设计图编制根据研究成果编制了石拱桥上部构造设计图一套跨径：20、30、40、50、60、80米；桥面宽度：11.5m；矢跨比： 1/5、1/6、1/7 、 1/8 ；荷载：公路级、公路级，人群荷载。3、服役石拱桥健康状况的安全性评价方法研究安全性评价主要从事了基于层次分析法服役石拱桥安全性评估方法研究、基于强度储备比汇总法服役石拱桥安全性评估方法研究、基于极限承载力服役石拱桥梁安全性评估方法研究三个方面的内容。3.1、基于层次分析法服役石拱桥安全性评估方法研究1）构建结构层次拱 桥 的 安 全 性承载能力主要承重结构损伤外观缺损状况主拱圈承载能力横梁承载能力立墙承载能力基础承载能力主拱圈结构损伤横梁结构损伤立墙结构损伤基础结构损伤上部结构缺损状况下部结构缺损状况2）、判断矩阵B 矩阵 B 满足一致性要求。 3）确定构件权重常权分析法存在一些缺陷，如不能有效反映次要构件的安全隐患。因此，采用变权分析法对其进行改进。引入变权模式：4）计算整体结构安全性按照步骤计算各构件安全度和各构件的权重向量，再由构件安全度和权重计算结构整体安全度：最低层元素数目。3.2 基于强度储备比汇总法服役石拱桥安全性评估方法研究所谓强度储备比汇总法是以强度储备比为构件的安全指标，由基本构件的安全度指标获得结构体系的安全度指标。同时结合专家知识的一些综合评判原则，考虑大桥结构及其子系统的特性。如某构件在第种受力状态（单一或组合应力）下规定的设计强度储备为：， ，式中和分别是设计时构件在第种受力状态下采用的极限强度和许用强度。 基于强度储备比汇总法分析步骤 划分结构层次 分三类，划分构件类型 计算各类构件安全度指标 计算层结构安全度指标 将整体结构简化为串联结构，由层结构安全度指标计算整体结构安全度指标 3.3 基于极限承载力服役石拱桥梁安全性评估方法研究根据前面研究的石料及砌体工程的本构关系和平铰拱理论，建立大转动、小应变条件下的几何非线性和材料非线性的单元切线刚度矩阵 ，并建立如下刚度方程求解：再用规范方法计算结构抗力与荷载组合，判别石拱桥的安全性。3.4 示范工程到目前，用以上方法已成功地四十余座石拱桥进行了安全性评估和加固改造决策。五、服役石拱桥维修加固改造技术研究本研究专项主要从事了石拱桥实用加固改造技术研究、石拱桥加固改造效果评价研究、石拱桥加固的经济性评价研究等内容。1、石拱桥实用加固改造技术研究1.1 钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥技术1.1.1 钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥的机理分析1）钢筋砼套箍加固拱桥机理之一 截面增大理论 采用钢筋砼套箍加固拱桥的机理之一是截面增大理论。2）钢筋砼套箍加固拱桥机理之二套箍效应 钢筋砼套箍层的增设，使得原主拱圈在活载作用下处于三向受压状态。3）钢筋砼套箍加固拱桥机理之三断裂力学机理 机理一：变主拱圈表面裂纹为内部裂纹 机理二：主拱圈裂纹嘴的集中闭合力阻裂1.1.2 钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥的模型试验1) 试验目的a) 通过钢筋砼套箍加固拱桥模型试验，研究加固技术的可行性；b) 研究钢筋砼套箍与原主拱圈的变形协调、共同受力机理；c) 研究拱桥加固后其在正常使用状态下的强度、刚度、裂缝指标改善情况及极限承载力提高幅度。本试验共分9组30个试件进行。2)测点布置 主模型试验加载过程要求测试截面位移及混凝土和钢筋应变。位移测点布置在拱脚、四分点及拱顶五个位置，其中拱脚处测量水平位移，其余三处测量竖向挠度，要求各测点处的仪器置于拱腹中线上。各片试验拱在加载过程中要求测试两拱脚、两四分点、拱顶五处钢筋表面应变；相应每一截面上要在拱腹、拱背靠近两边缘处钢筋上粘贴应变片。 2) 加载方式主拱模型试验加载方式采用两点加载，如下图所示。加载之前必须对各模型用12吨的荷载进行预压。各级荷载之间的级差根据试验进程适当调整，原则上要求在构件出现可见裂缝以前荷载级差为1吨，构件开裂后适当加大级差。每级荷载作用之后，要求35分钟后待构件变形稳定方可记录位移、应变数据。4）试验结果分析根据前述测试结果，分析如下：a) 在同级荷载作用下，加固应变值较加固前减少2060%；b) 在同级荷载作用下，挠度值减少3050%；c) 裂缝测试结果表明，加固后主拱圈的开裂荷载等级较加固前提高近1倍，力学性能较加固前有较大幅度的改善；d) 采用套箍加固后主拱圈极限强度可较加固前提高57%62.3%； e) 基于9组试件的不同厚度套箍的试件强度试验表明，由于“套箍效应”随套箍层刚度的提高而愈明显，但“套箍效应”系数趋近于一常值，处于1.11.5 之间，此值可作为套箍加固设计的依据。综上所述，钢筋砼套箍层能和原主拱圈有效结合在一起，形成复合主拱圈，协调变形、共同承担活载，发挥了套箍效应，改善桥梁力学性能和较大幅度地提高原桥的承载力。1.1.3 示范工程用该理论，现已成功加固了十余座石拱桥 。上图为位于丰石公路的沙担沟大桥，主跨为80米的石板拱，建成通车于2001年10月，是钢筋砼套箍加固改造技术的示范工程。1.2 石拱桥增设复合钢筋混凝土拱板（肋）加固技术研究1.2.1 加固机理1）机理之一 截面增大理论 增设复合钢筋砼拱板（肋）加固拱桥技术的机理之一是截面增大理论。2）机理之二断裂力学机理 （1）变主拱圈表面裂纹为内部裂纹； （2）主拱圈裂纹嘴的集中闭合力阻裂。1.2.2 模型试验1)、试验目的(1) 揭示拱桥破坏的形态，包括材料的破坏形态以及整个结构破坏过程中所显示出来的病害特征；(2) 通过模型模拟试验，验证该加固技术的可行性；(3) 通过加固试验，加固层和原结构层共同作用机理研究；（4）通过检测加固层的应变，分析加固层受力情况及材料强度利用率，及加固后强度、刚度、裂缝指标改善情况和结构承载力提高幅度。2）、试验概况整个模型试验共有3片模型拱，其中两片用来做拱结构破坏试验，另外一片做增设复合钢筋砼拱板（肋）加固试验。 1.2.3 示范工程 到目前，用此法已成功加固了几座石拱桥。上图是湖南省龙山县X015线上的靛房一桥，修建于清朝嘉庆年间，是“增设复合钢筋混凝土拱板（肋）加固技术”的示范工程。1.3 基于平铰拱理论分析调整全桥内力的改造技术研究1.3.1 机理及适用性分析拱式桥梁在荷载（恒载、活载）作用下，除了承受荷载产生的轴向压力外，还承受荷载对其产生的弯矩和剪力，所以拱桥是承受压、弯、剪荷载的承重结构。本方法是采用平铰拱理论优化调整拱桥内力，挖掘石拱桥潜在承载能力的一种加固方法。1.3.2 示范工程 吉首金山桥（加固前） 吉首金山桥（加固后）上图是湘西吉首至太平乡金山桥，为1孔30米实腹石板拱，1974年底建成。是“基于平铰拱理论分析调整全桥内力的改造技术研究”的示范工程2、石拱桥加固改造效果评价研究2.1 强度评价指标对于加固增强后桥梁的强度，以下四个指标对评价加固的效果有重要意义：承载力提高率L、恒载应力变化率D、荷载置换率T、加固层利用率M。2.1.1 承载力提高率L 承载力提高率L定义为：式中：L桥梁加固前后的承载力提高率，L0; R0加固前结构的承载力代表值，例如主拱圈跨中截面的抗力; R2加固后与R0 对应的结构承载力代表值。2.1.2 恒载应力变化率 D 恒载应力变化率 D：D0 为加固前在恒载作用下原结构控制截面上的最大应力；D1 加固后在原结构同一截面对应位置恒载的应力增量。D在加固设计中的作用和意义在于：D反映了加固过程中恒载的变化，因此加固设计时一方面应尽 可能采用减载措施，另一方面拟定的加固层宜采用轻质；D一定程度上揭示了桥梁已加固部分对其它部分的影响。2.1.3 荷载置换率 T 式中：DS 加固层恒载作用下原结构控制截面上产生的应力；L活载作用下，原结构相应截面加固后较加固前应力减少量。原则上T 1，若T 1则表明对原结构增设加固层而增加的恒载应力比加固层分担活载等后期荷载的效应要大，即加固失去意义。2.1.4 加固层利用率M式中： 控制截面加固层的荷载效应最大值，如对于钢筋本项为钢筋应力与面积之积； 加固层最大承载能力，对于钢筋本项为其强度与面积乘积。2.2 刚度评价指标 2.2.1 刚度评价指标在桥梁加固效果评价中的意义 桥梁在荷载作用下的挠度必须有所限制，因为： 1）、构件变形大，结构的次应力也大； 2）、挠度大，易使拱桥形成波浪起伏，高速行车引起颠簸和冲击； 3）、挠度大，上部结构在端部转角大，伸缩缝与桥面系易破坏，不利于行车和养护。对于加固增强后桥梁的刚度，引入总挠度变化率T、恒载挠度变化率D、挠度置换率T三个指标对评价加固的效果进行评价 。2.2.1 总挠度变化率L式中：0加固前结构在全部荷载（恒载+活载）作用下挠度值；2加固后与R0 对应的结构承载力代表值。2.2.2 恒载挠度变化率D式中：D0 加固前在恒载作用下原结构控制截面上的挠度；D1 加固后原结构相同截面对应位置挠度的改变增量。D意义在于：它反映了加固过程中恒载的变化，因此加固时一方面应尽可能采用减载措施，另一方面采用轻质材料。2.2.2 挠度置换率 T式中：DS 加固层恒载作用下原结构控制截面产生的挠度；L活载作用下，原结构相应位置加固后较加固前挠度变化量。桥梁加固，要避免一味以增加恒载挠度为代价而换取活载挠度有限量的减少，否则是不经济的。3、石拱桥加固的经济性评价研究3.1 服役石拱桥加固维修决策研究 3.1.1 石拱桥安全状态指数评价模型石拱桥安全状态指数：其中： i 拱桥的损坏类型，如开裂、拱石风化、侧墙外鼓、剥落等； j 损坏严重程度， 优、良、中、差、很差五个等级； DPijk i种损坏，j级程度和k范围扣分值； Wij各种损坏类型和严重程度的权函数。 3.1.2 加固维修决策研究 维修等级划分 =不修，小修，中修，大修, 重建维修决策考虑的因素（1）服役现状 根据专家经验评定桥梁服役状态，并按以下等级构造隶属度向量 服役现状与维修决策集之间的关系由评定矩阵表示。 则由服役现状分析得到的维修等级为： 2）构件安全度主要考虑各构件安全度或强度储备比超过限定值的程度和超过的个数。构件安全度状况同样划分为五等级：结合专家经验，可以确定构件安全状况的隶属度向量：则由构件安全度分析得到的维修等级为： （3）整体安全度整体安全度状况的等级除考虑桥梁整体安全度指标外，还应考虑整天全度指标衰减率。由构件安全度分析得到的维修等级为： 桥梁维护多因素综合决策分析的步骤 单因素维护决策评定 确定各因素权重系数W 将单因素评定结果归一化，建立综合决策矩阵RU 计算多因素综合分析结果3.2 石拱桥加固方案的技术经济比选1）、建立石拱桥加固方案指标评价体系 2）、构造区间数表达的比较判断矩阵 3 )、 求解区间数权向量4）、各层元素对总目标的合成权重 4 )、方案优劣排序，选择最佳加固方案。3.3 石拱桥加固经济评价石拱桥加固经济评价的目的：一是评价加固项目在经济上是否可接受，二是在投资有约束时按效益高低对加固项目进行优先排序。六、主要研究成果与创新点1、根据调研资料，归纳出服役石拱桥最典型病害七种，分析了产生病害的主要原因和相关因素，在设计、施工、材质上提出具体防治措施和要求；2、通过石料单轴、三轴试验和砌体单轴、压剪试验获得了实体工程-乌巢河大桥的石料和砌体的本构关系；3、通过石拱桥拱轴线、平铰拱、拱上联合作用的研究，取得了一整套更符合石拱桥受力特点计算理论，并开发了相应的石拱桥内力分析SAB软件；4、根据研究的石料及砌体工程的本构关系和平铰拱理论，建立大转动、小应变条件下的几何非线性和材料非线性的单元切线刚度矩阵 ，使平铰理论和有限元