空心板梁桥加固理论与实践 精选文档

1、空心板梁桥加固理论与实践,省公路管理局安全处,郑求才,副处长、教高,2019.11.16,杭州,空心板梁桥加固理论与实践,浙江省空心板梁桥概况,空心板梁桥主要病害及原因分析,空心板梁桥细部力学分析理论,空心板梁桥主要病害加固实践,问题与思考,浙江省空心板梁桥概况,截止,2019,年底，浙江公路桥梁总数,45668,座,中小跨经（单跨,40,米，）桥梁占,92 ,其中空心板梁桥,26684,座，占中小跨径的,59.6 ,近年，全省普通国省道修复加固桥梁中，空心板类桥占,70 ,以上,近年，我省桥梁突发事件，空心板类桥梁占主要（梁板断裂、铺装严,重破损等），以钱江三桥为典型代表,空心板桥在浙江公路

2、桥梁中占重要地位,空心板梁桥主要病害（五大病害,1,桥面铺装纵向裂缝铺装破损,2,预应力空心板底纵向裂缝,3,钢筋混疑土空心板横裂渗水钙化，从正,常非正常裂缝,4,铰缝损坏、破坏单板受力,5,支座脱空,其它：宽幅板梁端斜向裂缝、预应力空心板,横向裂缝,病害原因分析,从宏观来说,铰缝是,关键,单板受力,铺装裂缝梁板,损坏,先天不足是,根本,小铰缝、薄铺装）,超载是,祸首,设计惯例影响：铺装层、铰缝不计算，仅提构造要求,6,60-70,年,代,90,年代,2000,年后,空心板截面形式和铰缝的演变,超载引起的内力对比,20,米空心板,荷载,跨中弯矩,kN.m,支点剪力,kN,跨中挠度,cm,设计值

3、,公路,I,级荷载,691.42,238.47,2.42,整体受力,实测,5,轴超载车,1123.48,480.77,4.29,与设计值的比值,1.62,2.02,1.77,单板受力,实测,5,轴超载车,1988.14,885.47,7.60,与设计值的比值,2.87,3.71,3.14,公路超载,8,2019,年,张同公路调查结果,32,车辆总重最大,134t,单轴最大,43t,2019,年，广东省超载运输调查,33,车辆总重最大,131.8t,最大单轴重达,31t,车辆总重,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,0,100,200

4、,300,400,500,600,700,时序,车辆总重(吨,2009,年,1,11,月，杭州萧山治超站,超限超载车共,692,辆,其中超载车,638,辆,车辆总重超,100,吨的,22,辆,最重的达,129.05,吨,病害原因分析,桥面铺装纵向裂缝的原因,铺装过薄、铰缝失效、铺装层施工时层间结,合不良及钢筋网片下沉、梁板顶面不平整,反拱不一、施工误差过大等）、支座脱,空造成梁板翘曲影响,铰缝损坏、破坏,早期小铰缝设计缺陷、施工工艺（凿毛不到,位、浇筑不到位、铰缝钢筋搭接不到位,铰缝混疑土材料未考虑粘结性要求,板底横向裂缝原因,对钢筋混疑土结构来说，宽度及高度限度以内的横裂,是正常的，（极限状

5、态设计，受拉去混疑土不参与,计算,但超过限度的是不正常的（中性轴以下,0.2mm,以,内,中性轴过高，影响受压区面积，增大钢筋应力和裂缝,宽度,裂缝宽度过大，影响钢筋耐久性，锈蚀,个人理解：裂缝宽度从设计计算来说，是,个半经验半理论公式，个别裂缝超限说明,不了什么问题，关键的是否渗水钙化,预应力空心板板底纵向裂缝,原因复杂，既有设计，又有施工、运营原因,1,设计：温度应力，内外温度相差,10,度时，底板横向拉应力可,达,1.14MP,2,翘曲畸变，顶底板的最大拉应力达,1-2MP,3,施工：钢束偏差，支座脱空、保护层过薄等,空心板L/4处底板,0.04,0.02,0.00,0.02,0.04,

6、0.06,0.08,0.10,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,横向坐标(m,横向应力(MPa,工况1,工况2,工况3,钢束偏差处（即钢束横向弯折处，本算例,中是,L/4,附近）横向拉应力区域明显向偏差,钢束处偏移,应力幅值成倍增大,应力幅值与钢束偏离距离基本成线性变化,钢束横向弯折以外的其他区域受影响均很,小,运营超载,横向应力(MPa,0.8,0.5,0.2,0.1,0.4,5.5,4.5,3.5,2.5,1.5,0.5,0.5,1.5,2.5,3.5,4.5,5.5,横坐标,m,虚,线,为,工况,1,实,线,为,工况,2,仅一辆超载车

7、在空心板底板中产生的纵向和,横向应力，便已超过并排,3,辆规范车辆所产,生的应力将近,2,倍,超载车作用下，底板外缘最大横向应力可达,0.4,0.5MPa,出现在车轮直接作用处以,外的邻近空心板中,支座脱空,形成梁板翘曲，不平，增大梁板应力,影响桥面铺装的受力，产生裂缝,造成铰缝的损坏,从桥梁定检情况看，梁式桥支座脱空的比,例较高，应引起重视,施工时安装问题（三点定面，四点很难成一面）、支座质量差（河北衡水）,其它病害,预应力空心板板底横向裂缝有,2,种，弯拉,区裂缝（白沙大桥）、预应力变化处（先,张法施工短束处横裂（瑞安高架桥）应正,确区分是弯拉应力过大还是施工缺陷造成,空心板桥细部力学计算

8、,梁板计算,传统方法：铰接板法、刚接梁法,铰接板法计算的前提是：半波正弦荷载跨中,绕度与变形成正比，但车辆荷载不是半波,正弦荷载。现代有限元理论已经分析证明,按铰接板法计算的横向分布系数是偏大,的，对结构是偏安全的。关键的问题往往,是铰缝起不了铰的作用,空心板梁桥细部力学分析,1,现代有限元方法：平面杆系（实质上也是横向分布系数,法）、梁格法、实体单元法,2,三种方法计算的梁的应力是有区别的。从保守到精确,三种计算方法中，前二种对铰缝都是按铰来模拟，实体,单元法对铰缝的处理有不同的方法，结果也有差异,3,概括：由于铰缝的结构，使得实际结构应力与计算模型,是有差异的。正确认识不同的模型特点，对荷

9、载试验校,验系数的判别有帮助，应越来越趋近于,1,有人计算过,单跨预应力简支空心板梁桥，混凝土桥面铺装层参与作,用时，跨径为,10m,和,13m,的简支空心板梁桥，应力和挠度,校验系数提高,43,左右。跨径为,16m,和,20m,的简支空心板,梁桥，应力和挠度校验系数提高,26,左右,铰缝,计算分析,20,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,沥青铺装层,混凝土铺装层,空心板间的缝隙,铰缝与空心板结合为,一个整体统一划分,单元网格,空心板铰缝病害分析,4,种工况计算结果对比,21,工况1 铰缝S1应力,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0,1,5,0,1,0

10、,0,0,5,0,0,0,0,0,5,0,1,0,0,1,5,0,2,0,0,2,5,应,力,M,P,a,Z坐标,m,3#缝左,3#缝右,4#缝左,4#缝右,5#缝左,5#缝右,6#缝左,6#缝右,工况2 铰缝S1应力,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0,5,0,0,0,0,0,5,0,1,0,0,1,5,0,2,0,0,2,5,0,3,0,0,应,力,M,P,a,Z坐标,m,3#缝左,3#缝右,4#缝左,4#缝右,5#缝左,5#缝右,6#缝左,6#缝右,工况3 铰缝S1应力,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0,1,5,0,1,0,0,0

11、,5,0,0,0,0,0,5,0,1,0,0,1,5,0,2,0,0,2,5,应,力,M,P,a,Z坐标,m,3#缝左,3#缝右,4#缝左,4#缝右,5#缝左,5#缝右,6#缝左,6#缝右,工况4 铰缝S1应力,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0,5,0,0,0,0,0,5,0,1,0,0,1,5,0,2,0,0,2,5,0,3,0,0,应,力,M,P,a,Z坐标,m,3#缝左,3#缝右,4#缝左,4#缝右,5#缝左,5#缝右,6#缝左,6#缝右,铰缝应力的考察位置,图,7.2.27,跨中横截面上,3-6,号铰缝的第,1,主应力沿标高方向分布,空心板铰缝病害,4,种

12、工况计算结果对比,22,工况1 铰缝Sxy应力,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,工况2 铰缝Sxy应力,2.5,2.0,1.5,1.0,0.5,0.0,0.5,1.0,1.5,2.0,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,工况3 铰缝Sxy应力,1.8,1.6,1.4,

13、1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,工况4 铰缝Sxy应力,2.5,2.0,1.5,1.0,0.5,0.0,0.5,1.0,1.5,2.0,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,铰缝剪应力,Sxy,沿高程方向的错动,沿桥长变化,第,7,章,空心板铰缝病害,4,种工况计算结果对比,23,工况1 铰缝

14、Sxz应力,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,工况2 铰缝Sxz应力,4.0,3.0,2.0,1.0,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,工况3 铰缝Sxz应力,1.8,1.6,1.

15、4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,工况4 铰缝Sxz应力,4.0,3.0,2.0,1.0,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,8,6,4,2,0,2,4,6,8,应力(MPa,Z坐标,m,1号缝,2号缝,3号缝,4号缝,5号缝,6号缝,7号缝,8号缝,9号缝,10号缝,图,7.2.27,铰缝剪应力,Sxz,沿桥长方向的错动,沿桥长变化,第,7,

16、章,空心板铰缝病害,铰缝处实体单元应力分析说明：规范车辆,荷载下，铰缝应力在可控范围内；超载车,辆作用下，主应力和剪应力较大，可能导,致铰缝开裂,铰缝损伤识别,空心板梁桥铰缝是否完好，目前无很简,易的办法,1,如果铰缝已渗水，可以说明铰缝已开裂受损,2,勾缝脱落，不能说明铰缝已损坏,3,定期检查手段无法正确判断,4,荷载试验可通过横向绕度曲线大致判别铰缝状态,国内有人在研究铰缝损坏的判别方法，有,待实践检验,1,上海通过相邻板绕度变化，开发了专利产品：电阻式铰缝,位移计,2,重庆交大研究了基于舜态动力分析的铰缝损伤识别方法,铺装层对桥梁受力的影响分析,规范规定，铺装层可以在扣除磨耗层后计,入刚

17、度计算，但也可不计刚度贡献，只计,横载,研究表明，铺装层厚度对铺装层本身及空,心板的应力变化影响较大。应有一个合适,值，不宜过大和过小。宜对不同跨径、不,同铰缝损坏情况作理论分析和实践验证,计算表明，铺装层施工时局部缺陷如脱空,等，可造成铺装层裂缝产生,铺装层最大拉应力对比图,主要结论,不同跨径铺装层最大拉应力在厚度大于,12CM,以后时变化较小,最大顺桥向剪应力、层间剪应力在厚度大,于,10CM,以后时变化较小,20,米以上跨径铺装层应力远大于其他跨径,铺装层厚度对较缝应力的影响,12-14cm,交界点现象,矩形铰缝应力较低,宽幅式空心板的研究试验结论,20m,宽幅空心板断面,抗弯破坏性试验

18、,抗弯破坏性试验结论,荷载效应,数值,knm,裂缝表征特点,备注,设计活载,约,550,无裂缝,普通板约,690,开裂荷载,770,跨中腹板细微,裂缝,1028,底板开始横列,1300,横列贯通,1758,产生压碎性细,裂缝,破坏,抗剪破坏性试验,试验结果,加载重量,T,裂缝特征,自重,9.2,开裂前,9.2-32,裂缝发展,32-51,裂缝在支座中心线和,加载点连线与中性轴,交点附近发展,裂缝发展迅,速至破坏,51-105,空心板加固方法,国内空心板加固的方法很多，围绕恢复铰,缝功能、增加横向整体刚度、提高承载潜,力等方面探索了很多,常见的梁板纵向抗弯加固（贴钢板、碳纤,维布）、铺装层结合铰

19、缝加强加固,近年探索中的有横向体外预应力、纵向槽,钢加固,抗弯加固,黏贴钢板、碳纤维、体外预应力、高强聚合,物砂浆加固,黏贴钢板、碳纤维加固：提供一种超载的潜,力，质量较难保证。先卸载再加固，效果,更好，所以施工时应尽量不上活载,MPC,高韧性混疑土加固：宁波白溪大桥,抗拉强度达,50MP,哈工大研制，造价高,横向整体加固,国外有空心板增加横格梁施加预应力的工程,实例，效果是明显的,横向整体加固的目的是增加铰缝的传荷能力,铰接变刚接,国内已有专著体外横向预应力加固简支空,心板梁桥技术，根据河南的一些实例总,结了计算方法,浙江的横向整体加固实例,土竹殿桥，如图,4.1,所示，位于浙江省仙居县境内

20、临金线上，全桥共,五跨，单跨跨径,13.0m,桥梁全长为,66.9m,桥面净宽,9.0m,与,河道斜交,30,度。上部结构为,9,块宽,1m,的钢筋混凝土简支空心板。下,部结构采用钻孔桩墩台。设计荷载为汽,20,级，挂,100,土竹殿,桥为,5,孔等跨径的空心板桥，加固前该桥存在桥面铺装开裂、铰缝渗,水和板跨中开裂的病害，已呈现单板受力趋势,浙江省仙居土竹殿桥横向体外预应力加,固,HVM,预应力体外索,KM15,型锚具,锚板螺栓,锚板,体外索采用符合预应力混凝土用钢绞线,GB/T 5224,2019,标准的,270,级高强度低松弛钢绞线，公称直径,15.2mm,公称面,积,139mm2,标准强

21、度,fpk,为,1860MPa,预应力钢绞线的张拉控制,力为,140 kN,荷载试验结果对比,第三跨进行桥面补强和体外横向预应力加固前，在荷载作用下最,大挠度实测值为,5.8mm,加固后最大挠度实测值为,1.51mm,测点加固后实测值与加固前实测值比值均小于,1,挠度实测值均小于加固后有限元计算值，加固后挠度校验,系数左偏载工况在,0.620.99,之间，中载工况在,0.510.87,之间，右偏载工况在,0.460.83,之间,加固后荷载横向分布系数比较,中载工,况,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,加,固,后,有,限,元

22、,加,固,前,加,固,后,横,向,分,布,系,数,横,向,位,置,横向黏贴钢板加固,加固后荷载横向分布系数比较,中载工,况,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,50,100,150,200,250,300,350,加固后有限元,加固前,加固后,应,变,板号,结论,与加固前相比，桥梁第二跨和第三跨在加固后，挠度、应变,均大大减小，说明加固后结构刚度明显增大；全部挠度实测,值和大部分应变实测值小于加固后有限元计算值，说明加固,大致达到预期效果，桥梁具有了一定安全储备；横向分布系,数接近于计算值，且分布规律与计算值总体吻合，说明采取,的加固措施加强了空心板之间的协同工作能力,点评：从定性上来说，加固肯定有效果，但荷载试验结果是,在桥面铺装和铰缝修复后进行，这之间，横向贴钢板和体外,预应力加固的效果受到了一定的影