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1 预应力混凝土梁式桥 养护技术探讨 鲍卫刚 ( 中交路桥技术有限公司 ) 2016 年 01 月 13 日成都 CRBC

2 截至 2014 年年底, 我国公路桥梁总数已达 万座, 万延米 目前, 仅黄河上已建和在建的大桥已达 228 座, 长江上达到 162 座 我国建成的悬索桥 斜拉桥 拱桥和梁桥这四类桥梁的跨径均已居世界同类桥梁跨径的前列 材料 : 混凝土桥占 90% 规模 : 中小跨径桥占 90% 结构 : 梁式桥占 75% 混凝土桥梁, 特别是梁式桥, 一直是我国公路桥梁的 主流结构型式, 今后还将如此

3 1 钢筋混凝土板 预应力混凝土( 空心 ) 板 :6-25 米 ; 2 装配式钢筋混凝土 T 梁 预应力混凝土 T 梁 :16-50 米 ; 3 钢筋混凝土箱梁( 已经基本不用 ); 整体现浇 装配式预应力混凝土箱梁 ( 小箱梁 ):20-50 米 ; 4 钢筋混凝土拱桥( 板拱桥, 上承式 中承式 下承式的箱拱 系杆拱, 桁架拱 刚架拱 ): 米 ; 5 预应力混凝土 T 构 : 米 ; 6 预应力混凝土连续梁桥( 分段建造 ): 米 ; 7 预应力混凝土连续刚构桥: 米 ; 8 混凝土斜拉桥: 米

4 人 ---- 生命 ( 全寿命 ) 周期 (Life Cycle), 从出生 成长过 程 衰老 生病和死亡的过程 全寿命的概念 先天不足, 后期补 : 加强养护 ( 维护 维修 ) 延年益寿 ---- 已经或正在从可能的各个方面采取各种可行的技术或 措施, 加强混凝土桥梁的养护 ( 维护 维修 ) 力度

5 微观 : 作用 ( 荷载 ) ( 人为因素 ) ( 环境因素 ) 抗力

6 作用 ( 荷载 ) 永久作用 ( 结构重力等 ) 汽车荷载 ( 冲击力 离心力 土压力等 ) 风荷载流水压力 冰压力温度作用地震用撞击力 ( 船舶 漂流物 汽车等 ) ( 人为因素 ) ( 环境因素 ) 抗力

7 公路桥梁设计用汽车荷载标准 : 56 规范 : 汽 -6 汽-8 汽-10 汽-15 汽 规范 : 汽车 -10 级 汽车 -15 级 汽车 -20 级 85 规范 : 汽车 -10 级 汽车 -15 级 汽车 -20 级 汽车超 -20 级 04 规范 : 公路 -Ⅰ 级 公路 -Ⅱ 级 标准值逐次提高, 交通运输业和工业化的要求 版通用规范适度提高了标准值 调整了作用组合系数

8 1 类似于原来定义的矿山装卸车, 其总重大多在 吨 2 短途的 5 6 轴的总重超过 100 吨的车 3 车总重超过 55 吨的 5 轴 6 轴的车 --- 进一步加强行政执法力度 完善技术支撑作用

9 作用 ( 荷载 ) ( 人为因素 ) ( 环境因素 ) 抗力 设计欠缺 : 结构不尽合理 ( 结构类型 形式 跨径划分不合理等 ) 计算出错 计算参数选择有误断面构造不合理 钢筋布置不合理等施工质量 : 施工方法 施工顺序 养生措施等 ---- 尽量避免

10 作用 ( 荷载 ) ( 人为因素 ) 材料特性及设计因素 : 抗压强度高 抗拉强度低的混凝土与抗拉强度高的高强钢材组合 混凝土材料即非弹性又非真正意义上的塑性的应力 -- 应变关系, 以及时变特性使得混凝土结构的设计变得复杂, ( 环境因素 ) 抗力 ( 使用高强高性能混凝土 自密实混凝土, 也改善混凝土的耐久性 考虑不同施工环境和条件进行结构分析 采用多种计算软件进行混凝土收缩徐变的包络计算和控制, 等 )

11 施工因素 : 混凝土质量的控制与稳定受到当时 当地当人的影响 作用 ( 荷载 ) ( 人为因素 ) ( 环境因素 ) 抗力 ( 严格控制和优化混凝土结构的施工工艺和要求 加强混凝土的配合比设计 控制水胶比 多采用自密实混凝土 尽量保证混凝土的养护周期 -- 养护周期的保证不仅可以显著改善混凝土的收缩徐变特性 控制混凝土弹性模量的合理增长, 更是提高混凝土结构耐久性的最根本的措施 )

12 作用 ( 荷载 ) ( 人为因素 ) ( 环境因素 ) 抗力 钢筋锈蚀氯离子引起水氧近海环境 除冰盐环境, 氯离子从外表侵入海砂 防冻盐用于混凝土, 氯离子拌入混凝土碳化引起二氧化碳水氧 冻融破坏 水饱和程度冻融循环次数混凝土损伤剥落 硫酸盐 酸 软水侵蚀 碱骨料反应

13 作用 ( 荷载 ) ( 人为因素 ) ( 环境因素 ) 抗力 提高原材料 () 混凝土和钢筋的要求完善理论设计强化构造措施严格施工增加防腐措施 ( 涂层等 ) 加强监测和评估 进一步提高养护管理水准

14 作用 ( 荷载 ) 控 护 抗力

15 日常 : 公路桥涵养护规范 (JTG H ) 适时 : 公路桥梁技术状况评定标准 (JTG/T H ) 公路桥梁荷载试验规程 ( 在编 ) 公路桥梁承载能力检测评定规程 措施 : 公路桥梁加固设计规范 JTG/T J 公路桥梁加固施工技术规范 JTG/T J 不同的规范, 提供了不同的技术要求和管理要求

16 桥梁养护实施技术体系 : 保养 清洁 日常保养 小修 功能维护 状态保持 ---- 预防性养护 大中修 功能恢复 ( 结构性病害 耐久性处治 ) 提升 ( 加固 改造 ) 桥梁检查 : 经常检查 定期检查 特殊检查 ( 初始检查 日常检查 经常检查 定期检查 特殊检查 )

17 病害大致可以分为三类 : 1. 养护性的缺陷, 构件表面的涂装层开裂 起皮 剥落 锈迹 桥面铺装有裂缝 局部坑槽 积水 沉陷 波浪 碎边 ; 混凝土桥面有渗漏 钢筋锈蚀 缝料老化 损坏 桥头有跳车 桥面泄水管堵塞和破损, 等等 ---- 日常养护 2. 耐久性病害, 混凝土表面剥离 钢筋是否露筋, 等 ---- 耐久性处治 3. 结构性病害, 基础受到冲刷破坏 有无结构性裂缝, 等 ---- 重点关注

18 桥梁检测评估体系 1 表观损伤检测 桥面系 上部结构 下部结构 支座 其它 技术状况评估 2 材质状况检测 混凝土强度 碳化深度 钢筋锈蚀 混凝土内部质量 钢筋保护层厚度 其它 耐久性评估 3 承载能力检测 静载试验 动载试验 承载能力评估 18

19 全景摄影机 GPS 探地雷达 高分辨相机 冲击回声 / 表面超声 混凝土电阻率测试仪

20 检测技术的无损化和多学科技术的综合利用 红外 遥感 超声波 点激光 三维激光 雷达 无人机 爬行机器人 多普勒效应 ---- 三维激光 : 速度快 精度高 稳定性好

21 承载能力评估 工况设置 最大主拉应力工况 墩顶最大负弯矩工况 边跨最大正弯矩工况 中跨最大正弯矩工况

22 数据总结与分析 22

23 公路桥梁管理 ( 信息 ) 系统 基础数据管理 专业数据管理 桥梁构件管理 桥梁检查管理 性能评定与预测 桥梁养护管理 地理信息应用 系统管理 识别数据库 交通量数据库 桥梁部件构件库 桥梁经常检查 规范评估模型 养护处治对策 公路空间数据 用户管理 结构数据库 超重车过桥库 桥梁的构件组成 桥梁定期检查 综合性能评定 维修加固方案 电子地图选用 系统配置 经济指标库 桥上事故库 桥梁构件缺损库 桥梁特殊检查 适应性评定记录 养护方案工程量 专业信息查询 权限设置 桥梁档案库 地震信息库 维修加固方法库 涵洞定期检查 HBMS 评估模型 养护方案费用 字典设置 安全性状况评估 维修历史库 水文信息库 维修加固费率库 养护优先排序 日志管理 耐久性状况评估 风温信息库 适用性状况评估 地质信息库 综合性能评价 桥梁性能预测 HBMS 桥梁管理系统模块图

24 先进的云计算技术 : 1 HBMS 系统基于最新的 Windows.Net 3.5 国际主流框架平台, 并采用新一代的多层 B/S 架构 ; 2 HBMS 系统的数据访问层支持多数据库技术, 进一步提升了系统的运行效率, 增加了系统的共享性能和移植简便性 ; 3 HBMS 系统采用基于互联网开放标准和 Adobe Flex 的 swf 用户界面, 是国内首先成功采用了国际上最先进的互联网应用程序技术 ( 简称 RIA 技术 ) 的桥梁管理系统 ; 4 系统在数据交互和远程过程调用中采用目前流行 AMF3 数据传输协议, 大大提高了数据传输效能 ; 5 HBMS 系统能兼容 Windows SQL Server 数据库和 Oracle 数据库, 大大提高了系统对我现有信息化基础平台的适应能力 6 解决了与国内现有桥梁管理系统数据兼容的技术问题

25

26 ( 长期 ) 健康监测系统 设计原则 : (1) 可靠性 : 选择成熟的产品和技术, 保证系统的基本目标要求和功能得以实现 ; (2) 实用为主, 避免形式上的豪华 ; (3) 可操作性和易维护性 : 应易于管理和操作 ; (4) 历史与现实相接合 : 充分利用已有的桥梁档案和定期检测的线形 索力资料, 分析 了解桥梁参数指标的历史变化和现状

27 健康检测系统 :

28 预应力混凝土梁式桥的监测重点 : 跨中挠度重点断面的裂缝开展振动特性动态称重主要环境因子 ( 温度等 ) ---- 人工的不可替代性

29 预应力混凝土连续梁式桥 : 主要的结构型问题是出现可能会影响到结构安全度 ( 继续的承载能力 ) 和使用性能 ( 舒适性 耐久性 美观性 ) 的梁体结构局部部位的开裂和结构持续的挠曲变形 ( 跨中下挠 ) 连续刚构桥, 由于其上下部的联动工作及其柔性, 问题更为突出一些另, 底板预应力钢筋的崩裂 梁体的开裂 : 垂直裂缝 ---- 受弯 ---- 正截面抗弯强度斜裂缝 ---- 剪切为主 ---- 主拉应力缺失为主,1/4 跨附近区域其他裂缝 ---- 局部承压裂缝 收缩裂缝 温度裂缝 --- 受力裂缝, 必须引起足够的重视

30 加固设计和加固施工的基本原则 : 1. 不同性质的病害, 应该采取不同性质的处理方法和技术 2. 优先考虑主动性加固措施, 被动型加固措施配合 3. 可以针对结构的不同部位和不同的病害同时采用多种加固措施 4. 采用不同的计算软件 ---- 由于结构性病害的出现, 结构刚度分度发生变化 截面应力发生重分布, 加固设计时, 既有结构的受力状态的模拟比较困难 ---- 特殊桥梁的恰当的健康监测系统的建立 ( 对于复杂的大型桥梁的加固设计, 建议开展第三方设计咨询 ) 5. 桥梁结构加固的基本原则是做 加法 而不能做 减法, 即加固 设计时一定要注意, 不能因加固而造成结构进一步的损伤 6. 施工过程必须得到严格控制, 加强施工环节工序和质量管理 ( 环节多 工程量小 ), 发现异常情况及时分析和调整

31 常见加固方法 : 上部结构的加固 : 粘贴钢板加固外包钢加固法粘贴碳纤维片加固桥面补强层加固法增大截面和配筋加固法预应力加固法 ( 体内 体外 ) 增加构件加固法改变结构受力体系加固法下部结构的加固 : 扩大基础加固法增补桩基加固法高压旋喷注浆加固法顶推法调整拱桥拱脚水平位移加固法 ---- 可以针对结构的不同部位和不同的病害同时采用多种加固措施

32 ---- 活学活用规范的规定, 充分发挥人的主观能动性

33 实桥案例一 某预应力混凝土连续刚构桥, 跨径布置为 70m+2 125m +70m=390m, 设计标准汽车荷载为 : 汽车 - 超 20 级, 挂车 级 上部结构采用单箱单室箱梁截面, 根部梁高为 6.8m, 跨中梁高为 2.5m 梁底按 1.8 次抛物线变化, 箱梁顶板厚 28cm, 箱梁底板悬臂根部为 70cm, 跨中为 32cm, 腹板厚度根部为 54cm, 跨中为 40cm ---- 处理箱梁腹板主拉应力裂缝为主 ( 典型的桥梁的常规加固方法案例 )

34 方案 1: 体外预应力加固, 在箱梁内部设置锚固块及转向块, 并布置体外预应力束, 箱梁腹板灌缝后粘贴钢板, 并配合其他 病害处理措施 方案 2: 箱外加厚腹板, 并设置下弯束, 并配合其他病害处理措施

35 方案 3: 箱内加厚腹板, 并设置下弯束, 并配合其他病害处理措施 加大腹板对抗主拉应力的抵抗截面, 提高箱梁抗剪能力, 减小主拉应力, 有效传递预应力, 恢复主梁的承载能力和刚度 箱内施工, 施工质量和安全容易保证 通过对三个方案进行比较, 最终采用方案 3 作为大桥的的加固方案

36 实桥案例 2 某预应力混凝土连续梁桥, 主孔桥为 9 跨一联, 跨径组成为 m, 边孔桥为 5 跨一联,5 87m, 桥面净宽为 13.0m 上部结构为三向预应力混凝土变截面连续箱梁 主孔桥的边中跨比高达 0.76( 边孔桥的边中跨比为 1:1), 超出了连续梁桥较为合理的边中跨比范围 (0.55~0.65) ---- 加固兼顾缩短边中跨比和提高梁体的整体刚度, 处置边孔梁下挠持续变形为主 ( 改变结构体系加固方法 )

37 方案 1: 在近河岸各边跨增设桥墩, 在连接墩处增设桥塔, 各靠 河心处边跨增设斜拉索, 全箱采用体外预应力索加固, 并配合 其他处理措施 方案 2: 在引桥边跨和主桥各跨加设斜拉塔, 将原桥改造为部分斜 拉桥, 并配合其他处理措施 ( 塔的立足点 变形协调 )

38 方案 3: 在各边跨加设斜拉索, 沿箱梁跨径方向增加钢箱, 并配合其它处理措施 最终实施方案 : 边孔桥边跨靠桥台 36.9m 处增设桥墩 ; 主边孔桥相连的过渡墩处箱梁两侧新建钢箱系杆拱, 拱脚与箱梁 0 号块和箱梁端横梁固结, 形成刚梁柔拱体系

39

40 案例 3: 国道 109 线内蒙石嘴山黄河公路大桥,1988 年建成, 2013 年将连续刚构桥改造为矮塔斜拉桥 案例 4: 主桥上部结构为预应力混凝土 - 刚构连续梁结构 (75+7* 米 ) 2016 年将进行改变体系加固

41 展望 : 1 安全 耐久 适用 环保 经济 美观 控 与 护 平衡点 ( 全寿命 ) 预防性养护 功能指标 (PI) 时间 预防性维修 功能指标 (PI) 时间 反应式维修

42 展望 : 2 BIM+3D GIS+ 互联网 ( 基于 BIM 的桥梁管理养护系统 ) 核心技术 : 三维 BI 模型 + 三维地理信息系统 + 协同文档信息模型技术 + 资产信息模型技术 ---- 可视化 数字化 虚拟化 移动化 集成化

43 一站式解决桥梁的养护及资产管理 资产管理监测与检查养护管理规划与决策报告与发布 评估分析 基于 3D GIS 的资产信息建模与管理资产信息查询资产技术资料理 现场调查在线监测监测数据与 3D 资产模型关联远程访问与存储基于 3D 模型的评估分析 养护记录管理养护信息与 3D 模型关联直观查询养护情况远程查询与存储 使用状态预测模型直观的 3D 资产模型费用估算维护时间及方案的决策 工作记录跟踪与报告评估报告基于 3D GIS 的道桥信息収布远程查询

44 谢谢!

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