悬臂式箱形梁桥病害分析与加固研究摘 要随着我国国民经济的发展,交通运输量急剧上升,桥梁负荷日趋加重,加之设计、施工及老龄化等原因,使得旧桥病害不断出现,承载能力及刚度下降。所以,对旧桥进行检测、承载力及使用寿命评估和加固改造就成为桥梁工程界关注的热点问题之一。本文以邕江大桥为背景,对悬臂式箱形梁桥的病害分析及加固进行了探讨,主要内容如下:对旧桥的检测、评估及病害分析进行了探讨,并有针对性的对邕江大桥进行了分析。分析表明由于设计对“剪力滞效应”考虑不足、斜截面抗剪不足及车辆超载等,造成翼腹连接处发生早期破坏,并向两侧翼缘和腹板延伸,形成贯通裂缝。同时,部分伸缩缝年久失效及桥面铺装破损,在车辆冲击荷载及疲劳效应的作用下,梁体病害进一步加剧,导致桥跨结构承载力和整体刚度下降。论文提出“预应力钢桁架综合加固法”加固悬臂式箱形梁桥。该方案在结构损伤、交通影响、施工难易、桥梁美观及加固效果应力、位移等方面具有明显优势。桥梁的带载加固必须考虑分阶段受力的特点,论文通过简化与假设,运用空间有限元理论建立考虑损伤的加固模型并对其进行了受力及模态分析,验证了模型及方案的合理性,并指出卸载加固可以进一步改善原桥的受力状况和提高加固材料的利用效率。关键词:悬臂式箱形梁桥病害分析桥梁加固预应力钢桁架有限元 ,. , .,., .,:, . ” , , ,. , , .“? ” ., , ,. . ., ,.:; ; ;广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人声明:所呈交的学位论文是在导师指导下完成的,研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有,本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外,论文中不包含其他人已经发表过的研究成果,也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体,均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名:如年石月.日郑淘淹学位论文使用授权说明本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,即:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本:学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间:团即时发布 口解密后发布保密论文需注明,并在解密后遵守此规定敝储躲夺茂睛新躲二斡姘月妒悬臂式箱形梁桥病害分析与加固研究第一章 绪论.现有桥梁的状况.世界现有桥梁的状况美国自年至年共用年时间对全国公路作了调查。截止年统计,美国全国共有公路桥梁座,调查报告中叙述了座桥的现状,其中座桥结构强度降低,应停止或只能限载通行,约占总数的%;座桥梁车行道太窄,桥下净空不够或承载力不足,约占总数的%。由于桥梁的陈旧老化,弃养失修,踏桥事故不断发生,给美国经济发展和人民生活带来极其不良的影响。日本在七、八十年代,汽车运输急剧发展,汽车同益大型化、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,年以前按旧标准设计施工的桥梁,其承载力更感不足。据统计,这类桥梁约有座,其中普通混凝土桥约有座。前联邦德国于年两年内,对一个州内的多座钢筋混凝土和预应力混凝土公路桥做了全面检查,发现桥龄在年的钢筋混凝土桥中,有%的桥梁其上部结构至少有一处严重损伤,%至少有一处重要损伤;年桥梁的钢筋混凝土桥中,有 %的桥梁其上部结构至少有一处严重损伤,%至少有一处重要损伤;年桥龄的,有%的上部结构至少有一处严重损伤,%至少有一处重要损伤。而预应力混凝土桥的损伤情况比钢筋混凝土桥更严重,年桥龄的预应力混凝土桥,有将近%的桥梁上部构造至少有一处重要损伤,其/至少有一处中等损伤。口进入世纪,世界各地发生的主要桥梁垮塌事故不但没有减少,更是接二连三的发生。年月日美国明尼苏达州密西西比河上一座桥梁通高峰时段突然垮塌,多辆汽车坠入河中,至少已造成人死亡,数十人受伤。年月日,美国加利福尼亚州奥罗维尔高速路桥垮塌,一辆货运卡车损毁,一名建筑工人从米处跌落重伤。年月,一辆油罐车在美国旧金山一奥克兰湾桥免费路段翻车起火,大火和高温造成一段高速公路桥垮塌,仅造成卡车司机受伤。年月,加拿大魁北克一座桥梁垮塌,人死亡。悬臂式箱形梁桥病害分析与加固研究年月,美国俄克拉何马州阿肯色河上的一座桥梁垮塌,人死亡。年月,美国得克萨斯州发生船撞桥事故,失控拖轮撞入桥梁支座,桥梁垮塌,数辆汽车坠入水中,人死亡。年月,葡萄牙里斯本一座桥梁垮塌,造成一辆观光车坠入河中,多人死亡。.我国现有桥梁的状况近多年来,我国公路建设事业蓬勃发展,公路的通行能力和服务水平进一步得到改善和提高。公路总量继续增长。据交通部统计,截至年底,全国公路总里程达到.万公里,路网结构进一步完善。公路技术等级和路面等级不断提高,全国.等级公路里程 万公里,占公路总里程的.%,其中二级及二级以上高等级公路里程.万公里,占公路总里程的 .%。按公路技术等级分组,各等级公路里程分别为:高速公路公里、一级公路公里、二级公路公里、三级公路公里、四级公路 公里,等外公路公里。与此同时,公路桥梁建设取得新成就。年底,全国公路桥梁达.万座、.万延米,其中特大桥梁万座、.万延座、.万延米,大桥座、 .万延米,中桥.米,小桥.万座、.万延米。高等级公路的竣工通车、城市快速路的建成大大地缓解了交通运输业的紧张状况。但是,随着经济持续快速的发展、人民生活水平的提高,对交通运输运营水平的要求也越来越高。桥梁是确保公路畅通的咽喉,其承载能力和通行能力有事贯通全线的关键,所以对桥梁的要求也越来越高。但是,在现有公路上,数以万计的旧桥,特别是上个世纪年代以前修建的桥梁,由于设计荷载标准低,承载能力不足,宽度不够,加之年久失修、维护养护不够,相当多的桥梁发生了不同程度的破损,正逐步成为危桥,成了不断提升技术等级公路上的卡脖子路段。年公路学会桥梁年会也指出,年以前修的 万座桥梁,年以前修的 .万座桥梁都需要不同程度的维修、加固或改建。乜同时,我们必须清楚的看到自上个世纪年代以来,每年丌工建设的桥梁达一万多座,建设速度和规模世所罕见,这其中由于施工质量、桥梁的老化、结构性损伤以及过去落后的设计标准等因素的影响,部分桥梁已经出现桥面大面积开裂、松散等,严重的影响了车辆的通行。如:南海九江大桥于年月通过验收,鉴定工程质量等级为优良,项目建设符合基建程序的各悬臂式箱形梁桥病害分析与加固研究项要求。即便是这样一座曾获国家科技进步二等奖和国家优秀设计铜奖大桥,却不堪采沙船一撞,造成约米桥面的坍塌,以及个生命和辆车的落水。另据交通部年全国公路养护统计年报,截至年年底全国有座公路危桥.这些桥梁均属于第五类,即“技术状况处于危险状态,部分重要构件出现严重缺损,桥梁承载能力明显降低并直接危及桥梁安全” 。.旧桥病害分析与加固的外研究状况近几十年来,对旧桥、危桥的病害分析及加固维修,以及如何提高其承载力等问题已经引起了世界性的关注,国勾学者对此做了大量的研究、试验与实践工作,并且建立了专门的国际性机构。年月联合国经济合作与发展组织主持召开了关于“道路桥梁维修与管理”的会议,会议提出如下六个方面的问题要求加以研究。嘲如何正确评价现有桥梁的实际承载能力与安全度的问题;如何及早地检查发现桥梁产生的损伤及异常现象,正确地鉴定建筑物的损坏程度,从而采用合理的维修加固方法问题;桥梁损坏与维修加固的实际应用问题;桥梁维修加固技术,即采用维修加固新技术与方法的问题;桥梁设计与维修管理的关系,即如何把维修加固中发现的问题,放到今后桥梁设计上进行考虑的问题;桥梁维修加固的未来展望,即维修加固方法将来会怎样发展,如何提出更合理的维修管理方法与策略的问题。旧桥加固改造技术,是针对正在使用的旧桥进行检测、评价、维修、加固或改造等技术对策的总称。为了对有缺陷的桥梁采取行之有效的加固补强与技术改造方案,研究公路桥梁的结构缺陷以及其产生的原因也显得尤为必要和有意义。世纪年代以来,我国在旧桥加固改造技术的研究和试验方面进行了大量的工作。交通部在“六五” 、 “七五”计划期间下达了一系列有关旧桥检测、承载力评定及加固技术的科研课题,举办了多次桥梁维修、养护、加固、改造技术的学术会议。改革开放以来,全国相继对六七十年代修建荷载标准较低的桥梁进行了加固改造。国内颁布了由交通部第二公路勘察设计院完成的公路旧桥承载能力鉴定试验方法 。我国在桥梁加固技术方面最早的试验研究始于二十世纪八十年代末。自 年以来,由铁道部科学研究所先后进行了“体外预应力混凝土梁弯曲性能”,“普通混凝土梁加固后抗弯性能”及“锚固区应力分布”等悬臂式箱形梁桥病窖分析与加固研究多项试验,取得了非常有价值的科研成果。年月在北京召开了“中国首届纤维增强塑料混凝土结构学术交流会”,会议全面介绍了在我国土木工程中的研究、试验和应用状况。年 月在厦门召开了一次“中国公路旧桥改造与维修技术研讨会,主要介绍了一些近年国内加固成功的桥梁跨径最大为米,特别是重点介绍了年以后引进碳纤维类新材料的加固技术。自旧桥加固、改造技术的研究和应用课题列入了交通部重点科研项目计划后,经过一系列试验研究和旧桥加固、改造工程的实践,取得了可喜的成果,积累了丰富的经验,桥梁加固技术已经同趋成熟。年月日实施的混凝土结构加固设计规范 给出了土木工程中常用的加固方法有:增大截面加固法、置换混凝土加固法、夕:预应力加固法、外粘型钢加固法、粘贴纤维复合材加固法、粘贴钢板加固法、增设支点加固法、绕丝加固法、钢丝绳网片一聚合物砂浆外加层加固法等。目前,就桥梁加固而言,国内外对桥梁进行加固的技术途径主要有以下几种:加强薄弱构件在桥梁上,对于有严重缺陷的部位,或者因要通行重型车辆而不能满足要求的部位,如:桥梁的跨中部位、支座部位、承受负弯矩的部位;拱桥的拱顶、拱脚、/拱跨部位;以及其它变截面处等,采取加强措施,进行补强。近些年来,随着人们对桥梁补强加固研究课题投入的增多,相应的研究成果也越来越多。目前,工程上常用的钢补强加固技术主要有体外预应力技术、粘贴碳纤维技术、粘贴钢板技术、增大主梁或主拱圈截面技术、种植钢筋技术、新旧混凝土连接技术、裂缝修补技术、混凝土缺陷修补技术、喷射混凝土技术等等。增加辅助构件在桥梁承载力不足或因为某种原因致使桥梁遭受破损时,可以在原有的结构上增加新的受力构件,如:桥梁中增设主梁、横隔梁;简支梁之间加设辅助构件,使其成为连续梁的工作状态;梁下部采用八字支撑方式,增加跨孔改变受力状态;拱桥中采用梁式结构替代回填料等。特别注意的是:在更换原有结构上的有严重缺陷、有不能修复的构件时,必须设置足够的临时支撑,或采取可靠的措施,以保证整个结构在施工中的安全。改变结构体系根据桥梁的实际状况,采用梁是结构改为拱式结构;拱式结构改为梁式结构;简支梁改为连续梁;单跨结构改为多跨结构;增加支点;铰接支撑改为刚性支撑连接等,通过这些手段达到改善结构薄弱处的受力状态,提高整体桥梁的承载力。悬臂式箱形梁桥病害分析与加固研究“减轻恒载减轻桥梁上部结构的恒载,改善原桥梁的受力状态,提高桥梁的承载力,特别是在桥梁基础承载力受到限制,不能满足加固上部结构和提高活载承载力时,通过减轻桥梁恒载的办法来提高承受活载的能力。如:将实腹式拱桥改建为空腹式拱桥,或更换拱上填料的办法,对提高拱桥的承载力具有十分显著效果。加固桥墩、台及基础在桥梁结构中,有相当的一些缺陷是由桥梁墩、台和基础的病害引起的,因此,需要从其着手进行加固处理。通常的办法是:用钢筋混凝土套箍并施加外部预应力加固墩身。对于基础加固措施,常采用加桩法和扩大基础法进行处理。.旧桥病害分析与加固的意义对于病桥、危桥的问题,如果全部拆除重建,不仅资金耗费巨大,时间上也是不允许的。即使是经济发达的美国,如果将%的桥梁推倒重建,大约需要亿美元,这也是很不现实的。因此,世界各国不论是发达国家或是发展中国家,无一不把已建桥梁视为国家的宝贵财富,竞相投入大量的人力、物力,不