向中富教授-桥梁加固设计(武汉)

1《桥梁文化概论》ChongqingJiaoTongUniversity桥梁加固设计向中富2桥梁存在的主要问题3桥梁与普通结构物的不同点☆涉及面广☆跨径（规模）大☆空间性极强☆设计与施工密切相关☆施工难度与风险极大4影响桥梁发展的因素桥梁事业发展与进步的前提：桥梁设计理论发展桥用材料性能提高桥梁施工技术进步桥梁管养水平提升5桥梁事故桥梁功能：跨越承载的工程结构开放公共的大众建筑形式多样的人文景观沟通交流的社交渠道桥梁事故后果：对国家形象、经济发展、社会运转、百姓生活等产生不利影响。6桥梁事故施工事故—结构或施工设备垮塌、人员伤亡、质量事故。。。。。。运营事故—桥梁垮塌、人员伤亡、交通中断。。。事故原因—人为因素（历史局限、决策失误、管理混乱）自然灾害（地震、洪水、泥石流、滑坡、崩塌落石、风灾、冰灾、火灾及其次生灾害）桥梁病害（开裂、下挠。。。。。。。。。）7中国已成为世界桥梁大国？YES1988年，全国共有桥梁12万余座,2013年，全国桥梁数超过70万座，中国已成为桥梁大国！8中国已成为世界桥梁强国？NO中国还称不上世界桥梁强国的原因之一是：质量控制还不够理想桥梁质量评价体现在“安全、功能。。。。。。”。其中：安全性——保证桥梁服役期没有风险；功能性——保证桥梁正常服役。。。。。。9服役桥梁问题、病害★缺少标志、标牌，管理失控：超载、火灾。。。。。。★桥面防排水失效：影响正常安全行车、导致结构安全隐患。。。。。。★铺装、栏杆破损、残缺：影响行车、行人安全、车辆冲击增加结构受力负担。。。10服役桥梁问题、病害★支座安全精度差，伸缩装置、支座破损、失效：改变桥梁结构受力模式，危及结构稳定及受力安全。。。★桥梁结构开裂、破损：结构强度降低，危及结构承载能力安全。。。★桥梁强度、稳定和刚度不满足使用要求：危及结构使用安全。。。11服役桥梁存在的主要问题★混凝土桥梁加速下挠：桥梁破坏的前兆！必须及时评估判断！1977年建造的世界最大跨径混凝土梁桥（241米），1993年测得的跨中下挠1.4米，1996年3月采用8根体外索加固，6个月后垮塌。★桥梁基础冲刷：危及桥梁安全！12服役桥梁问题、病害★桥梁火灾重庆某桥被严重烧伤13服役桥梁问题、病害★船只撞击垮塌广东某桥江苏某桥14服役桥梁问题、病害★超载导致垮塌山西某桥在182吨重负下终于未能挺住15服役桥梁问题、病害★桥梁洪灾辽宁某桥被洪水冲垮16服役桥梁问题、病害★地震灾害17服役桥梁问题、病害★桥梁钢结构结构缺陷、锈蚀、疲劳等导致垮塌：18服役桥梁问题、病害★桥梁混凝土涂装保护不够：主要针对腐蚀环境中的钢筋混凝土结构，以日本为例，混凝土涂装的发展经历了较长过程：•60年代混凝土结构大量使用，曾认为不需维护70年代混凝土裂纹，钢筋锈蚀80年代腐蚀严重，国土交通部制定混凝土修复标准90年代高速道路管理集团制定『混凝土涂装及FRP补修基准』2000年路桥集团制定了『混凝土块剥落防止对策手册』19桥梁问题、病害的主要原因◆发展速度与基础研究、技术储备间存在矛盾◆规范不够完善◆设计、施工对工程的责任意识不够◆监理作用发挥不够◆施工质量欠佳◆管理养护不到位20混凝土简支、简支连续梁桥主要病害◆栏杆破损◆桥面铺装破损◆支座周围堵塞、卡死、锈蚀、剪切破坏、偏压破坏◆伸缩缝破损、堵塞抵死◆锥坡垮塌◆桥头跳车◆预制吊装空心板铰缝破损（单板受力）、空心板顶板破损◆预制吊装T梁横隔板联接破损（降低结构整体受力性能）21混凝土简支、简支连续梁桥主要病害◆原有设计荷载标准低，结构承载力不满足现行荷载要求◆结构开裂（简支梁跨中横向开裂、跨端腹板斜向开裂）、钢筋锈蚀、预应力损失等导致承载力不足◆梁体超限下挠，不满足正常使用要求◆超载导致结构受损甚至垮塌◆支座原因、墩旁堆载、墩旁施工等引起桥墩偏位◆桥台开裂、位移◆冲刷引起墩台基础悬空◆船撞、车撞引起墩台、梁体受损裂缝22连续梁、连续刚构桥开裂近年来，由于在设计方法、施工质量控制和运营养护中存在的诸多缺陷和不足，大跨径连续梁、连续刚构桥往往建成时间不长就出现病害，最主要是开裂和超限下挠。不但导致养护费用的大幅增加，损害桥梁的美观，更重要的是造成交通运营和结构安全度的降低，其发展受到严重制约。23裂缝形态箱梁裂缝：影响结构刚度和耐久性24裂缝形态箱梁裂缝：影响结构刚度和耐久性25裂缝原因设计——主拉应力控制●主拉应力限值偏高，以50#混凝土为例，JTJ023-85规范主拉应力的控制限在2.4～2.7MPa，同期先进国家的规范主拉应力的控制限在1.0MPa左右仅为85规范的一半甚至更低。我国2004桥规已大幅调低了主拉应力限值到1.0MPa左右。●主拉应力的计算由于不考虑箱梁的空间效应而造成计算值偏低。●腹板厚度减薄的分界点不适当。腹板厚度变化对箱梁截面应力状态的变化通常十分敏感，一般箱梁设计腹板厚度变化处取在1/4跨处，往往造成1/4跨截面的正应力、剪应力和主拉应力较大的提升。26裂缝原因设计——主拉应力控制●梁高变化曲线采用不合理。梁高收得过快将直接导致截面内的剪应力和主拉应力的快速升高，在1/4跨断面会造成主拉应力控制紧张。●边跨偏长则其整体刚度偏小，在恒载与活载作用下，梁端现浇段会出现较大的主拉应力。27裂缝原因设计——箱梁温度应力的控制●箱梁桥的温度场受到桥梁走向、材料特性、截面构造和环境条件的影响。由于箱梁的空间几何闭合特性，其箱梁的温度应力的控制远比T梁复杂。箱梁温度梯度产生的应力比活载产生的应力还要大。顶、底板和腹板的水平裂缝占有不小的开裂比例，温差控制的不足不能不说是造成箱梁断面薄弱部位纵向开裂及腹板斜裂缝的重要原因。28裂缝原因设计——箱梁的预应力设计●传统上，除有顶、底板束外还有下弯束、上弯束以及连续束，配束复杂，施工不便。上世纪80年代末仅采用顶、底板束，完全依赖竖向预应力抗剪的直束布束方式。由于没有弯束，90%的腹板长度都没有纵向预应力束穿过，混凝土的施工获得了极大的改善，同时钢束不弯折预应力损失也大为降低，遗憾的是：采用直束布束方式预应力箱梁桥，其腹板开裂程度要远大于弯束布置的方式。原因是：竖向预应力不可靠，特别在梁高较小梁端，跨度1/4～1/2梁段。●横向束布置不合理，包括顶板、底板。29裂缝原因施工——预应力施工控制的影响◆为了抢工期，混凝土箱梁节段施工周期为往往仅5-7天。实际中，多数在3天就开始预应力束筋张拉，给桥梁的承载能力带来无法挽回的影响：预应力损失增大、收缩徐变增加，是桥梁下挠和开裂的重要原因。30裂缝原因施工——预应力施工控制的影响◆预应力束、筋孔道压浆饱满度始终是一个难题。◆有效预应力、预应力不均匀度控制不力也有影响。◆预应力失效。施工——混凝土质量施工控制影响◆混凝土的质量也是导致箱梁桥开裂的一个重要因素。包括蜂窝、麻面、孔洞、露筋、剥落、起鼓、坑槽、渗水、预应力管道未压浆或不饱满、钢筋锈胀，混凝土干缩、漏浆、胀模和浇、拼接缝不平和开裂等。31裂缝原因施工——混凝土质量施工控制影响◆箱梁混凝土强度高是其优点，但同时水化热和收缩也大，抗拉强度与抗压强度的比较普通混凝土低，对混凝土的配比设计以及施工养护提出了更高的要求。◆高强混凝土设计中水泥和水的用量是关键，水泥含量过高产生水化热高，很容易在箱梁混凝土内形成温度场，产生自生应力。水泥含量低，则强度不能保证。32裂缝原因养护——超载影响◆桥梁使用荷载超过设计荷载，导致结构受力开裂，如箱梁横桥向开裂、腹板斜向剪力裂缝、箱梁顶板纵向裂缝等。养护——桥面铺装破损导致车辆冲击影响◆桥梁使用荷载长期对箱梁进行冲击，尤其是处于下坡路段末端的桥梁，容易导致箱梁顶板破损、裂缝等。33连续梁、连续刚构桥水害◆桥面排水不畅，致使桥面积水，不但影响行车安全，还导致箱梁结构受到渗水侵蚀。◆桥面防水构造缺失或破损（尤其是施工用空洞未封填），导致箱梁结构受到渗水侵蚀和箱内积水、淤泥。◆桥头排水处治不到位，导致箱内积水，严重影响结构安全。34连续刚构桥超限下挠主梁超限下挠：影响结构承载力和使用功能桥名桥型竣工年主跨（m）下挠量（mm）黄石大桥连续刚构1995245305虎门大桥辅航道桥连续刚构1997270222三门峡黄河公路大桥连续刚构1992140220重庆江津长江大桥连续刚构1997240320广东南海金沙大桥连续刚构1994120220大河铺大桥连续刚构1994150270主梁突变下挠：结构存在重大安全隐患，需高度重视35拱桥主要病害■桥面系、下部结构病害与梁桥类似■主拱圈横向、纵向开裂■实腹式拱桥拱上侧墙外移、与拱圈分离■梁式拱上建筑病害与梁式桥类似■中下承式拱桥吊杆、系杆防护破损及钢筋锈蚀、锚头积水及锈蚀■钢管混凝土拱桥拱圈防护破损及锈蚀■拱圈变形（下挠、外倾）、拱脚变位（竖、水平向位移、转动）36拱桥主要病害37拱桥主要病害38拱桥主要病害■主拱圈突发开裂或裂缝不断发展■主拱圈轴线突发变形■主拱圈拱脚突发变位■中下承式拱桥吊杆、系杆病害■拱圈恒载（拱上及悬吊结构）及布置改变39斜拉桥主要病害■桥面系及下部结构与梁、拱桥梁类似■斜拉索防护破损、钢筋锈蚀甚至断裂■斜拉索减震构造失效，导致斜拉索疲劳断裂■主梁纵向减震构造失效■斜拉索锚头积水、锈蚀■桥塔、主梁开裂（混凝土）、锈蚀（钢结构）■桥塔主梁线形、位置变化40斜拉桥主要病害41斜拉桥主要病害■斜拉索索力突变■桥塔、主梁线形突变■桥塔、主梁突发开裂■斜拉索减震构造失效42悬索桥主要病害■桥面系及下部结构与梁、拱桥类似■主缆防护破损、积水，导致钢筋锈蚀甚至断裂■索鞍卡死、锈蚀■隧道锚周围岩体松动、受到施工等扰动，影响锚固效果■隧道锚锚室内积水、除湿设备损坏，导致主缆锚固构造锈蚀■吊杆防护破损、积水、导致钢筋锈蚀甚至断裂。吊杆锚头积水、锈蚀■索塔、加劲梁开裂（混凝土）、锈蚀（钢结构）■桥塔、加劲梁线形、位置变化43悬索桥主要病害44悬索桥主要病害■主缆严重锈蚀、索鞍卡死■隧道锚周围岩体松动、受到施工等扰动■桥塔、主梁突发开裂■支座、伸缩缝卡死45钢结构桥梁主要病害■锈蚀。■杆件变形。■开裂、焊缝脱落。■联接构造破坏。■螺栓断裂脱落。■腐蚀。46充分认识设计的主导地位大多数工程问题均与设计缺陷、设计不当有关。如何避免设计缺陷，提高其设计的合理性、可靠性是摆在设计者面前的一个课题，设计者必须充分认识设计的主导地位，将自己的工作视为保证工程质量以及长期使用安全、耐久工作链条的一个关键节点上，不断提高质量意识与设计质量。47继承传统，创新技术桥梁设计中将创新技术理解为摈弃传统的东西是不正确的。中国桥梁具有优良的技术、工艺传统，具有1400余年历史的赵州桥充分显示了中国桥梁在世界上的崇高地位。然而，最具民族特色，最适合于中小跨径桥梁，承载潜力最大，管养投入最少的拱式桥梁（特别是石拱桥）在一般跨径桥梁建设中所占的比例越来越小，更多的是采用混凝土桥梁。最主要的理由是拱桥施工工序复杂，质量控制困难。事实上，混凝土桥梁建设质量受到“人为因素”影响更多，其长期耐久性能并不比石拱桥强，而因为施工不变或质量控制困难而摒弃经过长期实践检验，长期使用安全、耐久性能更好的拱式桥梁有些难以理解。48合理的桥梁结构体系和构造采用合理的桥梁结构体系和构造是保证桥梁安全耐久的前提。安全耐久的桥梁结构体系和构造应在工程实践中逐渐定型，在实践中已发现问题较多的桥梁结构体系和构造应予以限制，易断裂、易损坏者则应尽量避免。以中小跨径桥梁为例，我国从简支梁到先简支后桥面连续，从先简支后桥面连续到目前广泛采用的先简支后结构连续梁桥和先简支后墩梁固结梁桥，充分体现了桥梁结构形式的优化。而美国的中小跨径桥梁主要采用墩梁一体化设计，既可增加行车舒适性，也增强了桥梁的抗震性能，同时减少支座养护费用。49不断更新设计理念，提高桥梁设计可靠性桥梁设计本身就是一项创造性的工作。桥梁设计是否满足要求的判别标准中，满足规范规定仅是最低要求，更高的要求应是桥梁结构体系、构造设计的合理性以及桥梁长期使用安全、耐久性。设计中，需要重新认识桥梁“最不利”状态，计入一切可能出现的不利因素，提高设计的可靠性。例如