桥梁结构典型病害成因分析讲座

桥梁结构典型病害成因分析湖北省交通规划设计院2013年6月宜昌目录•湖北桥梁建设•常用桥梁结构与病害•混凝土梁桥常见病害成因•拱桥常见病害成因•下构及基础常见病害成因•桥梁灾害•工作特点•桥梁加固一、湖北桥梁建设•建设硕果•我们设计的桥梁•地理特征•桥梁历史•在全国的地位湖北桥梁建设地理特征•1061km的长江横贯东西。•800km汉水蜿蜒南北。•鄂西多崇山峻岭、深山峡谷，有清江。•东南部为江汉平原，纵横交错的河流和星罗棋布的湖泊。独特的地理条件决定了湖北省跨越江河山川的大跨径桥梁多、技术复杂的特点，使湖北成为享誉世界的桥梁“博物馆”。湖北桥梁建设桥梁历史•约3000年以前西周昭王时期，周人曾在汉江上架设过一座浮桥。•现存的古代桥梁有数百处之多，以砖石、砖木桥为主。•1949年前，湖北省共有桥梁1940座。但绝大部分系临时砖木桥或石木桥，跨度小、宽度窄、荷载标准低，且多年失修、岌岌可危。湖北桥梁建设桥梁历史•改革前30年，建成一些简支梁、T型刚构和拱桥等跨径不大、道路等级较低的桥梁，同时集全国之力在长江上修建了2座公铁两用桥梁、汉江上修建了4座公路桥梁。•改革后30年，交通基础设施建设前所未有的高潮，造形各异的大桥，越长江、跨汉水、穿峡谷，将路桥、山水融为一体，构成纵横交错的现代交通网。仅长江就建起了20座特大桥，另外还有3座正在建设；与此同时，在千里汉江上建成了30座特大桥梁，全省仅建成的公路桥梁就多达24000余座。湖北桥梁建设在全国的地位•桥梁建设强省“十二五”期间我省共规划建设13座长江大桥。伴随一座座大桥的成功建设。其建造能力在能力不断增强，一步步从桥梁大省走向桥梁强省。•完整的产业链有特大桥自主设计、科研、检测、建设、管理等一流的桥梁建设队伍，形成了完整的产业链。经过50多年的发展，湖北桥梁产业产值已超过千亿，并逐渐成为湖北经济的支柱产业，使得武汉成为全国知名的建桥之都。湖北桥梁建设建设硕果•1954年修建中国长江上第一座大桥-武汉长江大桥。•1956年修建主跨87m的拱式钢桁架-江汉一桥。•1959年修建第一座钢筋混凝土大桥-黄陂城关大桥。•1964年修建钢筋混凝土悬臂梁桥-岱家山3号桥。•1978年修建预应力钢筋混凝土梁桥-江汉二桥。•1995年修建交通部门自主建造的第一座长江大桥-黄石长江大桥。湖北桥梁建设我们设计的桥梁•宜昌长江公路大桥主跨960米的是当时国内第三大跨度钢箱梁悬桥。•荆州长江公路大桥由PC斜拉桥主桥、两个姊妹塔PC斜拉桥以及预应力砼箱形连续梁桥三个桥段组成。主跨500米梁板式断面PC斜拉桥位居同类型桥梁国内第一、世界第二。•巴东长江公路大桥斜拉桥，当时同类桥梁亚洲第一高塔，世界并列第二的纪录。湖北桥梁建设我们设计的桥梁•军山长江公路大桥斜拉桥，为G4和G50共用桥，桥面宽33.5米，是当时国内最宽的长江大桥。•阳逻长江公路大桥悬索桥，主跨1280米，是世界目前第八大悬索桥。•郧县汉江公路大桥斜拉桥，是我国首座主跨突破400米的PC斜拉桥。湖北桥梁建设我们设计的桥梁•荆岳长江公路大桥斜拉桥，主跨816米，是世界第一大跨度高、低塔不对称混合梁斜拉桥。•鄂东长江公路大桥斜拉桥，926米一跨过江，是世界第二大跨混合梁斜拉桥。二、常用桥梁结构与病害•简支梁桥•连续梁桥•拱桥•悬索体系桥•弯桥•RC、PC空心板桥•RC、PCT形、I形梁桥•PC小箱梁桥特点•适用范围广，广泛采用。•施工简单快捷。•便于养护维修。•养护成本低。简支梁桥梁简支梁桥梁常见病害•支座容易脱空。（空心板、小箱梁）•保护层厚度不均，容易引起露筋。（空心板、小箱梁）•容易导致梁下缘纵缝（PCT梁、小箱梁）•腹板、肋板容易产生竖向及斜向裂缝。•底板、马蹄（肋板）底面容易产生横向裂缝。•预应力封锚端混凝土容易脱落。•梁体支撑处局部混凝土容易劈裂。•露筋及混凝土常见病害。•PCT形（先简支后连续）梁桥•RC、PC现浇箱梁桥•PC顶推箱梁桥•PC悬浇箱梁桥特点•适用范围广，广泛采用。•施工技术成熟。•便于养护维修。•养护维修成本较低。连续梁桥梁连续梁桥梁常见病害•露筋及混凝土常见病害。•扁锚灌浆难以密实。（先简支后连续PCT）•预应力灌浆难以密实。•预应力容易损失。•梁体容易下挠。•节段缝容易张开。•底板容易产生纵横裂缝。•腹板容易产生竖缝及斜裂缝。•顶板容易产生纵向裂缝。•钢管拱桥•桁架拱桥•刚架拱桥•箱形拱桥特点•适用大跨度。•施工技术成熟。•对地基有一定的要求。•钢管拱养护维修较困难。•养护维修成本较高。拱桥拱桥常见病害•露筋及混凝土常见病害。•钢筋混凝土桁架、刚架结构接头处容易产生裂缝。•钢管拱管内混凝土容易产生裂缝、断裂。•吊索及锚头容易锈蚀。（下承式、中承式）•横向联系偏薄弱，刚度储备不大，整体性较差。（桁架拱、刚架拱）•桥面系容易损坏。•横梁容易裂缝。（钢管拱桥）•钢材容易锈蚀。（钢管拱桥）•斜拉桥•悬索桥•斜拉与悬索的组合桥特点•适用超大跨度。•施工技术复杂。•基础庞大。•养护维修较困难。•养护维修成本高。悬索体系桥梁悬索体系桥梁常见病害•露筋及混凝土常见病害。•吊索、斜拉索及锚头容易锈蚀。•伸缩缝容易卡死、损坏。•横梁容易裂缝。（边主梁斜拉桥）•钢材容易锈蚀。（钢梁）•桥面系容易损坏。•塔身容易产生裂缝。•吊索、斜拉索索力大小稳定性较差，索力容易超载。特点•适用互通区的匝道桥、跨线桥。•一般为满堂支架预制。•曲率超高较大。•视距有时难以保证•养护维修成本较高。弯桥•钢弯桥•混凝土弯桥弯桥常见病害•伸缩缝容易卡死、失效。•支座设置不当。•支座的不均匀沉降。•梁体容易向外侧滑移。•梁体结构容易产生裂缝裂缝。•弯道内侧行车道积水。•弯道内侧视距不良。•弯桥上的设置不当广告。•弯桥侧翻。三、混凝土梁桥常见病害成因•温度导致的桥梁病害•支座及伸缩缝失效导致的桥梁病害•弯桥病因•预应力失效导致的桥梁病害•工期不足导致的桥梁病害某高速公路主线桥•桥长：190m。•上部结构：三跨一联预应力混凝土变截面连续箱梁。•桥孔：55＋80＋55m。•病害：2009年7月，发现梁体裂缝较多。温度导致的桥梁病害温度导致的桥梁病害主要病害•底板•斜裂缝以桥梁行车方向中心线为中心呈倒“八”字形分布。•中心线附近区域纵向裂缝较多。•腹板•斜裂缝则以桥梁跨中为中心线为中心呈“八”字形分布。•通风不畅•梁体未设置通气孔。温度导致的桥梁病害温度导致的桥梁病害病因分析底板斜向裂缝比较少见，主要原因：•箱梁扭转由箱梁扭转所引发，虽然箱梁强大的抗扭刚度，单独发生扭转的可能性小，但可能由于未能考虑弯剪扭共同作用而出现裂缝，其形态贯穿整个底板，有些还和腹板斜裂缝连通，形成空间螺旋形态。•应力集中由底板齿板局部集中受力所至，其形态多在底板两侧，从单跨底板来看就是由两端支座向跨中形成两组倒八字。腹板L/4区域斜裂缝在工程上较为常见，主要原因：•剪力过大支座附近剪力过大，腹板厚度偏薄，抗剪能力不足。•竖向预应力损失竖向预应力损失过大，造成腹板大量斜裂缝。•施工不当悬臂施工中混凝土浇注顺序不当，由里向外浇注，造成弯曲裂缝的产生，使受剪面减小，剪应力急剧增大，主拉应力超过材料抗拉强度。温度导致的桥梁病害温度导致的桥梁病害有限元模拟•模型：选取跨中共32m长度的梁进行仿真分析。•目的：验证箱室内外温差效应对结构的影响。•参数选取热传导系数：0.00174W/mmK线膨胀系数：0.00001弹性模量：34500MPa泊松比：0.2温度导致的桥梁病害有限元模型•计算工况工况一：箱内比箱外温度高10度。工况二：箱内比箱外温度高20度。工况三：箱内比箱外温度低10度。温度导致的桥梁病害工况二温度场分布图温度导致的桥梁病害温度导致的桥梁病害工况二分析温度导致的桥梁病害温度导致的桥梁病害跨中截面Y向正应力云图（横桥向）温度导致的桥梁病害温度导致的桥梁病害跨中截面主拉应力云图温度导致的桥梁病害温度导致的桥梁病害底板外侧主拉应力云图温度导致的桥梁病害腹板外侧主拉应力云图温度导致的桥梁病害结论•在箱梁内温度高于箱梁外温度时，箱梁内侧受压，外侧受拉。•在腹板外侧有约1.7MPa的主拉应力，在底板外侧有约2.3MPa的主拉应力。•如果再加上恒载、活载、预应力对箱梁局部影响、砼收缩徐变、施工因素等综合作用，底板很容易产生纵向、斜向裂缝。•在L/4附近，加上砼箱室内外温差的效应，箱梁腹板也很容易产生斜裂缝。温度导致的桥梁病害箱梁开裂的原因•梁体未设置通气孔，箱梁内腔室完全封闭，箱梁内外表面温差应力较大。•节段悬浇施工周期相对较短，预应力损失及砼收缩徐变作用加大。据调查，当时节段预应力张拉前，箱梁砼的弹性模量未达标。•两幅桥裂缝数量差异较大，应与当时的各方面的施工因素有关。•有可能竖向预应力损失较多。•原规范对结构应力控制相对较松，设计对此方面观念的认识最近几年才逐步加强，对主拉应力还应控制的更严格一些，富裕度还不够大。温度导致的桥梁病害支座及伸缩缝失效导致的桥梁病害某高速公路匝道桥•桥长：246m。•上部结构：三联等截面钢筋砼连续箱梁桥。•桥孔：4×20+4×20+4×20m。•病害：2011年，梁体向弯道外侧偏移，最大偏移量12cm。桥梁病害•箱梁滑移第二联箱梁出现梁墩横桥向不同程度的相对滑移，最大偏移量12cm。•限位装置、档块破裂部分桥墩顶面砼位挡块和限位装置损坏。•垫石破坏部分桥墩顶面支座垫垫石损坏。支座及伸缩缝失效导致的桥梁病害病害分析•梁端固结约束4、8号墩设计为两联之间的活动墩，墩顶支座为GJZF4400×600×81mm活动支座，梁端设计为自由伸缩状态；但现场检查发现，梁、墩之间存在锚固螺栓（每个支座四根），本来设计为自由伸缩的梁端被无故固结约束，完全不符合设计的梁体支承体系。支座及伸缩缝失效导致的桥梁病害4号墩伸缩缝处夹杂混凝土8号墩伸缩缝处夹杂混凝土病害分析•温度影响在升温影响下，曲线梁梁端既存在顺桥向伸长变形，又存在指向曲线外侧的横向膨胀变形（一般在板式支座剪切变形范围内）。第二联由于以上两种水平变形趋势受到了4、8号墩的锚固螺栓约束，螺栓承受着巨大水平剪力，当锚固螺栓抗剪能力达到极限而率先与支座垫石剥离时（即梁墩固结约束突然解除）。支座及伸缩缝失效导致的桥梁病害4号墩梁端顺桥向和横向两种水平变形趋势突然释放，因此第二联梁体只能向4号墩一侧伸长，导致该墩伸缩缝因伸缩量不足而损坏。与此同时梁体以8号墩固结约束点为转点发生指向曲线外侧的转动位移，导致“从8号墩至4号墩，梁墩相对滑移量逐渐增大，且部分桥墩处梁体水平位移超限”的现象发生。支座及伸缩缝失效导致的桥梁病害4号墩的锚固螺栓变形弯桥病因分析病因分析•施工时残留的垃圾、砂浆、混凝土掉落在伸缩缝中，后期没有及时清除。•支座安装方向不对。•支座类型不对。•桥面泄水管堵死，排水不畅。•弯道内侧植物遮挡。•超载。•支座布置不合理，导致抗侧翻能力差。预应力失效导致的桥梁病害4号墩的锚固螺栓变形某高速公路主线桥（2007年）•桥长：778.74m。•上部结构：四孔一联变截面截面预应力砼连续箱梁桥。•桥孔：40+2×60+40m。•病害：腹板斜向裂缝，最大裂缝宽度为1.8mm；底板横向裂缝，最大裂缝宽度为0.4mm；节段缝张开；预应力损失严重，竖向预应力失效较多；刚度不足，主梁下挠5.3cm。预应力失效导致的桥梁病害4号墩的锚固螺栓变形病因分析为了准确查找上述病因，首先对原设计进行复核计算。复核计算时所选用规范及标准与原设计保持一致。复核计算结果表明，箱梁截面正应力、主应力及活载挠度均在规范容许范围内。根据检测报告及现场踏勘调查，发现该桥虽然运营时间不长，但外观缺陷较多。•灌浆不密实箱梁部分节段间存在错台现象，箱梁内部部分预应力管道存在灌浆不密实的情况。•龄期不够箱梁顶板上齿板裂缝较为普遍，表明在悬臂浇筑施工时混凝土的龄期不够，混凝土的质量不能满足技术要求。•预应力损失由于施工质量的原因，造成箱梁的预应力损失较大。竖向预应力损失偏大。预应力失效导致的桥梁病害4号墩的锚固螺栓变形有限元模拟在原设计基础上，根据箱梁下挠及混凝土开裂情况，综合考