中小跨径桥梁典型病害防治研究.ppt
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1、中小跨径桥梁典型病害防治研究,第1章 概述,第一章概述第二章桥梁病害调查第三章桥梁病害综合性原因分析第四章预应力混凝土空心板梁纵向裂缝病害第五章钢筋混凝土空心板梁横向裂缝病害第六章小半径曲线钢筋混凝土箱梁横向裂缝病害第七章空心板铰缝病害第八章连续桥面病害第九章墩台盖梁负弯矩区裂缝病害第十章试验监测第十一章结论及建议,2,我省现有桥梁主要是梁式桥,占90%以上,大多数是钢筋混凝土及预应力混凝土梁桥。2008年6月省交通厅组织对省内多条高速公路/地方道路桥梁的调查结果:上部结构病害主要是:梁板超限裂缝、挠度过大、铰缝破坏、单板受力等,其中梁板裂缝纵向和横向均有。桥面铺装、支座、伸缩缝等附属设施损坏
2、。下部结构病害主要是:墩台盖梁的负弯矩区裂缝。根据对高速公路桥梁进行的初步调查结果,以及各方专家多次讨论研究,归纳总结出了中小跨径桥梁的具有普遍性的六大典型病害。,3,第1章 概述,4,第1章 概述,5,第1章 概述,第2章 桥梁病害调查,第一章概述第二章桥梁病害调查第三章桥梁病害综合性原因分析第四章预应力混凝土空心板梁纵向裂缝病害第五章钢筋混凝土空心板梁横向裂缝病害第六章小半径曲线钢筋混凝土箱梁横向裂缝病害第七章空心板铰缝病害第八章连续桥面病害第九章墩台盖梁负弯矩区裂缝病害第十章试验监测第十一章结论及建议,6,2.1 浙江省内桥梁病害,7,第2章 桥梁病害调查,2.2 金丽温高速公路桥梁典型
3、病害详细调查研究,8,运营5年以上路段:金丽段和温州西过境段共有237座中小桥,其中:预应力混凝土空心板梁桥93座,钢筋混凝土空心板梁桥129座,拱桥6座,现浇板桥7座和箱梁桥2座。桥梁上部结构主要类型为空心板、T梁和小箱梁。,第2章 桥梁病害调查,预应力混凝土空心板梁底板纵向裂缝病害,9,图2.2.2 底板纵向裂缝比例,图2.2.3 底板纵向裂缝类型及比例,第2章 桥梁病害调查,钢筋混凝土空心板底板横向裂缝病害,10,图2.2.7 钢筋混凝土空心板底板横向裂缝比例,图2.2.8 底板横向裂缝类型和比例,第2章 桥梁病害调查,空心板铰缝病害,11,图2.2.12 空心板铰缝渗水(裂缝)比例,第
4、2章 桥梁病害调查,墩台盖梁负弯矩区裂缝病害,12,图2.2.14 盖梁负弯矩区裂缝病害比例,第2章 桥梁病害调查,桥面连续病害,13,图2.2.16 桥面连续病害比例,第2章 桥梁病害调查,2.3 其他省份桥梁病害,14,第2章 桥梁病害调查,其他省市并未提出“典型病害”的概念,各地的桥梁病害统计口径也不同。但其他省市的中小跨径桥梁病害基本都集中在空心板等桥型。根据调研和交流结果,空心板相关病害约占桥梁病害的6070%,与本课题调查结果基本一致。,第3章 桥梁病害综合性原因分析,第一章概述第二章桥梁病害调查第三章桥梁病害综合性原因分析第四章预应力混凝土空心板梁纵向裂缝病害第五章钢筋混凝土空心
5、板梁横向裂缝病害第六章小半径曲线钢筋混凝土箱梁横向裂缝病害第七章空心板铰缝病害第八章连续桥面病害第九章墩台盖梁负弯矩区裂缝病害第十章试验监测第十一章结论及建议,15,3.1 规范和荷载标准,16,荷载等级不断提高,反映出交通荷载不断增大的事实,研究水平限制,规范与实际有偏差,2009年3月,京藏高速内蒙段,2009年7月,唐津高速天津段,基于概率思想,横向多车道折减、纵向折减而交通拥堵越来越多,多车道满布重载车,第3章 桥梁病害综合性原因分析,3.2 公路超载,17,2006年,河北省 张同公路调查结果车辆总重最大134t,单轴最大43t。,2001年,广东省超载运输调查车辆总重最大131.8
6、t,最大单轴重达31t。,车辆总重,2009年111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。,第3章 桥梁病害综合性原因分析,第3章 桥梁病害综合性原因分析,18,表3.2.1 空心板在超载车和设计荷载作用下的内力对比,一辆超载车在公路上行驶,会导致沿途经过的很多桥梁发生病害(如梁板裂缝、铰缝损坏),208国道太原东柳林桥的183.2吨超载车,在其压垮该桥前已行驶了至少230公里,其沿途经过的其他桥梁虽未被压垮,但可能都已产生了裂缝等病害。虽然超载车的出现是小概率事件,但一旦出现,导致沿线桥梁产生的裂缝病害却可能是广泛且
7、长期存在的。,第3章 桥梁病害综合性原因分析,19,200907月,津晋高速公路匝道桥坍塌事故5辆超重货车队,最重146t,其余4辆都140t左右,200708,208国道太原东柳林桥被一辆183.2吨超载6轴车压跨,200904,107国道漯河市南澧河大桥260吨超载挂拖车,200902,济青高速公路黄山收费站查获的16辆超载车队,第3章 桥梁病害综合性原因分析,20,201102上虞春晖互通立交桥坍塌,3.3 设计方面,21,图3.3.1 空心板截面形式和铰缝的演变,第3章 桥梁病害综合性原因分析,3.4 施工方面,22,第3章 桥梁病害综合性原因分析,3.5 运营养护方面,23,第3章
8、桥梁病害综合性原因分析,第一章概述第二章桥梁病害调查第三章桥梁病害综合性原因分析第四章预应力混凝土空心板梁纵向裂缝病害第五章钢筋混凝土空心板梁横向裂缝病害第六章小半径曲线钢筋混凝土箱梁横向裂缝病害第七章空心板铰缝病害第八章连续桥面病害第九章墩台盖梁负弯矩区裂缝病害第十章试验监测第十一章结论及建议,24,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,25,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,预应力混凝土空心板梁底板出现长度不等的纵向裂缝,并有继续发展的趋势。这种病害在调研的几条高速公路上均有出现,且数量较多,带有普遍性。出现的时间多在通车后35年,裂缝的数量、宽度具有随着时间的增长而增加、加宽的趋
9、势,对桥梁的使用耐久性有重要影响。这种底板的纵向裂缝一般多出现于预应力混凝土空心板,而钢筋混凝土空心板的此类裂缝相对较少。,图4.1.1 预应力空心板底板纵向裂缝,4.2 计算分析,一、单板模型(无铺装层,施工阶段):1、钢束位置准确,自重+预应力2、底板钢束位置横向偏差1cm,自重+预应力3、底板钢束位置横向偏差2cm,自重+预应力二、单板模型(运营阶段):1、自重+预应力+内外温差10度2、自重+预应力+1列规范车辆荷载车轮3、自重+预应力+1列超载车辆荷载车轮三、全桥模型:1、自重+预应力+并排3辆规范车辆荷载2、自重+预应力+1辆超载车辆荷载,26,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病
10、害,4.2.1 单板模型(无铺装层,施工阶段),27,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,4.2.2 单板模型(运营阶段),28,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,4.2.3 全桥模型,29,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,工况1:自重+预应力+内外温差10度,30,空心板内外温差在底板中产生的横向拉应力很大,远远高于单板受力状态下活载在底板中产生的横向应力。当空心板外缘温度比空心板内部温度低10度时,底板横向拉应力可达1.14MPa,且这种横向拉应力几乎沿整个底板长度范围内均存在。,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,工况2:自重+预应力+1辆超载车辆荷载,31,图4.
11、2.37 跨中横截面X正应变(单位:),空心板横向发生畸变,导致底板出现不均匀的受拉区域,X正应力(单位:Pa),车辆荷载导致空心板出现畸变(横向扭曲),单车重量越大、作用位置越集中,这种畸变越明显。畸变导致底/顶板的不同部位产生了较大的横向拉应力,顶/底板内缘的最大拉应力12MPa,均出现在受车轮荷载直接作用的空心板中。,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,工况1和工况2的结果对比,32,虚线为工况1实线为工况2,虚线为工况1实线为工况2,图4.2.38 跨中横截面的底板应力沿横向的变化,仅一辆超载车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
12、作用下,底板外缘最大横向应力可达0.40.5MPa,出现在车轮直接作用处以外的邻近空心板中。,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,工况2和工况3结果对比,33,图4.2.28 跨中横截面处底板应力沿板宽方向的分布,图4.2.29 底板中轴线处的应力沿板长方向的分布,单板受力时,规范车/超载车,底板横向拉应力都很小,0.1MPa以下。底板纵裂与超载关系不大。但施工质量缺陷空心板、以及薄壁空心板,不适用此结论。,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,34,三种工况下:端部、L/4、L/2截面处底板横向应力对比,三种工况下:端部、L/4、L/2截面处,底
13、板横向应力与钢束偏移距离关系,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。,4.3 设计原因分析及防治,原因箍筋薄弱。保护层过薄。泊松效应(薄板较明显)。铰缝设计缺陷。温度因素考虑不足。防治带肋箍筋。加大箍筋直径。空心板设置通气孔。改进空心板形式。,35,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,4.4 施工原因分析及防治,原因支座高程不精确,脱空。保护层厚度不足。不同钢束的张拉力差异。钢束定位偏差。防治精心施工,精确控制支座顶面高程。改进工艺,确保保护层厚
14、度符合要求。避免相邻钢束张拉力相差过大。考虑张拉顺序造成后续钢束的张拉力损失。,36,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,4.5 运营养护原因分析及防治,原因支座病害(如脱空),改变桥梁受力形式。铰缝病害,改变梁板受力。铺装和伸缩缝破损,泄水孔失效,水侵害,钢筋锈蚀膨胀。桥面铺装病害,车辆冲击力增大。伸缩缝杂物或梁端垃圾,影响梁板受力。防治重视防水,及时修复防水层、桥面连续、伸缩缝,防止水侵害。及时封闭梁底裂缝和排除板内积水。及时修复桥面铺装病害,减少车辆冲击力。及时清理伸缩缝/梁端垃圾、及时修复支座病害/铰缝病害,确保梁板正常受力。,37,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,4.6
15、维修加固方案,裂缝宽度未超限、单孔中仅个别空心板出现病害的,仅需对裂缝作封闭或灌浆处理;如有条件,也可横向粘贴高强复合纤维(如碳纤维布)等材料。裂缝超限、贯通、整幅空心板普遍出现此类病害的,对裂缝作封闭或灌浆处理后,再施加横向预应力加固。桥面系、支座等有关联病害的,必须同时处治。,38,第4章 预应力混凝土空心板纵向裂缝病害,第一章概述第二章桥梁病害调查第三章桥梁病害综合性原因分析第四章预应力混凝土空心板梁纵向裂缝病害第五章钢筋混凝土空心板梁横向裂缝病害第六章小半径曲线钢筋混凝土箱梁横向裂缝病害第七章空心板铰缝病害第八章连续桥面病害第九章墩台盖梁负弯矩区裂缝病害第十章试验监测第十一章结论及建议
16、,39,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,40,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,钢筋混凝土空心板梁的横向裂缝不断增加,裂缝宽度有增大的趋势。这种裂缝病害多发生在板梁的跨中附近,而且经常是在一个区域大范围的成片出现。病害的表现为裂缝的数量在增加,裂缝宽度在加大,板梁的刚度在降低。此外,这种裂缝病害往往伴随有渗水和钙化等其他病害。是受力裂缝。,图5.1.1 钢筋混凝土空心板底板横向裂缝,5.2 计算分析,5.2.2 单板模型(运营阶段),41,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,5.2.3 全桥模型,42,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,工况1和2的结果对比,43,图5.2.9
17、底板中心的混凝土应力沿纵向的变化,单板受力在规范车辆下,底板最大纵向应力5MPa,底板将出现横向裂缝。但根据后面的全桥分析,全桥整体受力时规范车辆下,底板最大纵向应力依然有4.7MPa左右。可见,规范车辆下,单板受力与否,对空心板底板的纵向应力影响不大,两者所产生的横向裂缝范围和程度基本没有显著区别。但在超载车下,单板受力明显不利,底板纵向应力可提高2倍,横向裂缝范围和程度将大大超过规范车辆荷载。,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,工况1和2的结果对比,44,三辆规范车,横向拉应力,横桥向中心处最大,约1.2MPa,尚不足以导致混凝土开裂。1辆超载车产生的横向应力,在车轮直接作用处的几块空
18、心板中最大,2.5MPa,将纵裂。三辆规范车,各板受力均衡,底板跨中纵向拉应力5MPa,底板大部分区域将横裂。一辆超载车,车轮处空心板受力较大,纵向拉应力与3辆规范车相当。,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,工况1和2的结果对比,45,总体来说,一辆124吨超载车与3辆规范车相比,空心板底板纵向效应基本相当,而底板横向效应达2倍。这就可以解释为什么钢筋混凝土空心板桥梁中,快车道(轻载车辆)处一般只有横向裂缝,而慢车道(超重车辆)处不仅有横裂,往往还纵裂。,5.3 设计原因分析及防治,原因保护层厚度过小。横向裂缝多是等间距,和箍筋间距相同。微裂缝因水侵害
19、而加剧。铰缝设计缺陷。防治增加板梁厚度。提高裂缝控制标准。采用大铰缝,加强整体性,重视空间分析。改进空心板的形式。,46,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,5.4 施工原因分析及防治,原因横向钢筋位置不准确。保护层厚度不足。防治确保保护层厚度。保护层垫块厚度精确,安装位置正确。,47,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,5.5 运营养护原因分析及防治,原因铺装和伸缩缝破损,泄水孔失效,水侵害,钢筋锈蚀膨胀。桥面铺装病害,车辆冲击力增大。支座病害,特别是脱空,改变桥梁受力形式。铰缝病害,改变梁板受力。防治重视防水,及时修复防水层、桥面连续、伸缩缝,防止水侵害。及时封闭梁底裂缝和排除板内积水
20、。及时修复桥面铺装病害,减少车辆冲击力。及时修复支座病害/铰缝病害,确保梁板正常受力。病害严重时及时加固、换板。,48,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,5.6 维修加固方案,病害轻微(如裂缝较少、未超限)时,仅作裂缝封闭或灌浆等常规维修措施,确保耐久性。粘贴钢板或高强复合纤维材料(如碳纤维布等)。有粘结预应力加固技术(如SRAP)。增设支撑法(用于应急抢通或其它办法受限制,临时性)。更换为预应力空心板梁。,49,图5.6.1 板底增加预应力钢丝并喷射聚合物砂浆加固,图5.6.2 增设支撑加固,第5章 钢筋混凝土空心板横向裂缝病害,第一章概述第二章桥梁病害调查第三章桥梁病害综合性原因分析第
21、四章预应力混凝土空心板梁纵向裂缝病害第五章钢筋混凝土空心板梁横向裂缝病害第六章小半径曲线钢筋混凝土箱梁横向裂缝病害第七章空心板铰缝病害第八章连续桥面病害第九章墩台盖梁负弯矩区裂缝病害第十章试验监测第十一章结论及建议,50,第6章 曲线钢筋砼箱梁横向裂缝病害,51,第6章 曲线钢筋砼箱梁横向裂缝病害,互通匝道小半径跨线高架桥钢筋混凝土现浇箱梁出现较多的横向裂缝,数量不断增多增密,裂缝宽度也在加大。这种横向裂缝,一种是出现在箱梁的底板中,另一种是出现在箱梁的腹板中,还有很多腹板裂缝和底板裂缝在箱梁底部拐角处相互贯通。另外在箱梁的翼缘根部往往也会出现横向裂缝。,图6.1.1 小半径曲线钢筋混凝土箱梁
22、裂缝,6.2 计算分析,52,单元网格划分,支座约束,工况1:恒载+2列规范车道荷载对称加载工况2:恒载+2列规范车道荷载偏载(靠曲线内侧)工况3:恒载+2列规范车道荷载偏载(靠曲线外侧)工况4:恒载+1辆超载车辆偏载(靠曲线内侧)工况5:恒载+1辆超载车辆偏载(靠曲线外侧),工况6:恒载+温度梯度(升温)工况7:整体温降20度(不考虑恒载)工况8:整体温降10度+支座损坏(不考虑恒载)工况9:整体温降20度+支座损坏(不考虑恒载),第6章 曲线钢筋砼箱梁横向裂缝病害,活载各工况对比(周向正应力),53,第6章 曲线钢筋砼箱梁横向裂缝病害,工况2:恒载+2列规范车道荷载偏载(靠曲线内侧),工况
23、3:恒载+2列规范车道荷载偏载(靠曲线外侧),工况4:恒载+1辆超载车辆偏载(靠曲线内侧),工况5:恒载+1辆超载车辆偏载(靠曲线外侧),1、一辆124吨超载车在作用位置附近的底板中所产生的应力,即已超过2列规范车道荷载产生的应力。2、不论是规范车道荷载还是超载车辆,在偏载作用下,均使箱梁产生横向畸变,导致腹板出现拉应力。,温度各工况对比(周向正应力),54,第6章 曲线钢筋砼箱梁横向裂缝病害,工况6:恒载+温度梯度(升温),工况7:整体温降20度(不考虑恒载),工况8:整体温降10度+两端支座损坏(不考虑恒载),工况9:整体温降20度+两端支座损坏(不考虑恒载),3、规范温度梯度作用下,温度
24、应力较小。4、支座设置合理,能纵向自由伸缩时,即便整体降温-20度,温度应力也普遍较小,曲线内侧的箱梁翼缘、腹板等处的周向拉应力只有0.20.4MPa。其他区域的拉应力都在0.2MPa以下。5、若支座设置不合理、支座损坏,自由伸缩受限,即便整体降温只有-10度,曲线内侧翼缘、腹板上出现12MPa的周向拉应力,靠边跨端部的腹板周向拉应力大23MPa。6、整体降温-20度与-10度的温度应力分布基本相同,但应力提高约2倍。温度应力与温度变化基本呈线性关系。,6.3 设计原因分析及防治,原因腹板纵向配筋薄弱。温度和约束因素、伸缩缝损坏,梁体纵向变形受到约束。结构形式因素。连续刚构,桥墩横桥向刚度较大
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