空心板梁桥加固理论与实践.ppt

空心板梁桥加固理论与实践,省公路管理局安全处 郑求才 副处长、教高 2012.11.16 杭州,空心板梁桥加固理论与实践,浙江省空心板梁桥概况 空心板梁桥主要病害及原因分析 空心板梁桥细部力学分析理论 空心板梁桥主要病害加固实践 问题与思考,浙江省空心板梁桥概况,截止2011年底，浙江公路桥梁总数45668座 中小跨经（单跨40米，）桥梁占 92 %； 其中空心板梁桥26684 座，占中小跨径的 59.6 %。 近年，全省普通国省道修复加固桥梁中，空心板类桥占70 %以上。 近年，我省桥梁突发事件，空心板类桥梁占主要（梁板断裂、铺装严重破损等），以钱江三桥为典型代表。 空心板桥在浙江公路桥梁中占重要地位。,空心板梁桥主要病害（五大病害）,1、桥面铺装纵向裂缝铺装破损 2、预应力空心板底纵向裂缝 3、钢筋混疑土空心板横裂渗水钙化，从正常非正常裂缝 4、铰缝损坏、破坏单板受力 5、支座脱空 其它：宽幅板梁端斜向裂缝、预应力空心板横向裂缝、,病害原因分析,从宏观来说： 铰缝是关键（单板受力铺装裂缝梁板损坏） 先天不足是根本（小铰缝、薄铺装）、 超载是祸首。 设计惯例影响：铺装层、铰缝不计算，仅提构造要求。,6,空心板截面形式和铰缝的演变,超载引起的内力对比（20米空心板）,公路超载,8,2006年， 张同公路调查结果32。 车辆总重最大134t，单轴最大43t。,2001年，广东省超载运输调查33。 车辆总重最大131.8t，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。,病害原因分析,桥面铺装纵向裂缝的原因 铺装过薄、铰缝失效、铺装层施工时层间结合不良及钢筋网片下沉、梁板顶面不平整（反拱不一、施工误差过大等）、支座脱空造成梁板翘曲影响,铰缝损坏、破坏 早期小铰缝设计缺陷、施工工艺（凿毛不到位、浇筑不到位、铰缝钢筋搭接不到位、铰缝混疑土材料未考虑粘结性要求）,板底横向裂缝原因,对钢筋混疑土结构来说，宽度及高度限度以内的横裂是正常的，（极限状态设计，受拉去混疑土不参与计算）。 但超过限度的是不正常的（中性轴以下、0.2mm以内） 中性轴过高，影响受压区面积，增大钢筋应力和裂缝宽度。,裂缝宽度过大，影响钢筋耐久性，锈蚀。 个人理解：裂缝宽度从设计计算来说，是个半经验半理论公式，个别裂缝超限说明不了什么问题，关键的是否渗水钙化。,预应力空心板板底纵向裂缝,原因复杂，既有设计，又有施工、运营原因 1、设计：温度应力，内外温度相差10度时，底板横向拉应力可达 1.14MP. 2、翘曲畸变，顶底板的最大拉应力达1-2MP,3、施工：钢束偏差，支座脱空、保护层过薄等,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。,运营超载,虚线为工况1 实线为工况2,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。,支座脱空,形成梁板翘曲，不平，增大梁板应力 影响桥面铺装的受力，产生裂缝 造成铰缝的损坏 从桥梁定检情况看，梁式桥支座脱空的比例较高，应引起重视。,施工时安装问题（三点定面，四点很难成一面）、支座质量差（河北衡水）、,其它病害,预应力空心板板底横向裂缝有2种，弯拉区裂缝（白沙大桥）、预应力变化处（先张法施工短束处横裂（瑞安高架桥）应正确区分是弯拉应力过大还是施工缺陷造成。,空心板桥细部力学计算,梁板计算 传统方法：铰接板法、刚接梁法 铰接板法计算的前提是：半波正弦荷载跨中绕度与变形成正比，但车辆荷载不是半波正弦荷载。现代有限元理论已经分析证明，按铰接板法计算的横向分布系数是偏大的，对结构是偏安全的。关键的问题往往是铰缝起不了铰的作用。,空心板梁桥细部力学分析,现代有限元方法：平面杆系（实质上也是横向分布系数法）、梁格法、实体单元法。 三种方法计算的梁的应力是有区别的。从保守到精确。三种计算方法中，前二种对铰缝都是按铰来模拟，实体单元法对铰缝的处理有不同的方法，结果也有差异。 概括：由于铰缝的结构，使得实际结构应力与计算模型是有差异的。正确认识不同的模型特点，对荷载试验校验系数的判别有帮助，应越来越趋近于1。（有人计算过，单跨预应力简支空心板梁桥，混凝土桥面铺装层参与作用时，跨径为10m和13m的简支空心板梁桥，应力和挠度校验系数提高43左右。跨径为16m和20m的简支空心板梁桥，应力和挠度校验系数提高26左右。),铰缝 计算分析,20,空心板铰缝病害分析,4种工况计算结果对比,21,铰缝应力的考察位置,图7.2.27 跨中横截面上3-6号铰缝的第1主应力沿标高方向分布,空心板铰缝病害,4种工况计算结果对比,22,铰缝剪应力Sxy （沿高程方向的错动） 沿桥长变化,第7章 空心板铰缝病害,4种工况计算结果对比,23,图7.2.27 铰缝剪应力Sxz （沿桥长方向的错动） 沿桥长变化,第7章 空心板铰缝病害,铰缝处实体单元应力分析说明：规范车辆荷载下，铰缝应力在可控范围内；超载车辆作用下，主应力和剪应力较大，可能导致铰缝开裂。,铰缝损伤识别,空心板梁桥铰缝是否完好，目前无很简易的办法 1、如果铰缝已渗水，可以说明铰缝已开裂受损 2、勾缝脱落，不能说明铰缝已损坏。 3、定期检查手段无法正确判断 4、荷载试验可通过横向绕度曲线大致判别铰缝状态 国内有人在研究铰缝损坏的判别方法，有待实践检验 上海通过相邻板绕度变化，开发了专利产品：电阻式铰缝位移计 重庆交大研究了基于舜态动力分析的铰缝损伤识别方法,铺装层对桥梁受力的影响分析,规范规定，铺装层可以在扣除磨耗层后计入刚度计算，但也可不计刚度贡献，只计横载。 研究表明，铺装层厚度对铺装层本身及空心板的应力变化影响较大。应有一个合适值，不宜过大和过小。宜对不同跨径、不同铰缝损坏情况作理论分析和实践验证。 计算表明，铺装层施工时局部缺陷如脱空等，可造成铺装层裂缝产生。,铺装层最大拉应力对比图,主要结论,不同跨径铺装层最大拉应力在厚度大于12CM以后时变化较小。 最大顺桥向剪应力、层间剪应力在厚度大于10CM以后时变化较小。 20米以上跨径铺装层应力远大于其他跨径,铺装层厚度对较缝应力的影响,12-14cm交界点现象。 矩形铰缝应力较低,宽幅式空心板的研究试验结论,20m宽幅空心板断面,抗弯破坏性试验,抗弯破坏性试验结论,抗剪破坏性试验,试验结果,空心板加固方法,国内空心板加固的方法很多，围绕恢复铰缝功能、增加横向整体刚度、提高承载潜力等方面探索了很多。 常见的梁板纵向抗弯加固（贴钢板、碳纤维布）、铺装层结合铰缝加强加固 近年探索中的有横向体外预应力、纵向槽钢加固、,抗弯加固,黏贴钢板、碳纤维、体外预应力、高强聚合物砂浆加固。 黏贴钢板、碳纤维加固：提供一种超载的潜力，质量较难保证。先卸载再加固，效果更好，所以施工时应尽量不上活载。 MPC 高韧性混疑土加固：宁波白溪大桥，抗拉强度达50MP,哈工大研制，造价高。,横向整体加固,国外有空心板增加横格梁施加预应力的工程实例，效果是明显的。 横向整体加固的目的是增加铰缝的传荷能力。铰接变刚接， 国内已有专著体外横向预应力加固简支空心板梁桥技术，根据河南的一些实例总结了计算方法。,浙江的横向整体加固实例,土竹殿桥，如图4.1所示，位于浙江省仙居县境内临金线上，全桥共五跨，单跨跨径13.0m，桥梁全长为66.9m，桥面净宽9.0m，与河道斜交30度。上部结构为9块宽1m的钢筋混凝土简支空心板。下部结构采用钻孔桩墩台。设计荷载为汽20级，挂100。土竹殿桥为5孔等跨径的空心板桥，加固前该桥存在桥面铺装开裂、铰缝渗水和板跨中开裂的病害，已呈现单板受力趋势。,浙江省仙居土竹殿桥横向体外预应力加固,体外索采用符合预应力混凝土用钢绞线（GB/T 52242003）标准的270级高强度低松弛钢绞线，公称直径15.2mm，公称面积139mm2，标准强度fpk为1860MPa，预应力钢绞线的张拉控制力为140 kN。,荷载试验结果对比,第三跨进行桥面补强和体外横向预应力加固前，在荷载作用下最大挠度实测值为5.8mm，加固后最大挠度实测值为1.51mm，测点加固后实测值与加固前实测值比值均小于1；挠度实测值均小于加固后有限元计算值，加固后挠度校验系数左偏载工况在0.620.99之间，中载工况在0.510.87之间，右偏载工况在0.460.83之间。,加固后荷载横向分布系数比较（中载工况 ）,横向黏贴钢板加固,加固后荷载横向分布系数比较（中载工况 ）,结论：,与加固前相比，桥梁第二跨和第三跨在加固后，挠度、应变均大大减小，说明加固后结构刚度明显增大；全部挠度实测值和大部分应变实测值小于加固后有限元计算值，说明加固大致达到预期效果，桥梁具有了一定安全储备；横向分布系数接近于计算值，且分布规律与计算值总体吻合，说明采取的加固措施加强了空心板之间的协同工作能力。 点评：从定性上来说，加固肯定有效果，但荷载试验结果是在桥面铺装和铰缝修复后进行，这之间，横向贴钢板和体外预应力加固的效果受到了一定的影响。中间应再有一次试验来说明横向贴钢板和体外预应力加固的效果。或者是未进行桥面铺装修复的横向加固效果影响，尽量减少叠加的影响。,预应力高强钢丝绳网片加固,抗剪加固,需要进一步探讨的问题,设计计算方法：定量的问题要解决。体外预应力的大小、位置、工艺。 各种方案的适应性问题（从造价、施工难易、耐久性等） 进一步扩大实际工程应用，总结效果。,纵向槽钢加固（铰缝加固）,台州做法：,需要进一步研究的问题,纵向肋几何尺寸对传递剪力的影响。 如何更进一步提高经济适应性 加强试验和效果的检验。 个人理解：因为施工要搭设脚手架，对个别铰缝的处理应是合适的，（不动上而动下时）、对交通管理特别困难的地方也可选。,其它方法：纵向预应力及横向槽钢加固,铰缝增大截面加固,问题与思考,空心板修复加固中应认真分析病害原因和病害规模，采取多方案比较，择优确定方案 通病：分析不仔细，简单处理（换板等等），小的设计单位缺乏经验和计算分析能力。 目前，铰缝的破坏和识别方法仍不完善，应研究解决的办法，提出定量的方法。应重点针对铰缝的处理，加强实践。包括方法和工艺 在新