植入式橋面連續(xù)構造

植入式橋面連續(xù)（ECS）構造

在公路橋梁中的應用研究浙江金麗溫高速公路有限公司浙江省交通規(guī)劃設計研究院寧波市普力星交通科技有限公司浙江省嘉維交通科技發(fā)展有限公司研究背景2008年底，我國已建橋梁59.46萬座，年增1.5萬座664公里橋梁。2008年底，浙江省國省道共有橋梁8396座，計91.96萬米。已建成的橋梁中70%以上是簡支梁橋。橋面連續(xù)是簡支梁橋的重要構造措施，對橋梁受力性能和使用性能改善、減低橋梁維護費用、確保道路交通的暢通具有重要意義。橋面連續(xù)的作用構造：多孔簡支梁用橋面鋪裝層將接頭連接成為一體，省去相鄰跨橋梁之間的伸縮縫。作用：在不改變簡支橋梁受力條件下為車輛提供連續(xù)、平穩(wěn)的行車道。應用：我國自20世紀70年代問世以來，受到工程界廣泛歡迎，應用普遍。橋面連續(xù)破損狀況根據浙江省8條高速公路2750座橋梁初步調查，有170座橋梁存在明顯橋面連續(xù)破損病害；根據金麗溫高速公路金麗段和溫州西過境段的詳細調查，在被調查的298座橋梁中有134座橋梁在橋面連續(xù)部位開裂，占被調查橋梁數的45.0%，開裂的橋面連續(xù)數量共417條，占病害橋梁橋面連續(xù)1858條的22.4%，為全部4132條橋面連續(xù)的10.1%。浙江省70%以上橋梁都存在蓋梁、臺帽水侵害。橋面連續(xù)破損帶來的影響影響行車舒適性和增大車輪沖擊作用，橋面連續(xù)破損帶來的影響導致橋墩水侵蝕，影響下部結構的耐久性，此處增加照片橋面連續(xù)破損帶來的影響提高養(yǎng)護成本、對交通正常通行影響大。研究目的在總結傳統橋面連續(xù)結構存在的問題基礎上，提出新型橋面連續(xù)結構，避免橋面連續(xù)部位開裂，確保行車安全性和舒適性，解決因橋面連續(xù)部位開裂引起的橋墩、蓋梁水侵害問題，提高公路橋梁的使用壽命。研究內容提出新的橋面連續(xù)—植入式橋面連續(xù)(ECS)結構通過有限元理論計算分析、足尺模型試驗、實際應用三個方面的研究，驗證新型橋面連續(xù)構造的優(yōu)越性經濟性分析結構優(yōu)化設計提出設計、施工規(guī)定和施工工藝，為推廣研究成果的應用創(chuàng)造條件傳統橋面連續(xù)裝置及存在的缺點問題8-10cm厚度內共有5層鋼筋，鋼筋過于密集、混凝土澆筑質量難以保證。鋼筋沒有形成鋼筋骨架，施工時容易移位、變形.底部橡膠隔離層很薄，在混凝土澆筑時損壞、混凝土落底。設計施工方面：傳統橋面連續(xù)裝置及存在的缺點問題橋面連續(xù)結構的上、下緣長期處于彎拉、彎剪或彎壓的復雜應力狀態(tài)之中。截面薄弱，在車輛荷載和溫度梯度荷載作用下混凝土容易開裂。受力方面：兩端切縫型橋面連續(xù)受力變形溫差效應車輛荷載國內外研究現狀

英國：ECC橋面連續(xù)構造日本：CFRP的橋面連續(xù)構造ECS構造設計新型橋面連續(xù)構造設計要點：使應變被分散、分布均勻，減小應力水平避免上層瀝青混凝土出現反射裂縫增強了排水功能，杜絕橋墩水侵害保證施工質量，防止混凝土漿液下滲透水埋入鋼筋橡膠層排水管ECS構造設計ECS構造設計考慮以下5種工況:1）簡支梁在整體溫度變化下引起的收縮或伸長。所產生的應力計為σw。2）汽車制動力引起的橋面連續(xù)部位拉、壓應力。所產生的應力計為σz。3）車道荷載滿布相鄰兩跨時引起的下撓轉角效應，轉角變形將使連續(xù)部位產生上緣受拉下緣受壓的彎曲應力。所產生的應力計為σq。4）梯度溫度作用中的正溫差將引起梁端上撓轉角效應，導致上緣受壓、下緣受拉；反溫差效應正好與之相反。所產生的應力計為σt。5）車輪荷載作用在橋面連續(xù)處引起的局部受力效應。所產生的應力計為σj。ECS構造設計下列三種工況下應力較小□簡支梁在整體溫度變化下引起的收縮或伸長（工況1）

σw=83.48kN/（0.062*1）=1346.5kPa=1.35Mpa

□汽車制動力引起的橋面連續(xù)部位拉、壓應力（工況2）

σz=282.9×10-3/13/0.08=0.27MPa

□車輪荷載作用在橋面連續(xù)處引起的局部受力效應（效應5）

σj：上緣應力為0.6MPa，下緣應力為-1.2MPa

ECS構造設計下列2種工況下起控制作用□車道荷載滿布相鄰兩跨時引起的下撓轉角效應（工況3）

□梯度溫度作用引起上撓轉角效應、下撓轉角效應（工況4）

ECS構造設計2種工況下應力□通過分析找到轉角效應最大的跨徑：10m跨空心板常用型式簡支梁在公路I級車道荷載作用下的最大梁端轉角序號類別跨徑（m）橋寬（m）梁高（cm）梁寬（cm）橫向分配系數轉角（弧度）1空心板1013451250.32241.93×10-321313601250.30261.48×10-331613801250.28581.07×10-342013901250.22901.28×10-35小箱梁2513140024000.61401.12×10-36T梁5013260023850.64801.74×10-3ECS構造設計2種工況下應力汽車荷載作用下橋面連續(xù)構造應力（單位：MPa）部位一跨作用qk+Pk，鄰跨作用qk一跨作用qk，鄰跨作用qk剛接板式ECS剛接板式ECS上緣-11.4-6.2-5.2-1.4下緣21.07.19.61.5部位正溫差作用反溫差作用剛接板式ECS剛接板式ECS上緣15.94.4-8.0-2.2下緣-29.2-4.714.82.4梯度溫度作用下橋面連續(xù)構造應力（單位：MPa）

采用Midas6.11計算：□車道荷載下最大的梁端轉角：1.404×10-3rad和0.418×10-3rad；□

正溫差效應的轉角是1.27×10-3rad，反溫差效應的轉角是-6.37×10-4rad；ECS構造設計

希望大幅減小應力水平，避免上層瀝青混凝土反射裂縫形成

保證上部混凝土層的厚度

滿足設計規(guī)范對各種構造尺寸的要求

施工方便

節(jié)約成本ECS裝置構造尺寸的優(yōu)化選擇

結論：鋼筋直徑為8mm；橡膠厚度13~16mm、寬度430mm

有限元計算分析計算對象：三種方案，A、C為ECS式，兩者之間的構造細節(jié)不同，D為傳統形式計算模型：完全模擬實際構造，并考慮板梁的支座變形影響材料特性：根據實際使用材料設定參數兩跨20m跨度單片板梁為計算對象計算模型的細部橋面連續(xù)部計算模型采用大型有限元程序ABAQUS6.5

荷載工況：考慮可能的荷載、按規(guī)范取值工況考慮的荷載備注1車道荷載按公路-I級取值2溫度正梯度按公路規(guī)范鋪裝8cm厚瀝青混凝土3溫度負梯度按公路規(guī)范鋪裝8cm厚瀝青混凝土4整體升降溫±30℃5局部車輪荷載施加重車的輪荷載6制動力工況按公路規(guī)范設定7組合工況I上緣最大拉應力8組合工況II下緣最大拉應力工況組合Ⅰ計算結果1）最大主拉應力減小2）應力分布均勻方案一A

最大主拉應力11.52MPa方案一C

最大主拉應力12.93MPa方案二D

最大主拉應力16.23MPa工況組合Ⅰ計算結果1）最大主壓應力減小2）應力分布均勻方案一A最大主壓應力6.649MPa方案一C最大主壓應力6.568MPa方案二D最大主壓應力26.91MPa工況組合Ⅱ計算結果1）最大主拉應力減小2）應力分布均勻方案一A最大主拉應力8.019MPa方案一C最大主拉應力7.853MPa方案二D最大主拉應力25.800MPa工況組合Ⅱ計算結果1）最大主壓應力減小2）應力分布均勻方案一A最大主壓應力5.443MPa方案一C最大主壓應力8.352MPa方案二D主壓應力最大為11.98MPa混凝土主拉應力計算結果匯總表(MPa)序號工況方案一A方案一C方案二D結果比較1車道荷載6.1286.6219.138方案一A主拉應力最小2溫度正梯度5.3044.90321.920

方案一C主拉應力最小3溫度負梯度3.6794.7846.331

方案一A主拉應力最小4整體降溫2.8163.9123.146方案一A主拉應力最小5局部車輪荷載5.0855.5595.669方案一A主拉應力最小6制動力0.2240.1740.218方案一C主拉應力最小7工況組合Ⅰ11.5212.9316.23方案一A主拉應力最小8工況組合Ⅱ8.0197.85325.800方案一C主拉應力最小足尺試驗研究試驗時間：2009年6月8日。試驗對象：A、C、D三種類型連續(xù)構造，跨度16m。加載工況：溫度梯度和車道荷載，根據梁端轉角相等條件模擬。如溫度梯度按規(guī)范計算T1=16.4℃，T2=5.98℃，對應梁端轉角為0.001278°，按幾何關系在梁遠端頂升4cm。模擬溫度梯度模擬車道荷載溫度梯度模擬試驗結果對比A方案，頂升至5.0cm時，橋面一側出現細裂縫C方案，頂升至2.0cm時，橋面一側出現細裂縫D方案，頂升至2.5cm時，橋面一側出現細裂縫橋面壓應變比較A方案和C方案的壓應變比D方案大車道荷載模擬試驗結果對比方案A：細裂縫方案C：裂縫比較集中橋面?zhèn)让娣桨窪：更粗的集中裂縫ECS橋面的拉應變相對較小橋面拉應變比較試驗結果橋面連續(xù)結構是橋梁最薄弱的截面，在溫度梯度以及車道荷載作用下容易開裂。在溫度梯度條件下，A方案的橋面連續(xù)的開裂變形（抬升量）比其他兩個方案大。在車道荷載作用下，A方案能夠將裂縫分散成多條細裂縫，而其他兩種方案均為集中粗裂縫。工程應用新倉公鐵立交橋為雙幅橋梁，全長713.771m，全寬26.0m。跨徑布置為：6×16+3×16+30+20+5×20+2×20+30+2×20+5×20+5×20+5×20m單幅橫向布置為：0.5(護欄)+11.5(行車道)+1m(護欄+分隔帶)。上部結構為后張法預應力混凝土空心板，橋面設10cm厚40號水泥混凝土和8cm厚中粒式瀝青混凝土，空心板采用C50混凝土。橋梁在使用過程中出現橋面連續(xù)部滲水等病害，本課題研究結合本橋的加固施工，選擇部分連續(xù)部位對ECS的使用性能進行檢驗。測點布置及傳感器設置選擇10個截面由于埋置誤差較大，實測數據非常隨機本課題采用荷載試驗結果來檢驗其有效性橋面連續(xù)裝置類型對應橋墩號A方案（植入式）15#、23#、27#B方案（植入式）14#、24#、28#C方案（植入式）25#、29#D方案（傳統）22#、30#合計10處試驗工況靜載試驗工況工況一、二、三、四縱向按連續(xù)橋面墩頂處最大負彎矩(支點最大角位移)橫向偏載，試驗截面分別為27#墩、28#墩、29#墩、30#墩加載位置27號墩測點布置28號墩測點布置29號墩測點布置30號墩測點布置應變讀數結果比較（με）位置A(27號墩)B(28號墩)C(29號墩)D(30號墩)應變測點號應變測點號應變測點號應變測點號接縫附近112W01110W0954W17----34W0237W1046W18----30W0328W1132W19----14W0420W1244W20----接縫處26W0536W1341W2160W2530W0629W1448W2247W2635W0727W1528W2355W2712W0827W1635W2428W28結構外觀檢查采用ECS構造的連續(xù)縫沒有滲水傳統構造的連續(xù)縫發(fā)現滲水雖然使用時間只有1年，結果已證明了有效性更多的檢查資料請參照研究報告附錄采用ECS構造的連接縫沒有開裂采用傳統構造的連接縫發(fā)現裂縫2009-8-17，大雨后30號墩D方案蓋梁一處水侵害

施工過程鑿除原有橋面連續(xù)橋面連續(xù)范圍找平置平ECS，鋼筋除銹安裝ECS將排水管伸出護欄外

鋼筋綁扎、焊接澆筑橋面連續(xù)混凝土經濟性分析采用ECS構造：每道建安費12753元，使用期50~60年。采用傳統橋面連續(xù)構造：每道建安費6570元，4年使用期限，更新費13270元（包括施工封道影響）。采用伸縮裝置：每道建安費14343元，橡膠條10年使用期限，每次更換費1700元（包括施工封道影響）。采用先簡支后連續(xù)構造：每道費用總計為50520元，使用期100年。以一座10跨20m正交簡支橋梁為例：共設8道橋面連續(xù)構造，橋面凈寬12m，20年使用期。經濟性比較結果欄目類型一次建設成本20年內維修次數20年內維修費用總計費用采用ECS連續(xù)構造10.20010.2采用傳統橋面連續(xù)構造5.3553.158.4采用伸縮裝置11.511.412.9采用先簡支后連續(xù)構造40.40040.4總計費用比較采用ECS構造比傳統橋面連續(xù)構造節(jié)約48.2萬元，比先簡支后連續(xù)構造節(jié)約30.2萬元結論根據本課題研究結果，得到以下幾點結論：1）ESC構造解決了橋面連續(xù)處滲水問題，可以提高下部結構的耐久性。2）計算分析表明，在設計荷載作用下ESC構造的主拉應力低于傳統裝置。3）模型試驗證實了植入式橋面連續(xù)構造具有分散裂縫的效果。4）實橋應用進一步驗證了ESC構造的有效性。5）經濟指標分析表明，ESC構造較傳統的橋面連續(xù)構造在施工、養(yǎng)護總成本上有較大降低。6）提出相應的施工工藝和優(yōu)化設計結果。7）根據施工便利性、受力特性，推薦方案A在工程中推廣應用。建議和展望在澆筑的混凝土中摻入含量0.8～1.6kg/m3的網狀聚丙烯纖維，對提高橋面連續(xù)構造的工作性能將會有較大幫助。通過實際應用效果的跟蹤調查，進一步優(yōu)化、完善橋面連續(xù)構造。創(chuàng)新點ECS構造為國際首創(chuàng)。ECS構造使得橋面連續(xù)部位變形分散、應力減小。解決的下部橋墩水侵害問題，增加了橋梁耐久性。ECS構造的使用規(guī)定和施工方法提出了ECS構造的設計、施工規(guī)定和施工工藝：1）ECS適用條件2）構造的設計、施工要求3）施工流程4）安裝質量、精度要求ECS構造的使用規(guī)定ECS裝置的使用年限：環(huán)境類別環(huán)境條件最小使用年限I溫暖或寒冷地區(qū)的大氣環(huán)境、與無侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境60Ⅱ嚴寒地區(qū)的大氣環(huán)境、使用除冰鹽環(huán)境、濱海環(huán)境60Ⅲ海水環(huán)境50Ⅳ受侵蝕性物質影響的環(huán)境50水泥混凝土橋面鋪裝面層（不含整平層和墊層）的厚度不宜小于80mm，混凝土強度等級不應低于C40。