大跨梁式橋的病害與對策.ppt

1、1,湖南大學(xué)土木工程系橋梁專業(yè),橋梁檢測及大跨徑梁式橋的病害原因與對策,報(bào)告人：邵旭東 教授 湖南大學(xué)“橋梁與隧道工程”國家重點(diǎn)學(xué)科,2008年4月,2,1. 截止2003年底 我國公路橋梁數(shù)量及狀況 共有公路橋梁310773座， 12466143延米 其中：特大橋2155座，1962614延 米，占0.69% 大橋17417座，3061688延米，占5.60% 中橋63511座，3466413延米，占20.44% 小橋227690座，3975428延米，占73.27% 至2007年底，我國公路橋梁總數(shù)約33萬座。,我國公路橋梁的基本情況和對試驗(yàn)檢測技術(shù)的需求,3,目前國內(nèi)橋梁存在的問題,上世

2、紀(jì)50年代后期和60年代橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)低，承載力不足。,上世紀(jì)8、90年代后修建的橋梁部分出現(xiàn)質(zhì)量問題，病害嚴(yán)重。,截止2006年底，全國查出危橋（第5類）6282 座，約占全部橋梁的2%。,4,近年來的橋梁垮塌事故,5,綦江彩虹橋,6,宜賓小南門橋,主跨240米中承式拱橋，1990年11月建成通車，2001年11月因吊桿嚴(yán)重銹蝕斷裂，造成部分橋面跨塌。,7,遼寧盤錦田莊臺(tái)大橋,大橋橋位于盤錦與營口交界處，連接遼河兩岸，橋長500余米 ，2004年，在80噸的嚴(yán)重超載情況下，使大橋第9孔懸臂端預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)瞬間脆性斷裂 。,8,蘇州堰月橋 （2005年4月）,甘肅洮河大橋（2006年5月）,大橋建造

3、于年代中期，距今已有年左右的歷史。,位于甘肅省道306線上,岷縣縣城以北500米處，始建于1974年,總長200多米，橋?qū)?米。,9,山西運(yùn)煤車超載 60米橋垮塌,10,鳳凰沱江大橋施工時(shí)垮塌,鳳凰沱江大橋 石拱橋,11,2007年廣東九江大橋,2007年江蘇常州公路大橋,12,美國共有公路橋梁58萬座，1967年12月，Ohio州的Silver Bridge（懸索橋）跨塌導(dǎo)致46人死亡，使用年限為39年。隨后弗羅里達(dá)陽光橋因船撞而一幅垮塌，由此引發(fā)了對美國58萬座公路橋梁的檢查，共調(diào)查了51.4萬座，這些橋中40以上有不同程度的損傷，98000座橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，應(yīng)停止使用或限載。,國外橋梁

4、的現(xiàn)狀,13,I-40 Bridge, Oklahoma, US（2002年5月）,14,美國明尼蘇達(dá)州密西西比河大橋垮塌 2007年8月1日,15,國外橋梁的現(xiàn)狀日本,日本在七、八十年代汽車運(yùn)輸急劇發(fā)展，汽車日益大型化、重型化，交通量逐年增加。1956年以前按舊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)施工的橋梁，其承載力明顯不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這類橋梁約有5500座，其中混凝土橋梁約有4500座。,16,部分橋梁承載能力偏低； 早期修建的橋梁有相當(dāng)數(shù)量由于設(shè)計(jì)、施工或結(jié)構(gòu)體系上的弱點(diǎn)，或因老化、衰退而“帶病”工作； 八十年代以后修建的不少索結(jié)構(gòu)橋梁，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)上的限制，普遍出現(xiàn)過早老化、腐蝕現(xiàn)象； 近二十年修建了不少預(yù)應(yīng)力混凝

5、土連續(xù)梁和連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)橋普遍出現(xiàn)跨中下?lián)?、梁體開裂等問題；,2.對試驗(yàn)檢測工作的需求,17,人工采砂、造田、上游修水庫，橋位河床下切，基礎(chǔ)深度不足，結(jié)構(gòu)振動(dòng)過大； 沿海橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問題； 橋梁加固效果的評價(jià)。 這些問題要通過科學(xué)手段、方法加以診斷、評價(jià)，以確定對策。,18,橋梁檢查的分類,按照檢查的范圍、深度、方式和檢查結(jié)果的用途等的不同，大致可歸納為下列三類：,經(jīng)常檢查（巡視檢查、日常檢查）,定期檢查,特殊檢查,3.目前橋梁養(yǎng)護(hù)管理制度,19,巡視檢查是由專家對一條線路或一定區(qū)域內(nèi)的橋梁進(jìn)行的快速掃視檢查；,目的是：對所需檢查的橋梁的技術(shù)狀況和主要存在問題形成一個(gè)總體印象，以便能對它們進(jìn)行初

6、步的排序以及為進(jìn)一步的檢查作技術(shù)準(zhǔn)備。,(1) 巡視檢查,20,日常檢查也叫例行檢查或叫經(jīng)常檢查，一般一月一次，由路段檢查人員或橋工班或護(hù)橋人員進(jìn)行掃視檢查 目的是：確保結(jié)構(gòu)功能正常，使結(jié)構(gòu)能得到及時(shí)的養(yǎng)護(hù)和小修保養(yǎng)或緊急處理，對需要檢修和一些重大問題作出報(bào)告。,(2) 日常檢查,21,通常由具有一定檢查經(jīng)驗(yàn)并受過專門橋梁檢查培訓(xùn)以及熟悉橋梁設(shè)計(jì)、施工等方面知識(shí)的檢查工程師，按照規(guī)定周期，對橋梁主體結(jié)構(gòu)及其附屬構(gòu)造物的技術(shù)狀況進(jìn)行定期跟蹤的全面檢查。一般15年一次。 目的是：通過對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行徹底的、視覺的和系統(tǒng)的檢查，建立結(jié)構(gòu)管理和養(yǎng)護(hù)檔案，對結(jié)構(gòu)的缺損狀況作出評估，評定結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的技

7、術(shù)狀況，確定改進(jìn)工作和特別檢查之需求，并確定結(jié)構(gòu)維修、加固或更換的優(yōu)先排序。,(3) 定期檢查,22,依據(jù)檢查目的可劃分為應(yīng)急檢查和專門檢查兩種 依據(jù)檢查工作的性質(zhì)可劃分為現(xiàn)場檢查和實(shí)驗(yàn)室測試分析兩大部分 從檢查方法上可劃分為目力檢查和簡單物理測量方法以及無破損或半破損檢查方法,(4) 特殊檢查,23,（1）對定期檢查中難以判明損壞原因和程度的橋梁，有必要使用特殊設(shè)備或?qū)ｉT技術(shù)對定期檢查作補(bǔ)充時(shí) （2）在進(jìn)行復(fù)雜和昂貴的維修之前，需查出定期檢查中未能發(fā)現(xiàn)的損壞情況時(shí)，或?qū)σ筇岣咻d重等級(jí)的橋梁 （3）在發(fā)生特別事件之后，如洪水災(zāi)害、流冰、漂流物和船舶撞擊事故、滑坡、地震、風(fēng)災(zāi)及重車過橋等 （4

8、）需要使用特殊儀器或需作特別詳細(xì)記錄的檢查，擬評定結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況時(shí)，如橋梁技術(shù)狀況為四類者 （5）新建工程中出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí),下列情況下需進(jìn)行特殊檢查,24,大跨徑梁式橋的病害原因與對策,25,目前我國的大跨梁式橋，存在一些較常出現(xiàn)的病害。概括起來，有兩大類。即：一、跨中下?lián)?；二、梁體開裂。,據(jù)統(tǒng)計(jì)，跨徑80100m以下的梁橋，病害較少；跨徑100160m的梁橋，病害較多；跨徑160m以上的梁橋，病害就更多。,概 述,26,一、梁體下?lián)蠁栴},27,一、梁體下?lián)?是一個(gè)較普遍的現(xiàn)象。主因是由混凝土徐變引起,尤其是大跨徑梁式橋。跨中下?lián)贤c梁體跨中段橫向裂縫或大量斜裂縫伴隨出現(xiàn)，其下?lián)峡蛇_(dá)到相當(dāng)大的

9、數(shù)值，造成嚴(yán)重病害。 黃石長江公路大橋跨中下?lián)希畲笠堰_(dá)到33.5cm，當(dāng)然同時(shí)出現(xiàn)大量的主拉應(yīng)力斜裂縫與跨中區(qū)段橫向裂縫。,28,根據(jù)已發(fā)表的資料，虎門大橋輔航道橋跨中下?lián)希?2年已達(dá)到22cm，與此同時(shí)跨中存在一些橫向裂縫，及主拉應(yīng)力斜裂縫。此下?lián)现狄堰h(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)預(yù)留值10cm。最近由于橫向裂縫朝腹板發(fā)展，下?lián)现涤衷龃蟮?6cm。,一、梁體下?lián)?29,（一）輕型化導(dǎo)致混凝土徐變顯著增大 由于大跨徑梁橋的恒載內(nèi)力占總內(nèi)力的80%、甚至90%以上。為減小恒載內(nèi)力，上世紀(jì)90年代過分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的輕型化。,跨中下?lián)系脑蚍治鋈缦拢?一、梁體下?lián)?30,板件減薄直接后果: 1.由徐變理論可知：箱梁的

10、板件越薄，理論厚度就小，就有較大的徐變系數(shù)。 2.板件薄，混凝土的應(yīng)力就高，而徐變變形又與應(yīng)力正比。,一、梁體下?lián)?31,（二）內(nèi)支點(diǎn)負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力筋配置不足,設(shè)計(jì)時(shí)僅按上緣混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力控制負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量，未充分考慮負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力對控制徐變下?lián)系挠欣饔谩?一、梁體下?lián)?32,一、梁體下?lián)?徐變下?lián)洗?徐變下?lián)闲?只有軸向徐變,徐變上拱,沿截面高度的壓應(yīng)力分布：,33,（三）片面強(qiáng)調(diào)縮短施工周期,施工單位往往希望縮短施工周期，設(shè)計(jì)圖紙上往往僅標(biāo)明混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的8090后，即可張拉預(yù)應(yīng)力，而沒有對混凝土的加載齡期提出要求。,一、梁體下?lián)?34,早期混凝土彈性模量的增長明顯滯后于強(qiáng)

11、度的增長，添加早強(qiáng)劑后，混凝土雖很快達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度要求，但其彈性模量往往僅達(dá)到設(shè)計(jì)值的70%甚至更小。,一、梁體下?lián)?35,早期加載，使混凝土徐變增大。由公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中的混凝土徐變系數(shù)終極值可見，3天加載與7天加載比較，徐變系數(shù)終極值增加15%20%。過早加載會(huì)不僅使預(yù)應(yīng)力的徐變損失加大，而且使徐變撓度增大。,徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失是隨時(shí)間而逐步完成的，因此梁橋的部分下?lián)鲜穷A(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的恒載撓度。,一、梁體下?lián)?36,（四）部分活載也會(huì)產(chǎn)生徐變撓度,徐變撓度計(jì)算只針對恒載。但在繁忙交通的路段上，橋上車流日夜不斷，部分活載也實(shí)際成了“恒載”，也會(huì)產(chǎn)生徐變撓度，導(dǎo)致下?lián)显?/p>

12、大。,一、梁體下?lián)?37,（五）施工質(zhì)量上也存在一些缺陷,有的工地上，對進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)重視不夠，沒認(rèn)真去做。有試驗(yàn)表明，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失，比設(shè)計(jì)采用值大很多，甚至差幾倍。這樣就會(huì)導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不足，下?lián)显龃蟆?一、梁體下?lián)?38,梁體在下?lián)系耐瑫r(shí)開裂，不論是斜裂縫或橫向裂縫，都會(huì)導(dǎo)致梁的剛度降低，會(huì)使撓度加大，尤其有較嚴(yán)重的斜裂縫和橫向裂縫時(shí)。,一、梁體下?lián)?（六）梁體開裂，撓度加大,39,跨中下?lián)系念A(yù)防對策：,（一）足夠的正截面和斜截面強(qiáng)度 鑒于跨中下?lián)贤c橫向裂縫與斜裂縫一起發(fā)生，相互促進(jìn)惡化，因此保證梁有足夠的正截面強(qiáng)度和斜截面強(qiáng)度是首要的。計(jì)算中要充分考

13、慮徐變的不利影響。,一、梁體下?lián)?40,（二）控制負(fù)彎矩區(qū)域截面的應(yīng)力梯度,一、梁體下?lián)?在梁根部區(qū)段，可使懸臂節(jié)段的自重完全由預(yù)應(yīng)力抵消。內(nèi)支點(diǎn)底板厚度宜為跨徑的1/140左右。,上緣增大壓應(yīng)力（加預(yù)應(yīng)力）,下緣減小壓應(yīng)力（增加底板厚度）,41,如果梁的正截面和斜截面強(qiáng)度得到保證，而且截面應(yīng)力梯度小，不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)下?lián)吓c開裂。在這樣的前提下，只需設(shè)較小的預(yù)拱度，以抵消預(yù)應(yīng)力徐變損失以及由合龍后混凝土徐變引起的徐變撓度。,一、梁體下?lián)?42,（三）連續(xù)剛構(gòu)橋最終合龍主跨前，在兩懸臂端施加水平力對頂，然后合龍。不僅有利于減小跨中控制內(nèi)力，也有利于減小跨中下?lián)稀?一、梁體下?lián)?43,一、梁體下?lián)?三

14、跨連續(xù)梁 徐變導(dǎo)致內(nèi)力重分布，負(fù)彎矩減小，正彎矩增大。,（四）要適當(dāng)增加底板合龍束，并預(yù)留體外備用鋼束，防止徐變下?lián)虾蟮装宄霈F(xiàn)橫向裂縫。,44,（五）加強(qiáng)施工質(zhì)量管理,混凝土加載齡期至少應(yīng)在7天以上，強(qiáng)度至少在90以上。另外采用真空壓漿，漿體必須滿足泌水性的要求，重視并及早進(jìn)行工地的預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)等。,一、梁體下?lián)?45,（六）跨中區(qū)段結(jié)構(gòu)輕型化,一、梁體下?lián)?46,斯托爾馬橋(L=301m)， 跨中182m為C60輕質(zhì)陶?；炷?一、梁體下?lián)?47,重慶石板坡長江大橋跨中108m長為鋼梁,一、梁體下?lián)?48,二、梁體開裂問題,49,二、梁體開裂,包括梁上出現(xiàn)斜裂縫、橫向裂縫、縱向裂縫、混凝土

15、劈裂、橫隔板裂縫以及齒板裂縫等。下面只討論前三種裂縫。,50,二、梁體開裂斜裂縫,（一）主拉應(yīng)力斜裂縫,是出現(xiàn)最多的梁體裂縫。往往首先發(fā)生在剪應(yīng)力大而截面抗剪能力不足的支座L/4區(qū)域，與梁軸線呈2550開裂，并隨時(shí)間的推移，不斷向受壓區(qū)發(fā)展。裂縫數(shù)也會(huì)增加，裂縫區(qū)向跨中方向發(fā)展。 斜裂縫的另一個(gè)特征是箱內(nèi)腹板斜裂縫要比箱外腹板斜裂縫嚴(yán)重。這已為一些大跨徑梁橋的檢查結(jié)果所證實(shí)。,51,二、梁體開裂斜裂縫,斜裂縫的寬度如在0.2mm以下，而且其長度、寬度和數(shù)量已趨穩(wěn)定，不再發(fā)展，則不需加固，但要注意觀察，要封閉。 實(shí)際上大跨徑梁橋上往往存在寬度較大、且不斷發(fā)展的嚴(yán)重斜裂縫，已反映出梁的斜截面強(qiáng)度不

16、足。 在設(shè)計(jì)中，對于梁的主拉應(yīng)力都進(jìn)行驗(yàn)算并通過。但在實(shí)踐中，這類裂縫還是大量出現(xiàn)，為什么？！,52,二、梁體開裂斜裂縫,出現(xiàn)斜裂縫的原因如下：,1、取消彎起束 從上世紀(jì)90年代，在箱梁橋的設(shè)計(jì)中，較普遍地取消彎起束，而用縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力來克服主拉應(yīng)力。這樣做方便施工，可以減薄腹板的厚度。 但豎向預(yù)應(yīng)力筋長度短，預(yù)應(yīng)力損失大，有效預(yù)應(yīng)力不易得到保證，教訓(xùn)是斜裂縫大量出現(xiàn)。,53,二、梁體開裂斜裂縫,目前已認(rèn)識(shí)到取消彎起束是不妥當(dāng)?shù)模∮谑侵匦禄氐皆O(shè)彎起束的正確軌道上來。但為此已付出了代價(jià)。,54,二、梁體開裂斜裂縫,2、作為平面問題分析，主拉應(yīng)力偏小,設(shè)計(jì)中通常僅從縱向和豎向二維來分析主拉

17、應(yīng)力，即： 但很不夠，沒有考慮橫向的影響。,55,二、梁體開裂斜裂縫,不考慮橫向應(yīng)力的影響，必然使計(jì)算的主拉應(yīng)力值偏小。正如蘇通大橋副橋連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)一文所說，“經(jīng)計(jì)算分析，箱梁的橫向荷載對腹板產(chǎn)生的效應(yīng)很大。考慮此項(xiàng)效應(yīng)的主拉應(yīng)力將遠(yuǎn)超出規(guī)范允許值?！?56,二、梁體開裂斜裂縫,日照溫差導(dǎo)致箱梁內(nèi)部全截面受拉,57,產(chǎn)生水平拉應(yīng)力,二、梁體開裂斜裂縫,跨中張拉后期索導(dǎo)致腹板受拉、底板受彎,58,二、梁體開裂斜裂縫,此外，由于采用箱形截面，扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變也會(huì)使腹板中的剪應(yīng)力加大，從而增大主拉應(yīng)力。 因此，應(yīng)該按三維進(jìn)行分析。過去大跨徑梁橋出現(xiàn)較多斜裂縫，重要原因之一是與設(shè)計(jì)上對主拉應(yīng)力估計(jì)不足

18、有關(guān)。,59,二、梁體開裂斜裂縫,3、腹板偏薄，配置普通鋼筋偏少。,4、豎向預(yù)應(yīng)力施工操作不規(guī)范，誤差大，有效預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重不足，特別是采用精扎螺紋鋼，有的豎向預(yù)應(yīng)力筋甚至松動(dòng)，根本沒有張拉力。,60,二、梁體開裂斜裂縫,預(yù)防對策：,1、保證有足夠的斜截面強(qiáng)度。 2、采用三維分析箱梁的主拉應(yīng)力，不要漏項(xiàng)。 3、必須配置彎起束，同時(shí)也應(yīng)配置豎向預(yù)應(yīng)力束。必須充分考慮預(yù)應(yīng)力損失。對豎向預(yù)應(yīng)力束，應(yīng)采用二次或多次張拉，確保其有效預(yù)應(yīng)力。,61,二、梁體開裂斜裂縫,新型二次張拉低回縮預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固體系用于豎向預(yù)應(yīng)力，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于精軋螺紋鋼。,62,4.適當(dāng)增加腹板特別是根部區(qū)段腹板的厚度及其普通鋼筋含量

19、，加密箍筋，即便開裂也可將裂縫控制在較小的范圍內(nèi)。,二、梁體開裂斜裂縫,63,二、梁體開裂縱向裂縫,（二）、縱向裂縫,縱向裂縫是與橋軸方向平行的裂縫，較多地出現(xiàn)在頂?shù)装?，也是出現(xiàn)很多的一種裂縫。除因未設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力而在頂板下緣出現(xiàn)規(guī)范允許寬度的縱向裂縫外，還存在下列原因：,64,二、梁體開裂縱向裂縫,1、超載 在大跨徑橋梁中，超載特別是超重車軸荷載的作用，對橫向的影響比縱向更大，這是因?yàn)榭v向彎矩中，自重占絕大部分；而橫向彎矩，主要由活載引起，軸重超過規(guī)范時(shí)，易出現(xiàn)頂板下緣的縱向裂縫。,65,二、梁體開裂縱向裂縫,2、溫差應(yīng)力估計(jì)過小,我國過去的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，對溫差應(yīng)力，僅規(guī)定了翼緣與梁體的其他

20、部位有5的溫差。這樣的溫差偏小，與實(shí)際情況嚴(yán)重不符！不安全。根據(jù)國內(nèi)外的研究，對于箱梁，溫差應(yīng)力可以接近甚至超過活載的應(yīng)力。英國、新西蘭規(guī)范規(guī)定的溫度梯度，比我國大很多。這也是出現(xiàn)縱向裂縫的原因之一。,66,二、梁體開裂縱向裂縫,現(xiàn)行公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范中已規(guī)定了比過去大得多的溫度梯度。這個(gè)問題可望得到解決。,67,二、梁體開裂縱向裂縫,3、收縮引起的裂縫,雙壁墩身建成后相當(dāng)長時(shí)間，才建墩上梁的0號(hào)塊。由于墩身橫向收縮已大部分完成，而0號(hào)塊橫向收縮受到墩身約束，導(dǎo)致底板中部出現(xiàn)裂縫。 在0號(hào)塊建成后相當(dāng)長時(shí)間，再建1號(hào)塊，也會(huì)因收縮差而出現(xiàn)縱向裂縫。 因此，節(jié)段澆筑時(shí)間間隔不要過長，截面配筋要考慮收縮影響。,68,二、梁體開裂縱向裂縫,4、支座反力的影響,大跨徑連續(xù)梁，支座反力很大，反力由腹板傳至墩頂?？臻g分析可以發(fā)現(xiàn)，此處箱梁的橫向拉應(yīng)力特別大，應(yīng)根據(jù)施工階段反力的大小，分級(jí)施加。如不采取此措施，頂板上緣肯定出現(xiàn)裂縫。,支座反力,橫向拉應(yīng)力很大,69,二、梁體開裂縱向裂縫,5、支座形式,墩上正確的橫向支座布置，應(yīng)該是一個(gè)固定，一個(gè)滑動(dòng)，才可避免因溫度、收縮或活載作用時(shí)出現(xiàn)縱向裂縫。但有的設(shè)計(jì)，很注意縱向支座的固定或滑動(dòng)類型，這是正確的；但不注意橫向，往往把橫向兩個(gè)支座都布置成固定的，在荷載、溫度、收縮的作用下很容易導(dǎo)致開裂