《bo钢筋混凝土坦板拱桥检测及加固技术的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《bo钢筋混凝土坦板拱桥检测及加固技术的研究.doc（53页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、Thesis Submitted toHebei University of TechnologyForThe Master of Engineering Degree of Architectural and Civil EngineeringSTUDY ON TESTING AND STRENGTHENING INREINFORCED CONCRETE FLAT PLATE ARCH BRIDGEByShiSupervisor：QiaoProf. Song WaliProf. Meng GuangwenSeptember 20112原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导
2、下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：2011 年 9月 2 日关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的
3、阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：日期：2011 年 9 月 2 日日期：2011 年 10 月 8 日河北工业大学工程硕士学位论文钢筋混凝土坦板拱桥检测及加固技术研究摘 要本文以清河桥为工程背景，对钢筋混凝土坦板拱进行力学分析，由拱轴线的坐标及各截面的几何特性，建立力学计算模型；对桥梁结构进行表观检查和荷载试验，分析各工况下的力学模型的理论值，并将其与实测值比较，得到校验系数等参数；根据加固前的复核计算及加固
4、前的荷载试验结果提出该桥的加固方案。通过对对钢筋混凝土坦板拱检测与加固研究，给出了可获得控制截面最大加荷效率的测点布置和加载方案；拱桥结构采用增大截面法加固后，分析了恒载、汽车、温度及墩台位移对结构的影响。对加固后结构，根据新老结构层在工程实际中的受力特点，对结构进行承载能力极限状态计算。增大截面法是一种有效的桥梁加固改造方法，具有施工简便、工期短、经济性较好等优点，而目可大幅提高结构的承载能力、改善各拱肋间的荷载横向分布情况。本论文对同类型桥梁的检测与加固改造具有一定的参考价值。关键词：钢筋混凝土，拱桥，检测，加固i钢筋混凝土坦板拱检测及加固技术研究STUDY ON TESTING AND
5、STRENGTHENING INREINFORCED CONCRETE FLAT PLATE ARCH BRIDGEABSTRACTThis paper take the Qinghe bridge as the engineering background, make mechanicalanalysis to reinforced concrete flat plate arch bridge, the mechanics computation model wasestablished by analysing the arch axis coordinates and the geom
6、etric properties of each crosssections; the measured values was get by making visual examination and loading experimentto the bridge structure, and compared with the theoretical values of each cases, calibrationcoefficient and other parameters were obtained; this bridges reinforcement plan was raise
7、d byre-check calculation and the test results of the loading experiment before the reinforcement.Based on the technical study, the measuring point arrangement and loading plan ofobtaining the maximum loading efficiency in the control section was obtained. The dead loadin arch bridge structure genera
8、lly increases after reinforcement by augmented section method,so it is necessary to analyze internal force induced by the vehicle, temperature andsedimentation of abutment in its the least unfavorable case. According to the new and oldstructure layer mechanical properties in real project, the reinfo
9、rced structure must becalculated in ultimate limit states. Augmented section method is an effective bridgereinforcement and reconstruction methods, it has the advantages of easy and convenientconstruction, short construction period, better economy, etc., and it can significantly increasethe carrying
10、 capacity of the structure, improve the transverse distribution of load betweeneach arch rib. This paper has certain reference value to the same type bridges test andstrengthening.KEYWORD: reinforced concrete, arch bridge, testing, strengtheningii河北工业大学工程硕士学位论文目录第一章 绪论 . 11-11-2问题的提出. 1研究现状. 11-3 研究
11、内容与方法. 4第二章 工程概况 . 52-1 上部结构 . 52-2 下部结构 . 8第三章 桥梁表观检查和荷载试验结果分析 . 113-1 试验概况 . 113-2 桥梁结构表观检查及混凝土强度评定. 123-3 荷载试验测点布置及加载方案. 123-4试验结果及理论分析. 18第四章 桥梁结构加固设计. 254-1 既有桥梁结构主拱圈几何特性的计算. 254-2 维修加固设计方案. 264-3 截面内力、位移影响线的计算. 264-4 加固结构验算. 284-5 桩基承载力验算. 41第五章 结论与建议 . 44参考文献 . 47致 谢 . 48iii河北工业大学工程硕士学位论文第一章
12、绪论1-1问题的提出随着经济建设的发展，交通量的不断增加，超载超限现象的加剧，其自重轻、拱肋刚度小、横向联系弱，拱上结构不能共同作用点也暴露无遗，这大大降低了桥梁结构的安全系数和使用耐久性，严重时将直接导致结构的破坏、垮塌，造成严重后果。在宽浅河槽上修建了许多二铰钢筋混凝土箱型坦板拱桥，我国现存此类拱桥的总长约 2 万多米，仅河北、山西、山东两省现存 50 余座。由于交通量的增加以及结构本身的缺陷，这种桥都发生了不同程度的损坏，有些甚至不能使用。混凝土箱型板拱桥,可以用较小的截面积获得较大的截面抵抗矩,减轻了拱桥的自重,多用于大、中跨径的拱桥。但箱肋拱桥的结构整体性较差,各拱肋间的横向不均匀变
13、形较大,从而使梁式拱上建筑破坏较为严重；另外,拱肋的箱壁较薄,承载能力的富余不大,在超载作用下,拱肋开裂严重。拱肋开裂、拱上建筑易于破坏是该类拱桥的通病,寻找一种行之有效并兼顾施工和社会经济效益的箱肋拱桥加固方法是值得探讨的课题本课题以清河桥为工程背景，对钢筋混凝土坦板拱进行病害调查及病害原因的分析，对其检测与加固技术进行研究。清河桥始建于 1988 年，钢筋混凝土变截面两铰板拱，标准跨径 10m，矢跨比为 1/250，全桥 16 孔，桥宽：7m，主拱圈截面形式为五室箱形，设计荷载汽15 级。1-2研究现状1.2.1 拱桥的受力体系拱桥将桥面的竖向荷载转化为部分水平推力，使拱的弯距大大减小，拱
14、主要承受压力，充分发挥圬工材料抗压性能。拱桥的优点为（1）具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；（2）构造较简单，受力明确简洁；（3）形式多样、外型美观。拱桥的缺点为：（1）有水平推力的拱桥，对地基基础要求较高，多孔连续拱桥互相影响；（2）跨径较大时，自重较大，对施工工艺等要求较高；（3）建筑高度较高，对稳定不利。拱式桥跨结构按照静力图式可以分为 2 种类型。（1）拱桥按桥面布置在桥跨结构的上面或下面，可以分成上承式的、下承式的(无系杆拱)或中承式的(见图 1.1)，均为有推力拱。1钢筋混凝土坦板拱检测及加固技术研究图 1.1 上承式、下承式和中承式拱桥Fig 1.1 Deck
15、,through and half-through arch bridge在简单体系的拱桥中，上承式拱桥的拱上建筑或中、下承式拱桥的拱下悬吊结构(统称为行车道系结构)，不与主拱一起承受荷载。桥上的全部荷载由主拱单独承受，它们是桥跨结构的主要承重构件。拱的水平推力直接由墩台或基础承受。按照主拱的静力特点，拱桥又可以分成如下的三种，见图 1.2三铰拱属外部静定结构。由于温度变化、支座沉陷等原因引起的变形不会在拱内产生附加内力，计算时无需考虑体系弹性变形对内力的影响。当地基条件不良，又需要采用拱式桥梁时，可以采用三铰拱。但由于铰的存在，使其构造复杂，施工较困难，维护费用增高。而且，减小了结构的整体刚
16、度，降低了抗震能力。又由于拱的挠度曲线在顶铰处有转折，对行车不利。因此，三铰拱一般较少采用。国外三铰拱的最大跨径达 107m。我国仅在一些较小跨径的桥上有所采用。公路空腹式拱桥的拱上建筑中的边腹拱，常用三铰拱。两铰拱属外部一次超静定结构。由于取消了拱顶铰，使结构整体刚度较三铰拱大。在墩台基础可能发生位移的情况下或坦拱中采用，较之无铰拱可以减小基础位移、温度变化、混凝土收缩和徐变等引起的附加内力。目前，世界最大跨径的两铰拱桥是日本的外津桥，跨径 170m。无铰拱属外部三次超静定结构。在自重及外荷载作用下，拱内的弯矩分布比两铰拱均匀，材料用量省。由于无铰，结构的整体刚度大，构造简单，施工方便，维护
17、费用少，因此在实际中使用最广泛。但由于无铰拱的超静定次数高，温度变化、材料收缩、结构变形、特别是墩台位移会在拱内产生较大的附加内力，所以无铰拱一般希望修建在地基良好的条件下，这使它的使用范围受到一定限制。不过，随着跨径的增大，附加内力的影响要相对地减小，因而无铰拱仍是国内外拱桥上采用最多的一种构造型式。世界最大跨径已达 420m。2河北工业大学工程硕士学位论文图 1.2 三铰拱、两铰拱和无铰拱拱桥Fig 1.2 Three-hinged arch bridge, two-hinged arch bridge and hingless arch bridge（2）组合体系（有无推力）：刚架拱桥、
18、桁架拱桥、桁式组合拱桥、梁拱组合桥、系杆拱桥（按拱肋及系杆的尺寸，柔性、刚性）。1.2.1 拱桥检测加固的研究现状自上世纪 80 年代起，一些工业发达国家，对既有桥梁的养护维修、鉴定评估和加固改造工程就已开始受到重视，并建立了国际性的专门研究机构，同时出现了不少相关会议论文集和专题研究报告。在我国，许多省市也都在开展这方面的工作，并取得了较好的成效。交通部从 1983 年以来，着重开展了旧桥的测试、承载能力的评定以及加固方法等科研工作，并召开了研究协作与交流会议。针对我国公路桥梁在超载运输车辆过桥时承载力的评定和对承载力不足桥梁的加固，已有不少初步研究成果和成功实例，其中加固方法多数属于桥梁的
19、永久性加固，但也有一些临时性的加固措施，发挥了很好的作用，产生了很大的经济效益。1988 年，交通部曾颁布了“公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）”，该方法采用调查和结构检算，必要时再进行荷载试验的方法对桥梁进行承载能力鉴定。这一方法在过去的十多年中，对我国的桥梁承载能力鉴定起到了重要的指导意义。方法中对桥梁的调查主要针对桥梁表观质量状况进行，并据此专家经验性地给出检算系数（Z1），用于结构检算分析。随着桥梁检测技术的发展应用，大量的桥梁检测数据如何应用到桥梁承载能力评定工作中，依据“公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）”是无法实施的。1999 年，交通部决定在1988 年试行方法的基础上，修订编制公
20、路桥梁承载能力检测评定规程，规程与方法相比，在桥梁调查与检测、在桥梁结构检算、桥梁荷载试验等方面进行了改进。钢筋混凝土拱桥加固、改造和维修是一项复杂的系统工程，不同形式、不同的使用环境和不同病害使得加固维修技术也不尽相同，针对钢筋混凝土肋拱桥加固也提出了一些现实可行的加固技术和方法。增大截面法当承载构件的强度、刚度和耐久性等不满足要求时，通常可采用增大构件截面的加固方法使之3钢筋混凝土坦板拱检测及加固技术研究满足正常运营要求。实践中可以选择多种方法来实现截面增大的目的，其中以现浇钢筋混凝土加固拱背和拱腹加固效果最为显著。2002 年由重庆市对成渝高速一主跨 80m 钢筋混凝土箱型双肋拱桥一一獭
21、溪河大桥进行了加固处治。针对该桥拱肋强度不足的问题，根据拱肋各部分受力不同，采用拱背现浇变截面钢筋混凝土加固拱肋，增强拱脚上缘的抗拉能力。拱顶实腹段整体浇注其桥面板及垫墙，并与拱圈形成整体。钢筋混凝土套箍加固拱脚技术钢筋混凝土套箍封闭加固拱脚技术主要通过在原拱肋上植筋，拱肋截面布置纵横向钢筋网，然后采用现浇钢筋混凝土对原结构予以增强，它主要从套箍效应机理、增大截面机理和断裂力学机理三个方面进行了加固技术分析，其关键是保证新老结构的联接效果。该技术在桥梁加固中的可行性、有效性已得到验证，并且已充分运用到工程实践中。粘贴钢板或碳纤维加固技术粘贴技术一般采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板、钢筋、玻璃钢、
22、碳纤维等抗拉强度高的材料粘贴在拱顶拱腹表面，使之与结构物形成整体，从而达到提高拱腹的抗弯拉强度、抑制裂缝扩展的目的。根据粘贴材料种类，粘贴技术分为粘贴钢板技术，粘贴钢筋技术，粘贴碳纤维技术和粘贴玻璃钢技术。粘贴技术具有与结构物粘附性能较好、加工成型容易、用料量少、锚固牢靠方便、加固效果明显等特点。广西桂柳高速公路上的五里大桥系位于一座双幅分离式等截面悬链线钢筋混凝土箱肋拱桥，经过了近十年的营运使用该桥也出现了主拱圈横裂缝、横系梁斜裂缝以及立柱和盖梁开裂等病害。经过专家充分论证，确定采用在拱顶拱腹段和盖梁底部粘贴钢板提高截面的抗拉能力。增强或增设横系梁肋拱桥的横系梁主要起到加强拱肋横向联系，分配
23、拱肋荷载的作用，在工程实践中一般的加固改造方式为加大横系梁的截面尺寸，增强横系梁的配筋，增强横系梁的刚度来改善拱肋的受力状态。在双曲拱桥中，也有采用增设横向拉杆或横向钢板以增强拱肋的横向联系来达到上述目的。高压灌浆封闭裂缝技术高压灌浆方法的要点在于将裂缝封闭构成一个密闭的空腔，从而达到防止水汽和有害气体等侵入、提高结构耐久性的目的。1-3 研究内容与方法本论文的研究内容及方法为：（1）钢筋混凝土坦板拱的力学分析对钢筋混凝土坦板拱进行力学分析，建立力学计算模型，得出拱轴线的坐标及各截面的几何特性，为桥梁的检测与加固提供理论依据。（2） 钢筋混凝土坦板拱的检测方法研究制订钢筋混凝土坦板拱的检测方案
24、，对桥梁结构进行荷载试验。了解桥梁在原设计荷载作用下的承载能力和使用状况，为加固设计提供依据；根据各工况下的实测挠度，计算各工况下的力学模型的理论值，将实测挠度值与理论计算值比较，得到校验系数为加固方案设计提供依据。（3）提出加固方案根据加固前的复核计算及加固前的荷载试验结果提出该桥的加固方案，并针对加固方案进行承载力计算。4河北工业大学工程硕士学位论文。第二章 工程概况2-1 上部结构清河桥的上部结构为变截面钢筋混凝土箱形拱桥，拱圈与拱座采用平铰，将拱圈与拱座两构件平面直接抵承，其间铺一层低标号砂浆，结构形式为两铰拱，设计荷载汽-15。（1）净跨径：10m；（2）桥墩间中心距：10.512m
25、：（3）矢跨比:40/1000=1/250。（4）桥孔数全桥 16 孔，由于河道变迁，变窄，两侧路堤压缩桥梁 7 孔，现河道内桥孔数 9 孔。（5）桥梁宽度始建桥宽 4m，经 1990 年加铺 11cm 桥面铺装后桥宽为 4.4m。（6）拱圈钢筋混凝土变截面板拱，材料 M-200；水平方向的长度为 10.112m（图 2.1）；主拱圈截面形式：箱形，共 5 个箱室，拱顶截面高 35cm，拱脚截面高 75cm（图 2.2），拱脚有 44.4cm 的实心段；拱腹坐标见表 2.1。表2.1拱腹坐标（半拱）Table 2.1 Soffit coordinates (half-arch)结点X1(cm)
26、Y1(cm)拱脚L/4拱顶123456789101105010015020025030035040045050007.414.218.923.630.133.536.438.439.640拱轴线坐标见表 2.2，计算图式见图 2.3；5钢筋混凝土坦板拱检测及加固技术研究6图 2.1主拱圈立面Fig 2.1Facade of the main arch ring河北工业大学工程硕士学位论文图 2.2 主拱圈截面Fig. 2.2 Main arch ring cross-section表2.2 拱轴线坐标（半拱，拱脚截面为坐标原点）Table 2.2 Arch axis coordinates (
27、half-arch, arch springing section defined as the origin of coordinates)结点X(cm)Y(cm)拱脚L/4拱顶123456789101105010015020025030035040045050003.77.19.4511.815.0516.7518.219.219.8207钢筋混凝土坦板拱检测及加固技术研究图 2.3 拱圈与拱座采用平铰结构形式为两铰拱Fig. 2.3 Two-hinged arch formed by Arch ring and abutment with flat hinge structure（7）桥
28、面铺装桥面铺装厚度 11cm，铺设8 钢筋 20cm20 cm 钢筋网，加宽部分12 间距为 20cm 长度 50cm的横向钢筋（图 2.4）。图 2.4 1990 年加铺 11cm 桥面铺装Fig. 2.4 Deck pavement paved in 19902-2 下部结构(1) 1974 年下部结构下部结构为钢筋混凝土桩柱式桥墩（台），帽梁为 200 号混凝土，横桥向桩中心距 2.6m；桩柱170 号混凝土，桩径 60cm，桩长 9.3m，经过 30 多年的河床演变，河床下切，1 号墩柱（河滩位置）的外露高度 2.5m，入土深度 9.65m，2 号墩柱（河槽位置）的外露高度 4.2m，
29、入土深度 8.15m；柱径 50cm，柱长 2.85m，柱柱总长 12.15m，桥墩双桩，桥台 4 根桩，顺桥向桩中心距 1.6m。(2) 1990 年下部结构加固该桥下部结构在 1990 年，自柱顶 3m 柱穿裙加固（C25），柱径加大到 70cm，增加 1216（二级筋）；其下 2.25m 范围采取穿裙（C25）加固，桩径加大到 80cm，增加 1216（二级筋）；自桩底8河北工业大学工程硕士学位论文以上 6.9m 范围桩径仍为 60cm（图 2.5）。（3）河床冲刷演变测试期间，正值上游泄洪，桥墩周围形成漩涡，局部冲刷，地面线距柱顶约 4.5m，原设计为 3m（图 1-7），桩的入土深度
30、减少了 1.5m。图 2.5墩柱一般构造图（阴影部分为桩柱外包混凝土，单位：cm）Fig 2.5 Pier general structural map (shaded area as the concrete piles outsurroundng, unit: cm)(4) 拱座拱座横桥向变高度，桥中心线处拱座高 85cm，桩位置拱座高 105cm（图 2.6）。9钢筋混凝土坦板拱检测及加固技术研究图 2.6 拱座尺寸Fig 2.6 Abutment size10河北工业大学工程硕士学位论文第三章 桥梁表观检查和荷载试验结果分析3-1 试验概况3.1.1 试验目的通过清河桥表观检查和荷载试
31、验，按设计荷载汽15 逐级级加载，验证该桥上、下部结构的承载能力，判断该桥上、下部结构可通行车辆的荷载等级，为加固设计提供依据。3.1.2 检测工作流程清河桥结构检测工作流程图见图 3.1。初步调查确定检测方案表观病害调查无损检测荷载试验结构承载评估检测报告图 3.1 检测工作流程Fig 3.1 Testing workflow3.1.3 构件编号为了便于现场检测和报告编制时对构件进行区分和描述，准确记录病害的位置，在检测实施前对桥梁下部结构进行编号，各构件编号方法见表 3.1。11钢筋混凝土坦板拱检测及加固技术研究表 3.1 构件编号方法Table 3.1 Component numberi
32、ng measures构件名称桥孔桥墩箱形拱肋编号方法河道内桥孔自东至西依次为 1 号孔，2 号孔，河道内桥孔自东至西依次为 0 号墩，1 号墩，自南向北（下游到上游）依次为 1 号肋，2 号肋，6 号肋，3.1.4 试验内容(1)对桥梁的上、下部结构进行病害调查,(2)拱轴线量测；(3)采用回弹仪对混凝土强度进行检测；(4)静载实验通过车辆进行分级加载，观测各级荷载作用下，拱圈控制截面的位移和应变；通过车辆进行分级加载，观测各级荷载作用下，桩基的沉降量；通过车辆进行分级加载，观测各级荷载作用下，帽梁的位移及应变值；3.1.5 试验仪器本次检测使用的主要仪器有：回弹仪、百分表、位移计、放大镜、
33、读数显微镜、静态应变测试系统等。3-2 桥梁结构表观检查及混凝土强度评定3.2.1 桥梁结构表观检查主拱圈在第 2、3、6、7 孔箱形拱的底板与梁肋结合面处裂缝，部分主拱圈底板出现横向裂缝，缝宽 24mm。墩柱混凝土出现蜂窝麻面，混凝土盖梁在墩柱根部附近网裂，最大缝宽 4mm，。桥面铺装在墩顶两平铰位置上方伸缩缝之间（间距 40cm），混凝土碎裂。3.2.2 回弹法检测混凝土强度通过回弹法检测混凝土强度如下（1）拱圈混凝土主拱圈混凝土强度为 C34.1，见附表 1，经混凝土抗压强度换算值龄期修正后为 C27.9。（2）墩柱的混凝土外包墩柱的混凝土强度为 C24.8,见附表 2，经修正后 C20.3。3-3 荷载试验测点布置及加载方案3.3.1 荷载实验测试孔的选取根据桥的现状及利于测试进行，测试孔选取东岸相邻 2 孔。3.3