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钢管混凝土系杆拱桥设计和施工关键技术钢管混凝土系杆拱桥设计和施工关键技术吴文清教授吴文清教授东南大学交通学院桥梁工程系2013/07/03主要讲座内容主要讲座内容Á钢管混凝土系杆拱桥的构造及其常见病害实例钢管混凝土系杆拱桥设计对于吊杆的思考Á钢管混凝土系杆拱桥设计-对于吊杆的思考Á钢管混凝土系杆拱桥施工若干关键技术Á钢管混凝土系杆拱桥施工若干关键技术钢管混凝土系杆拱桥的构造及其常见病害实例系杆拱桥是由拱肋系杆(梁)吊杆(立柱)等钢管混凝土系杆拱桥的构造及其常见病害实例系杆拱桥是由拱肋、系杆(梁)、吊杆(立柱)等协同工作的组合结构体系,以系杆(梁)部分或完全承受拱脚的水平推力为主要特征是一种完全承受拱脚的水平推力为主要特征,是种具有良好发展前景的大跨度桥梁结构形式。特点：1集拱梁优点于一身特点：1、集拱、梁优点于身2、系杆建筑高度小4结构刚度大变形小4、结构刚度大，变形小5、外形美观分类分类：按行车道板位置分为：上承式、中承式、半中承式和下承式承式和下承式。上承式系杆拱桥中承式系杆拱桥下承式系杆拱桥矛盾凸显矛盾凸显在段历史时间内系杆拱桥可以和连续梁桥相媲Á在一段历史时间内，系杆拱桥可以和连续梁桥相媲美，成为桥梁设计中优先考虑的方案之一。可是近年来系杆拱桥的竞争力已经明显呈下降趋势Á可是近年来系杆拱桥的竞争力已经明显呈下降趋势，其问题的关键主要是在于吊杆脆断事故。90年代以来国内因吊杆骤然断裂引起整体结构破坏Á90年代以来国内因吊杆骤然断裂引起整体结构破坏的事例已发生多起。其次是目前使用的吊杆寿命太短，一般仅为3～16年，很少有超过20年的，为当短，般仅为316年，很少有超过20年的，为当前桥梁设计寿命（100年）的1/5左右。Á在全桥的设计寿命范围以内，吊杆要进行多次拆换，Á在全桥的设计寿命范围以内，吊杆要进行多次拆换，既严重影响交通，又带来一定的风险，经济上浪费极大，故对系杆拱桥中吊杆的革新已迫在眉睫。薄弱环节-吊杆Á大量实例表明，吊杆由于锈蚀、断丝病害相当普遍与严重，已经导致部分桥梁不得不提前进行维修经导致部分桥梁不得不提前进行维修。Á从工艺上而言，我国目前还没有完全解决吊杆的防水防腐工艺，吊杆防腐层往往在达到设计使用寿命前就老化破坏。Á在设计计算理论上，我国还没有完全认识短吊杆在桥面水平力Á在设计计算理论上，我国还没有完全认识短吊杆在桥面水平力作用下的响应机理，因而短吊索经常出现疲劳与腐蚀双重作用而提前损坏而提前损坏。Á系杆拱桥中，吊杆是与拱肋、系杆同等重要的杆件，可是其使用寿命却远远短于拱桥的设计寿命，严重的可造成断索毁桥，行成重大的伤亡事故，系杆拱桥也因此而失去它往日的光彩。行成重大的伤亡事故，系杆拱桥也因此而失去它往日的光彩。宜宾小南门桥宜宾小南门桥Á2001年11月7日的凌晨，川南宜宾地区跨度24Om的小南门大桥北端第一对短吊杆先断裂长约10m的行车道板一辆大桥北端第一对短吊杆先断裂，长约10m的行车道板一辆公交大巴和一辆中巴先后坠入江中，造成2死1伤。而在数分钟后，南侧3对短吊杆也相继拉断，长约20m的行车道板分钟后，南侧3对短吊杆也相继拉断，长约20m的行车道板掉入江中。Á事后调查分析，该桥有17对竖直单吊杆，XM15-21型锚具，采用硫磺砂浆填充，设计的安全系数为2.4。吊杆被严重锈蚀，全部断口发生在吊杆下部与桥道的结合处，其中有40%钢丝是旧断口40%钢丝是旧断口。重庆綦江彩虹桥重庆綦江彩虹桥Á彩虹桥始建于1994年11月5日，竣工于1996年2月16日，垮塌于1999年1月4日，建设工年月日垮塌于年月日建设期1年零102天，使用寿命仅两年零222天。重庆綦江彩虹桥的破坏原因分析重庆綦江彩虹桥的破坏原因分析是工程质量问题彩虹桥的主要受力拱架钢Á一是工程质量问题：彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；吊杆、锚具和锚垫板严重锈蚀。板严重锈蚀Á二是工程承发包不合法：到８日止，事故调查Á二是工程承发包不合法：到８日止，事故调查组找不到工程设计专用章，设计手续不全，实际上是私人设计。施工承包者是一个挂靠国有的个体业主其组织的施队伍不具备进行市的个体业主，其组织的施工队伍不具备进行市政工程建设的技术力量和设备，不具有合法的市政工程施工资质市政工程施工资质。2007年5月13日凌晨，江苏常州境内的运村大桥(1997年10月建成；主跨52.8米下承式系杆拱)由于汽车超重又快速导致桥梁振动加剧由北向南发生坍塌式系杆拱),由于汽车超重又快速，导致桥梁振动加剧，由北向南发生坍塌.武夷山公馆大桥Á2011年7月14日近9时，武夷山公馆大桥北端突然垮塌，导致桥上一辆旅游大Á2011年7月14日近9时，武夷山公馆大桥北端突然垮塌，导致桥上辆旅游大巴车坠桥，驾驶员当场死亡，22名乘客受伤。省交通厅已派调查组赶往现场调查事故原因，据某业内专家分析，此次坍塌原因很可能是因为吊杆腐蚀断调查事故原因，据某业内专家分析，此次坍塌原因很可能是因为吊杆腐蚀断裂。原因分析Á武夷山市委通报，事故调查专家组通过现场勘查、查阅相关资料，对事故原因形成初步意见：事故原因形成初步意见：Á一是严重超载超限车辆是造成桥梁破坏的主要原因该桥设计荷载为Á是严重超载超限车辆是造成桥梁破坏的主要原因。该桥设计荷载为汽－２０、挂－１００。当桥梁出现超过设计荷载或多部超载车上桥时，将对吊杆产生强度破坏或疲劳损伤，长期超载运行昀终导致破坏。时将对吊杆产强度破坏或疲劳损伤长期超载行昀终导致破坏Á二是该桥建于上世纪９０年代，通车12年多，吊杆密封、防腐工艺较Á是该桥建于上世纪０年代，通车12年多，吊杆密封、防腐工艺较差，同时无法通过常规检查了解吊杆内部锈蚀程度与工作状况，经过１０多年的使用，难以判断吊杆承载能力能否满足原设计要求。新疆库尔勒段孔雀河大桥2011年4月12日凌晨5时30分左右国道314线新疆库尔勒段孔雀河大桥部分2011年4月12日凌晨5时30分左右国道314线新疆库尔勒段孔雀河大桥部分桥面垮塌，这是一座仅仅使用了13年的国道大桥。这是314国道跨越孔雀河的一座重要桥梁。据现场目击者报告，事故发生这是314国道跨越孔雀河的座重要桥梁。据现场目击者报告，事故发生后，有关部门立即到场组织搜救，暂未发现人员伤亡、未见车辆坠河。锚头漏水锚头漏水吊杆锚头渗漏水、锈蚀防尘罩坠落蚀，防尘罩坠落系杆拱桥病害这些事故强烈地震惊了工程界引起人们的高度重视系杆拱桥病害Á这些事故强烈地震惊了工程界，引起人们的高度重视。拱桥的吊杆修复更换以及斜拉桥拉索的换拆都会造成巨大的经济损失，其费用通常都超过原桥的总造价，而不仅仅是拉索或者吊杆的造价!所以研究吊杆系统的载仅仅是拉索或者吊杆的造价!所以，研究吊杆系统的载荷行为、安全度、设计理论、寿命预测、健康诊断以及更换方法具有深刻的意义。Á以上系杆拱桥坍塌例子表明设计和施工控制不当，锚具选型不合适与防护不足将导致系杆拱吊杆与系杆预应选型不合适与防护不足，将导致系杆拱吊杆与系杆预应力筋锈蚀、滑丝，使预应力筋预应力不足以发挥作用，从而产生安全隐患，昀终导致倒塌。Á所以，可以认为：系杆拱桥的吊杆脆断是该类桥梁的等号杀手设计和施工新型的吊杆尤为迫切和重要号杀手，设计和施工新型的吊杆尤为迫切和重要。一、关于吊杆，重点谈5大问题1拱的短吊杆结构行为研究1.拱的短吊杆结构行为研究由于拱的矢高变化使吊杆长短不某些中承Á由于拱的矢高变化使吊杆长短不一，某些中承式拱桥发生的桥面坍垮事故就是因为短吊杆的破坏因此必须研究短吊杆的构造力学行破坏，因此，必须研究短吊杆的构造、力学行为，揭示其破坏机理，优化吊杆的设计，以此推动中下承式拱桥的更好更快发展推动中、下承式拱桥的更好更快发展。短吊杆破坏的力学原因分析短吊杆破坏的力学原因分析Á对短吊杆研究分析表明:Á(l)短吊杆处于高频振动状态Á(l)短吊杆处于高频振动状态À在整体结构振动分析中，吊杆的变形是昀大的，是拱肋和立柱的变形的几倍甚至几十倍是拱肋和立柱的变形的几倍甚至几十倍。À而且在同样荷载作用下，短吊杆受动荷载冲击影响比长吊杆也要大很多有时甚至在两倍以影响比长吊杆也要大很多，有时甚至在两倍以上，这些会导致应力幅增大，抗疲劳能力随之下降高频振动状态对短吊杆的受力非常不利下降。高频振动状态对短吊杆的受力非常不利。Á(2)短吊杆受力比较复杂À在跨中吊杆长度较长只有在桥面与拱肋交接处附À在跨中吊杆长度较长，只有在桥面与拱肋交接处附近，吊杆长度只有几米，该该类吊杆会受到较大的剪力。这是因为上部拱肋由于温度变化以及荷载的作用发生变形桥面随之受到附加拉伸作用发生变形，桥面随之受到附加拉伸。À同时车辆的往返行驶刚度较大的短吊杆下端将更À同时车辆的往返行驶，刚度较大的短吊杆下端将更明显地受到循环冲击作用，为微裂缝的开展提供便利，加速了短吊杆的疲劳破坏。Á(3)桥面不平整和车速影响车辆动态增量À显然在同一座桥中，短吊杆承受的冲击影响力要比长吊杆大得多。À车辆动荷载影响还受汽车过桥速度以及桥面平整度的影响。的影响Á为改善短吊杆的受力情况，确保结构的安全，可以用以下几种方法:Á(1)吊杆长度与固有频率成反比，加长吊杆长度可以有效降低吊杆的固有频率。À通常吊杆长度是指横梁上缘与拱肋底板之间的距离。如果将吊杆下端连接在横梁下缘处而上端连接在拱肋上缘，这样吊杆长度变为横梁下缘与拱肋上缘之间的距离，吊杆固有频率随之下降。Á(2)吊杆面积与固有频率成反比。如果加大短吊杆截面尺寸，其固有频率则降低。À原因是固有频率与拉应力成正比，如截面尺寸加大，索力不变则拉应力减小，固有频率下降。Á(3)改善短吊杆的受力，降低降低其剪切变形。在拱肋与桥面连接处桥面设置伸缩缝:把吊杆下端与横梁的连接方式改为铰结或者半铰结。者半铰结。Á(4)从根本上来说还是要在设计中解决。设计中要考虑吊杆的冲击影响特别是短吊杆放大谱p的取值要相当谨慎击影响，特别是短吊杆，放大谱p的取值要相当谨慎。2吊杆破损分析2.吊杆破损分析分析吊杆的破损原因不难看出导致吊杆破损的Á分析吊杆的破损原因，不难看出导致吊杆破损的一个重要前提就是防护措施的失效。因此防护措施的完整性以及耐久性是整根吊杆的耐久性的根本保证完整性以及耐久性是整根吊杆的耐久性的根本保证。Á防护破损开裂主要有以下几个因素：(l)受交变荷载而导致防护材料变形Á(l)受交变荷载而导致防护材料变形À吊杆在实际工作时，承受的荷载大小不同，内力处于不断变化中，故钢索的伸长量并不固定而是反复变化。不断变化中，故钢索的伸长量并不固定而是反复变化。防护体材料通常是水泥或聚乙烯，这种往复变化对材料的耐久性极为不利，交变荷载的持续作用，会使钢索在与下锚头的连接处产生微小的转角长期作用将索在与下锚头的连接处产生微小的转角，长期作用将使此处的密封措施失效，吊杆失去有效防护，腐蚀不可避免。可避免Á(2)钢索松弛而导致防护材料变形À一般吊杆钢索都长期受到张拉力的作用，由于材料徐变特性，吊杆会发生缓慢的蠕变，即所谓的松弛钢索伸长吊杆防护材料因为受拉谓的松弛。钢索伸长，吊杆防护材料因为受拉而产生裂缝。Á(3)防护材料自身收缩À水泥在就有收缩徐变的特性，而且水泥抗拉强度极低。这导致套管压灌水泥浆的防护较容易开裂所以设计以及施中采用对吊杆内水泥开裂，所以设计以及施工中采用对吊杆内水泥浆进行预压来防止开裂，但效果不太理想。聚乙烯材料的自身收缩也可能导致套管发生环状乙烯材料的自身收缩也可能导致套管发生环状断裂Á(4)防护材料的老化À老化是不可避免的材料特性工程上只能通过各种À老化是不可避免的材料特性，工程上只能通过各种方法延缓老化而不能够避免老化。聚乙烯护套在紫外线照射下寿命一般在十几年左右，工程上加入碳黑以延缓老化，但在服役10年以后聚乙烯护套总会出现网状裂纹。即使外缠聚乙烯带等以加强抗老化能力护套也会由于其它原因而不等聚乙烯老化就能力，护套也会由于其它原因而不等聚乙烯老化就发生开裂。(5)温度变化导致防护材料变形Á(5)温度变化导致防护材料