大跨梁式桥的病害与对策

1湖南大学土木工程系桥梁专业桥梁检测及大跨径梁式桥的病害原因与对策报告人：邵旭东教授湖南大学“桥梁与隧道工程”国家重点学科2008年4月21.截止2003年底我国公路桥梁数量及状况共有公路桥梁310773座，12466143延米其中：特大桥2155座，1962614延米，占0.69%大桥17417座，3061688延米，占5.60%中桥63511座，3466413延米，占20.44%小桥227690座，3975428延米，占73.27%至2007年底，我国公路桥梁总数约33万座。我国公路桥梁的基本情况和对试验检测技术的需求3目前国内桥梁存在的问题上世纪50年代后期和60年代桥梁荷载标准低，承载力不足。上世纪8、90年代后修建的桥梁部分出现质量问题，病害严重。截止2006年底，全国查出危桥（第5类）6282座，约占全部桥梁的2%。4近年来的桥梁垮塌事故5１９９９年１月４日晚６时５０分，重庆市綦江县城区一座步行钢管拱桥突然整体垮塌，数十名过桥者随大桥坠入桥下的綦河，造成了严重伤亡事故。这次因工程质量导致的重大责任事故，共造成４０人死亡綦江彩虹桥6宜宾小南门桥主跨240米中承式拱桥，1990年11月建成通车，2001年11月因吊杆严重锈蚀断裂，造成部分桥面跨塌。7辽宁盘锦田庄台大桥大桥桥位于盘锦与营口交界处，连接辽河两岸，桥长500余米，2004年，在80吨的严重超载情况下，使大桥第9孔悬臂端预应力结构瞬间脆性断裂。8苏州堰月桥（2005年4月）甘肃洮河大桥（2006年5月）大桥建造于８０年代中期，距今已有２０年左右的历史。位于甘肃省道306线上,岷县县城以北500米处，始建于1974年,总长200多米，桥宽8米。9山西运煤车超载－60米桥垮塌10凤凰沱江大桥施工时垮塌凤凰沱江大桥－石拱桥112007年广东九江大桥2007年江苏常州公路大桥12美国共有公路桥梁58万座，1967年12月，Ohio州的SilverBridge（悬索桥）跨塌导致46人死亡，使用年限为39年。随后弗罗里达阳光桥因船撞而一幅垮塌，由此引发了对美国58万座公路桥梁的检查，共调查了51.4万座，这些桥中40％以上有不同程度的损伤，98000座桥梁结构强度降低，应停止使用或限载。国外桥梁的现状13I-40Bridge,Oklahoma,US（2002年5月）14美国明尼苏达州密西西比河大桥垮塌2007年8月1日15国外桥梁的现状—日本日本在七、八十年代汽车运输急剧发展，汽车日益大型化、重型化，交通量逐年增加。1956年以前按旧标准设计施工的桥梁，其承载力明显不足。据统计，这类桥梁约有5500座，其中混凝土桥梁约有4500座。16①部分桥梁承载能力偏低；②早期修建的桥梁有相当数量由于设计、施工或结构体系上的弱点，或因老化、衰退而“带病”工作；③八十年代以后修建的不少索结构桥梁，由于当时技术上的限制，普遍出现过早老化、腐蚀现象；④近二十年修建了不少预应力混凝土连续梁和连续钢结构桥普遍出现跨中下挠、梁体开裂等问题；2.对试验检测工作的需求17⑤人工采砂、造田、上游修水库，桥位河床下切，基础深度不足，结构振动过大；⑥沿海桥梁结构耐久性问题；⑦桥梁加固效果的评价。这些问题要通过科学手段、方法加以诊断、评价，以确定对策。18桥梁检查的分类按照检查的范围、深度、方式和检查结果的用途等的不同，大致可归纳为下列三类：经常检查（巡视检查、日常检查）定期检查特殊检查3.目前桥梁养护管理制度19巡视检查是由专家对一条线路或一定区域内的桥梁进行的快速扫视检查；目的是：对所需检查的桥梁的技术状况和主要存在问题形成一个总体印象，以便能对它们进行初步的排序以及为进一步的检查作技术准备。(1)巡视检查20日常检查也叫例行检查或叫经常检查，一般一月一次，由路段检查人员或桥工班或护桥人员进行扫视检查目的是：确保结构功能正常，使结构能得到及时的养护和小修保养或紧急处理，对需要检修和一些重大问题作出报告。(2)日常检查21通常由具有一定检查经验并受过专门桥梁检查培训以及熟悉桥梁设计、施工等方面知识的检查工程师，按照规定周期，对桥梁主体结构及其附属构造物的技术状况进行定期跟踪的全面检查。一般1~5年一次。目的是：通过对结构物进行彻底的、视觉的和系统的检查，建立结构管理和养护档案，对结构的缺损状况作出评估，评定结构构件和整体结构的技术状况，确定改进工作和特别检查之需求，并确定结构维修、加固或更换的优先排序。(3)定期检查22依据检查目的可划分为应急检查和专门检查两种依据检查工作的性质可划分为现场检查和实验室测试分析两大部分从检查方法上可划分为目力检查和简单物理测量方法以及无破损或半破损检查方法(4)特殊检查23（1）对定期检查中难以判明损坏原因和程度的桥梁，有必要使用特殊设备或专门技术对定期检查作补充时（2）在进行复杂和昂贵的维修之前，需查出定期检查中未能发现的损坏情况时，或对要求提高载重等级的桥梁（3）在发生特别事件之后，如洪水灾害、流冰、漂流物和船舶撞击事故、滑坡、地震、风灾及重车过桥等（4）需要使用特殊仪器或需作特别详细记录的检查，拟评定结构实际状况时，如桥梁技术状况为四类者（5）新建工程中出现质量问题时下列情况下需进行特殊检查24大跨径梁式桥的病害原因与对策25目前我国的大跨梁式桥，存在一些较常出现的病害。概括起来，有两大类。即：一、跨中下挠；二、梁体开裂。据统计，跨径80～100m以下的梁桥，病害较少；跨径100～160m的梁桥，病害较多；跨径160m以上的梁桥，病害就更多。概述2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--26--26一、梁体下挠问题--27--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--27--27一、梁体下挠是一个较普遍的现象。主因是由混凝土徐变引起,尤其是大跨径梁式桥。跨中下挠往往与梁体跨中段横向裂缝或大量斜裂缝伴随出现，其下挠可达到相当大的数值，造成严重病害。黄石长江公路大桥跨中下挠，最大已达到33.5cm，当然同时出现大量的主拉应力斜裂缝与跨中区段横向裂缝。--28--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--28--28根据已发表的资料，虎门大桥辅航道桥跨中下挠，02年已达到22cm，与此同时跨中存在一些横向裂缝，及主拉应力斜裂缝。此下挠值已远远超过原设计预留值10cm。最近由于横向裂缝朝腹板发展，下挠值又增大到26cm。一、梁体下挠--29--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--29--29（一）轻型化导致混凝土徐变显著增大由于大跨径梁桥的恒载内力占总内力的80%、甚至90%以上。为减小恒载内力，上世纪90年代过分强调结构的轻型化。跨中下挠的原因分析如下：一、梁体下挠--30--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--30--30板件减薄直接后果:1.由徐变理论可知：箱梁的板件越薄，理论厚度就小，就有较大的徐变系数。2.板件薄，混凝土的应力就高，而徐变变形又与应力正比。一、梁体下挠--31--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--31--31（二）内支点负弯矩预应力筋配置不足设计时仅按上缘混凝土不出现拉应力控制负弯矩预应力筋数量，未充分考虑负弯矩预应力对控制徐变下挠的有利作用。一、梁体下挠--32--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--32--32一、梁体下挠徐变下挠大徐变下挠小只有轴向徐变徐变上拱沿截面高度的压应力分布：--33--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--33--33（三）片面强调缩短施工周期施工单位往往希望缩短施工周期，设计图纸上往往仅标明混凝土强度达到设计强度的80％～90％后，即可张拉预应力，而没有对混凝土的加载龄期提出要求。一、梁体下挠--34--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--34--34早期混凝土弹性模量的增长明显滞后于强度的增长，添加早强剂后，混凝土虽很快达到规定强度要求，但其弹性模量往往仅达到设计值的70%甚至更小。一、梁体下挠--35--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--35--35早期加载，使混凝土徐变增大。由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的混凝土徐变系数终极值可见，3天加载与7天加载比较，徐变系数终极值增加15%～20%。过早加载会不仅使预应力的徐变损失加大，而且使徐变挠度增大。徐变导致的预应力损失是随时间而逐步完成的，因此梁桥的部分下挠是预应力损失产生的恒载挠度。一、梁体下挠--36--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--36--36（四）部分活载也会产生徐变挠度徐变挠度计算只针对恒载。但在繁忙交通的路段上，桥上车流日夜不断，部分活载也实际成了“恒载”，也会产生徐变挠度，导致下挠增大。一、梁体下挠--37--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--37--37（五）施工质量上也存在一些缺陷有的工地上，对进行预应力损失试验重视不够，没认真去做。有试验表明，预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失，比设计采用值大很多，甚至差几倍。这样就会导致有效预应力不足，下挠增大。一、梁体下挠--38--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--38--38梁体在下挠的同时开裂，不论是斜裂缝或横向裂缝，都会导致梁的刚度降低，会使挠度加大，尤其有较严重的斜裂缝和横向裂缝时。一、梁体下挠（六）梁体开裂，挠度加大--39--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--39--39跨中下挠的预防对策：（一）足够的正截面和斜截面强度鉴于跨中下挠往往与横向裂缝与斜裂缝一起发生，相互促进恶化，因此保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度是首要的。计算中要充分考虑徐变的不利影响。一、梁体下挠--40--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--40--40（二）控制负弯矩区域截面的应力梯度一、梁体下挠在梁根部区段，可使悬臂节段的自重完全由预应力抵消。内支点底板厚度宜为跨径的1/140左右。上缘增大压应力（加预应力）下缘减小压应力（增加底板厚度）--41--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--41--41如果梁的正截面和斜截面强度得到保证，而且截面应力梯度小，不会同时出现下挠与开裂。在这样的前提下，只需设较小的预拱度，以抵消预应力徐变损失以及由合龙后混凝土徐变引起的徐变挠度。一、梁体下挠--42--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--42--42（三）连续刚构桥最终合龙主跨前，在两悬臂端施加水平力对顶，然后合龙。不仅有利于减小跨中控制内力，也有利于减小跨中下挠。一、梁体下挠--43--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--43--43一、梁体下挠徐变后徐变前徐变后徐变前三跨连续梁徐变导致内力重分布，负弯矩减小，正弯矩增大。（四）要适当增加底板合龙束，并预留体外备用钢束，防止徐变下挠后底板出现横向裂缝。--44--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--44--44（五）加强施工质量管理混凝土加载龄期至少应在7天以上，强度至少在90％以上。另外采用真空压浆，浆体必须满足泌水性的要求，重视并及早进行工地的预应力损失试验等。一、梁体下挠--45--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--45--45（六）跨中区段结构轻型化一、梁体下挠--46--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--46--46斯托尔马桥(L=301m)，跨中182m为C60轻质陶粒混凝土一、梁体下挠--47--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--47--47重庆石板坡长江大桥跨中108m长为钢梁一、梁体下挠--48--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--48--48二、梁体开裂问题--49--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--49--49二、梁体开裂包括梁上出现斜裂缝、横向裂缝、纵向裂缝、混凝土劈裂、横隔板裂缝以及齿板裂缝等。下面只讨论前三种裂缝。--50--2007.10大跨径梁式桥的病害原因与对策--50--50二、梁体开裂－斜裂缝（一）主拉应力斜裂缝是出现最多的