中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
第一章 緒 論
1.1 國(guó)內(nèi)斜拉橋應(yīng)用發(fā)展概況
斜拉橋是一種合理跨徑范圍廣、造型美觀多樣的橋型,我國(guó)至從上世紀(jì) 80年代以來(lái),已建成上百座,如 1990 湖南建成主跨跨徑為 210 的長(zhǎng)沙湘江北大橋,雙塔單索面PC梁,首創(chuàng)輕型掛籃懸澆施工工藝;1991年上海建成主跨徑為423m南浦大橋,是雙塔雙索面扇形拉索布置的斜拉橋,標(biāo)志著我國(guó)斜拉橋建造水平已進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列;1993 年上海建成主跨跨徑為 602m 的楊浦大橋,為雙塔雙索面扇形拉索布置的疊合梁斜拉橋;2000 年建成主跨跨徑為 2×310m、三塔PC 的岳陽(yáng)洞庭湖大橋;2001 年南京建成主跨跨徑為 628 m 的長(zhǎng)江二橋建成,主梁結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁;2008 年香港建成主跨跨徑為 1018m、塔高 298m 的昂船洲大橋,是目前世界主跨跨徑排名第三的雙塔斜拉橋;2008 年建成主跨跨徑為1088m 的蘇通長(zhǎng)江公路大橋,是工程規(guī)模最大、建設(shè)條件最復(fù)雜、建成時(shí)世界上跨徑最大的斜拉橋,標(biāo)志著我國(guó)斜拉橋建設(shè)水平已經(jīng)達(dá)到頂峰[1-3]。 根據(jù)受力特征,斜拉橋可分為矮塔和高塔之分,前者在力學(xué)行為上更似體外預(yù)應(yīng)力的連續(xù)梁,一般施工不需要調(diào)索,而后者才是真正意義上的斜拉橋,有更好的工作性能。不管哪類斜拉橋,一般其組成有主梁、索塔及拉索。斜拉索是受力主體之一,其作用是將主梁上的荷載傳遞給索塔,因此,常把斜拉索作為衡量斜拉橋承載性能和耐久性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。以當(dāng)前的施工水平,斜拉索的壽命一般遠(yuǎn)小于橋梁的使用壽命。且受到過(guò)去設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工水平、長(zhǎng)期超載、養(yǎng)護(hù)維修不善、偶然撞擊及意外火災(zāi)事故、腐蝕環(huán)境侵蝕等因素的綜合影響,使得斜拉索的使用壽命有所降低。為此,已建斜拉橋結(jié)構(gòu)營(yíng)運(yùn)過(guò)程中某些構(gòu)件損壞尤其是斜拉索損傷,導(dǎo)致橋梁極限承載能力降低,造成嚴(yán)重隱患,導(dǎo)致險(xiǎn)情事故,甚至突然墜毀事故時(shí)有發(fā)生,給人們生活和社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)極大的不利影響。因此,對(duì)既有營(yíng)運(yùn)斜拉橋病害檢測(cè)及通過(guò)車(chē)載試驗(yàn)判定橋梁性能顯得尤為必要。
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1.2 典型橋梁事故分析
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外發(fā)生多起橋梁損壞及突然坍塌事故,如 1981 年 7 月,美國(guó)堪薩斯州的海厄特-雷根西飯店的高架人行橋倒塌,造成 114 人傷亡。1983 年 6月,美國(guó)米勒斯大橋坍塌,造成 3 人死亡[4]。1994 年 10 月,韓國(guó)漢城的桑蘇大橋倒塌,造成 31 人死亡;1999 年 1 月,重慶市綦江縣彩虹橋在人行載荷超標(biāo)的情況下發(fā)生坍塌,造成 49 人死亡的嚴(yán)重后果;2001 年 11 月,宜賓南門(mén)橋在清晨時(shí)刻,荷載不大的情況下發(fā)生吊桿和橋面斷裂,造成 3 人死亡;2006 年12 月,印度一座橋齡 150 年的舊橋坍塌,造成一列火車(chē)被壓,33 人死亡的嚴(yán)重后果。2007 年 6 月,廣東九江橋因貨船撞擊而坍塌,直接造成死亡 8 人 2007年 9 月,越南一座正在施工的斜拉橋坍塌,造成 60 多名工人死亡和 100 多人失蹤[5]。斜拉橋由于營(yíng)運(yùn)腐蝕作用,很多斜拉橋沒(méi)有發(fā)生倒塌事故,但進(jìn)行了換索施工。 橋梁倒塌事故造成了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的損失。交通部多次召開(kāi)專題會(huì)議,明確提出停工整頓施工市場(chǎng),全國(guó)范圍內(nèi)檢查橋梁施工及營(yíng)運(yùn)狀態(tài)。對(duì)橋梁潛在安全隱患的檢查和排除越來(lái)越被重視。 隨著交通量不斷增長(zhǎng),行車(chē)荷載加大,各種因素造成的橋梁病害逐漸增多,對(duì)損傷橋梁的加固與改造,是在通車(chē)條件不斷提高情況下,探討如何用較少的投資取得更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的重要課題。對(duì)于產(chǎn)生病害的斜拉橋而言,實(shí)施加固、改造,可以降低投資,節(jié)省資源,還具有工期短,一般情況下不中斷交通的優(yōu)點(diǎn)。 目前,運(yùn)營(yíng)中的很多斜拉橋,工作狀況已發(fā)生了變化,尤其對(duì)長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)的斜拉索,由于超載、拉索及錨頭出現(xiàn)銹蝕、拉索損傷等原因,會(huì)造成斜拉索索力發(fā)生變化,造成斜拉索安全系數(shù)降低,甚至威脅到斜拉橋的結(jié)構(gòu)營(yíng)運(yùn)安全。委內(nèi)瑞拉 Maracaibo 橋、法國(guó) St.Nazaire 橋和美國(guó) Paso-Kennewick橋都是因?yàn)樾崩鞯姆雷o(hù)缺陷,導(dǎo)致在遠(yuǎn)低于使用壽命時(shí)就進(jìn)行了換索[6,7]。我國(guó)廣州海印橋僅營(yíng)運(yùn) 6 年多,濟(jì)南黃河大橋使用僅 13 年,樂(lè)山犍為岷江大橋使用僅 11 年,就是因?yàn)樾崩鞯姆雷o(hù)問(wèn)題,進(jìn)行了換索施工[8]。
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第二章 橋梁病害檢測(cè)
2.1 工程概況
某大橋位于省道 S306 線上,南引橋 7×16m=112m(預(yù)制分條滾移空心板),北引橋 4×16m+2×20m+10m=114m(支架現(xiàn)澆橫移空心板),主橋(3×25m+20m+30m=125m)(逐孔現(xiàn)澆整體箱梁)+(2×53m=106m)(現(xiàn)澆斜拉橋)+(30m+20m+3×25m=125m)(滑移薄壁箱梁),主跨為斜拉橋,總體布置見(jiàn)圖 2-1。 該橋荷載等級(jí):汽車(chē)—20 級(jí)、掛車(chē)—100,人群荷載 3.5kN/m2。橋梁寬度:橋?qū)?15m=3m 人行道+凈 9m+3m 人行道。該橋連接南縣和岳陽(yáng)市華容縣,南縣側(cè)引橋?yàn)轭A(yù)制拼裝分離式空心板結(jié)構(gòu),每節(jié)長(zhǎng) 3.75m;華容側(cè)引橋 5′#~7′#為槽形肋蓋、搭板結(jié)構(gòu),0′#~5′#為懸臂式空心板結(jié)構(gòu)。南縣側(cè)主橋?yàn)閱蜗淞抑鹂诐沧摻罨炷帘”谙湫芜B續(xù)梁,頂板、底板現(xiàn)澆,肋板采用臥式預(yù)制;華容側(cè)主橋?yàn)槲逑渌氖翌A(yù)制拼裝分條滾移箱型梁。 斜拉橋部分為懸臂結(jié)構(gòu)、四塔柱,斜拉索采用分束張拉,錨固端設(shè)于主梁內(nèi)。 橋面采用鋼筋混凝土橋面,南縣側(cè)主橋墩頂處橋面摻鋼纖維,華容側(cè)主橋橋面內(nèi)有橫向預(yù)應(yīng)力,設(shè)有防撞欄和人行道鋼護(hù)欄。 該橋基礎(chǔ)采用無(wú)承臺(tái)摩擦樁,主橋?yàn)?D250 空心樁結(jié)構(gòu),引橋 25m 跨和 30m跨為 D150 空心樁結(jié)構(gòu)。主橋墩身為 D220 空心墩,加固后為 D260 空心墩,引橋?yàn)?D120 空心墩,墩身及樁身采用分節(jié)預(yù)制、拼裝,混凝土強(qiáng)度為 C50。主橋 l#~5#獨(dú)柱墩的單樁基礎(chǔ)采用旋噴壓漿處理。
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2.2 橋梁歷史檢測(cè)情況
該橋于 1997 年 12 月底竣工,因各種原因,1998 年 10 月交工驗(yàn)收后,未進(jìn)行竣工驗(yàn)收。2007 年 8 月對(duì)該橋伸縮縫、拉索及橋面進(jìn)行了維護(hù)。 依據(jù)記載,該橋設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中發(fā)生如下事情: ①原設(shè)計(jì)斜拉橋 6#主墩為雙柱式空心樁,由于基礎(chǔ)施工時(shí)尚未鉆到設(shè)計(jì)標(biāo)高鉆頭掉入鉆孔內(nèi),未能及時(shí)打撈上來(lái),因此被迫將雙柱改為無(wú)承臺(tái) 4Φ250cm空心樁。 ②考慮與 30m 邊跨箱梁截面的連續(xù)性,原設(shè)計(jì)斜拉橋跨為薄壁箱形截面,因要求施工工藝較為復(fù)雜,簡(jiǎn)化為肋板式截面,這使得主橋截面在龍段處截面不連續(xù)。 ③針對(duì) 6#主墩 4 根樁可能產(chǎn)生的不均勻沉降,施工過(guò)程中進(jìn)行了達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的靜力加載試驗(yàn),加載時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 80 天,當(dāng)時(shí)判斷樁基基本穩(wěn)定。 ④由于橋位處于湖區(qū)軟土地基,1#~5#單柱墩的樁基承載力不足,故對(duì)這 5根樁的地基進(jìn)行了旋噴壓漿處治。 1998 年 6 月,對(duì)該橋進(jìn)行了五個(gè)系列的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),包括:橋面、欄桿、橋面板(梁)、塔索和下部構(gòu)造。 檢測(cè)結(jié)論認(rèn)為該橋上部構(gòu)造存在如下問(wèn)題: 橋面平整度差;瀉水管無(wú)積水漏斗,設(shè)計(jì)不當(dāng)存在;施工標(biāo)高不準(zhǔn),橋面排水不暢;箱梁梁底普遍粗糙,局部露筋;下游索塔洗石子抹面開(kāi)裂、脫空。 下部構(gòu)造存在的問(wèn)題有:支座墊板參差不齊,個(gè)別支座四周泥土未除去,帽梁大面普遍平整度差,最深凹陷達(dá) 5~6cm,修補(bǔ)痕跡明顯,墩、臺(tái)接頭處普遍錯(cuò)臺(tái)明顯,表面粗糙,墩、臺(tái)普遍豎直度差,華容岸護(hù)坡多處松動(dòng)破裂。 2007 年,對(duì)該橋進(jìn)行了全面的外觀質(zhì)量病害檢測(cè).
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第三章 基于檢測(cè)結(jié)果的承載力評(píng)定 ..... 25
3.1 箱梁承載力評(píng)定 .... 25
3.1.1 承載力檢算方法 ..... 25
3.1.2 承載力檢算系數(shù)的確定 ......... 25
3.1.3 箱梁承載能力驗(yàn)算 ......... 27
3.2 斜拉橋承載力檢算 ........ 27
3.2.1 承載力檢算系數(shù)的確定 ......... 27
3.2.2 斜拉橋計(jì)算模型 ..... 29
3.2.3 荷載取值 ......... 30
3.2.4 成橋階段承載能力極限狀態(tài)分析 ......... 30
3.3 本章小結(jié) ........ 34
第四章 荷載試驗(yàn) ..... 35
4.1 靜載試驗(yàn) ........ 35
4.2 動(dòng)載試驗(yàn) ........ 62
4.3 主橋斜拉橋技術(shù)狀況評(píng)分 .... 69
4.3.1 主橋斜拉橋上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分 ..... 69
4.3.2 主橋斜拉橋下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分 ..... 70
4.3.3 橋面系技術(shù)狀況評(píng)分 ..... 71
4.3.4 主橋斜拉橋技術(shù)狀況評(píng)分 ..... 72
4.4 建議 ........ 72
4.5 本章小結(jié) ........ 73
第五章 結(jié)論與展望 ......... 74
5.1 結(jié)論 ........ 74
5.2 展望 ........ 75
第四章 荷載試驗(yàn)
4.1 靜載試驗(yàn)
該橋橋型為主橋(3×25m+20m+30m=125m)(逐孔現(xiàn)澆整體箱梁)+(2×53m=106m)(現(xiàn)澆斜拉橋)+(30m+20m+3×25m=125m)(分條滾移薄壁箱梁),根據(jù)該橋特點(diǎn),選取斜拉橋跨進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)試橋墩和橋塔的剛度、應(yīng)力及承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求。 對(duì)于主梁,選取斜拉橋主橋(5#~7#跨)共兩跨進(jìn)行加載工況試驗(yàn),斜拉橋主橋分別進(jìn)行塔柱支點(diǎn)最大負(fù)彎矩(圖 4-1 中Ⅰ)、5#~6#跨跨中正彎矩(圖 4-1中Ⅱ)、5#~6#跨跨中偏載(圖 4-1 中Ⅲ)及塔頂最大偏位試驗(yàn)(圖 4-1 中Ⅳ),工況選取見(jiàn)圖 4-1。 橋梁撓度以吊百分表方式觀測(cè)為主,精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行支點(diǎn)沉降觀測(cè)及數(shù)據(jù)復(fù)核,百分表?yè)隙扔^測(cè)橋下游側(cè) 1/4L、1/2L、3/4L 及上游側(cè) 1/2L 測(cè)點(diǎn),精密水準(zhǔn)儀觀測(cè) 1/4L、1/2L、3/4L 及支點(diǎn)斷面,墩塔偏位用全站儀進(jìn)行測(cè)試[22]。 本次試驗(yàn)需觀測(cè)橋跨跨中及支點(diǎn)應(yīng)變,試驗(yàn)時(shí)在 5#~6#跨跨中底面、外側(cè)腹板及 6#墩支點(diǎn)腹板處粘貼型號(hào)為 BX120-100AA 的結(jié)構(gòu)表面電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試,其中斜拉橋肋板梁縱梁底面粘貼 4 組,腹板 10 組應(yīng)變計(jì),北主橋箱梁底面及腹板分別粘貼 10 組應(yīng)變計(jì),元件均采用 DH3815 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試. ........
結(jié)論
針對(duì)某營(yíng)運(yùn)斜拉橋,對(duì)橋梁病害進(jìn)行了全面檢測(cè),通過(guò)靜載、動(dòng)載試驗(yàn),并結(jié)合軟件建模分析,對(duì)橋梁的工作狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià),給出了橋梁養(yǎng)護(hù)維修建議。
通過(guò)檢測(cè)得出以下結(jié)論:
(1)全橋拉索有 5 根斜拉索截面存在輕微截面損失,截面損失占比小于0.5%,其余斜拉索截面在測(cè)試區(qū)段內(nèi)均無(wú)顯見(jiàn)性截面損失,但拉索外層防護(hù)纖維大多破損;抽樣檢測(cè)的 4 個(gè)斜拉索錨頭護(hù)筒內(nèi)均積滿水,斜拉索及錨頭上僅有少量黃油包裹,目測(cè)錨頭及拉索 2 個(gè)有表面銹斑,2 個(gè)無(wú)銹蝕;全橋斜拉索橋面護(hù)筒內(nèi)水泥漿均飽滿;索塔目視外飾層未出現(xiàn)明顯剝落、開(kāi)裂現(xiàn)象;實(shí)測(cè)拉索頻率與 2008 年測(cè)試結(jié)果比較表明,斜拉索索力無(wú)明顯變化,斜拉索處于正常工作狀態(tài)。
(2)主橋斜拉橋縱梁及橫梁部分未見(jiàn)明顯病害;主橋箱梁底板存在較多縱向裂縫(個(gè)別裂縫寬度超限),共計(jì)發(fā)現(xiàn) 2 條橫向裂縫,局部有破損、露筋、滲水、表觀粗糙等病害。
(3)斜拉橋 6#墩(4 個(gè)墩柱)頂部有 20 條豎向裂縫,其它墩柱局部存在破損、露筋、銹蝕現(xiàn)象。
(4)主橋支座鋼墊板表面均輕微銹蝕,多數(shù)支座老化開(kāi)裂,部分支座剪切變形,個(gè)別支座安裝不到位,局部脫空,部分支座上下不規(guī)則放置多塊鋼墊板。
(5)全橋上、下部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度狀況良好,滿足設(shè)計(jì)要求;全橋上、下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件,鋼筋無(wú)銹蝕活動(dòng)性。
