预应力混凝土桁架T构养护管理对策研究

第一章 绪论

1.1 必要性及可行性
随着我国改革开放的深入和市场经济的发展，交通运输量保持着大幅度增长，以及更高强度的行车密度及车辆载重，日益增多的重型车辆，都将成为我国现有公路的面临的新问题[1]。作为本次研究的依托工程，福州洪塘大桥建于上世纪 90 年代初期，当时以其总跨径之大、施工方法之新颖、结构形式之特殊在国内首屈一指。洪塘大桥与 1900年底通车，至今已运营 20 余年，是一座跨越越闽江的特大桥梁。在运营期间，桥梁出现过多处病害，，如支座老化、脱落，垫块损坏，梁体裂缝等，这些病害直接或间接影响到洪塘大桥的安全。预应力混凝土桁架 T 构的检测评估以及维修加固技术研究意义重大，其研究成果可直接应用于洪塘大桥，保证其安全运营。本文以洪塘大桥为依托工程，针对该类型预应力混凝土三角桁架特殊结构形式的桥梁，对其健康检测、状态评估、维修加固以及加固效果评估的关键技术进行研究，为此类桥梁的安全运营提供必要的技术支持，对推动公路桥梁工程学科的进步及此类型桥梁结构和施工方法的推广应用都具有非常重要的意义。钢筋混凝土桁架之前较多应用在桁架拱桥当中，针对类似洪塘大桥这样的预应力混凝土桁架 T 构桥，国内的研究还比较少。目前国内虽然有不少专家学者对节段预制拼装的施工方法进行了研究并且已经取得一定成果，根据现有资料来看这些研究都针对设计及施工过程，对桁架 T 构桥这种特殊桥型的检测评估、维修加固方面的研究都比较少。洪塘大桥已运营二十余年，急需对其健康状态作出准确评估，并给出合理的维修加固方案。虽然现在针对一般常见桥梁的状态评估以及维修加固方法已经较为成熟，但针对洪塘大桥这样特殊桥梁的相关研究较少。对相关问题进行深入研究，不仅可以弥补我国在该领域研究上的不足，而且还可以推动公路工程科学研究的进步。
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1.2 国内外概况及发展趋势
桁架结构在世界建造史上发挥着不可替代的重要的作用，从最开始的木竹桁架到后来的钢筋混凝土桁架以及预应力混凝土桁架，再到当今被大规模应用的钢桁架、钢管混凝土桁架等等。钢筋混凝土或预应力混凝土桁架应用非常广泛，多用于屋架、塔架、栈桥和吊车梁，以钢筋混凝土或预应力混凝土桁架为主要受力结构的桥梁也为数不少[2-3]。1970 年，相关部门通过对新建的西护塘桥的研究，使我们对斜杆式和三角形式桁架拱桥的承载能力、计算方法，结点次应力等关键问题有了进一步掌握，总结出了与实际情况比较符合的结构设计计算方法。1971 年浙江省内新建了多座桁架拱桥，并对其中的部分桥梁进行了检测与试验，收集到了大量的相关的实验数据。通过这些桥梁的设计、施工和试验，为日后桁架 T 构桥的发展积累了可靠的设计经验和施工经验[4-5]。预应力混凝土 T 构桥的迅速的发展始于 20 世纪 50 年代，我国第一座预应力混凝土T 构桥与 1967 年建成，即柳州桥。本次研究的洪塘大桥建于 1990 年，主桥为（60+120+60）m 预应力混凝土三角桁架 T 构，采用了跨中设铰的结构形式。预应力混凝土桁架 T 构桥兼具预应力混凝土桁架和 T 构的待点。在当时生产能力和技术条件下，节约了大量钢材，实现了经济性的要求。预应力混凝土桁架结构在混凝土桁架拱桥中应用的比较多，像洪塘大桥这种预应力混凝土三角桁架 T 构这种结构比较少见，所以对其运营期间的检测评估与维修加固技术等方面的研究几乎是空白。混凝土预制拼装技术在我国也已经发展了二十余年，但相关研究工作几乎全部集中于该类型桥梁的设计与施工，对其检测评估与维修加固技术的研究较少。洪塘大桥自建成通车以来，分别在 2001、2004、2009 年由相关单位对其进行了定期的结构检查工作。最近一次检查结果表明，该预应力混凝土三角桁架 T 构发生较大空间变形，支座和剪力铰破坏严重，基础冲刷严重等多种病害。本文拟对这种特殊桥型进行检测评估方法的研究，并分析这些病害对大桥安全运营的影响情况，深入研究维修加固技术，制定维修加固方案。
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第二章 预应力混凝土桁架 T 构病害机理分析

2.1 依托工程
福建洪塘大桥简介如下[6-10]：福建洪塘大桥位于福州市洪塘镇附近，全桥长 1849.5m，是闽江上最长的公路特大桥（如图 2.1.1）。全桥一共 48 孔，主要结构为 60m+120m+60m（下承式预应力钢筋混凝土三角桁架T 构）。主桥桥主墩 3#、4#是 V 型墩，两侧桥墩 2#、5#是双柱式桥墩，全桥基础都是钻孔桩基础。本文采用大型有限元程序 midas/civil2012 建立空间三维模型，对洪塘大桥进行仿真模拟分析，洪塘大桥有限元模型如图 2.1.2，洪塘大桥主桥杆件编号如图 2.1.3。全桥共1431 个节点，1611 个梁单元，138 个板单元，预应力钢束 1006 根。
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2.2 洪塘大桥主要病害
3#、4#V 型墩上部盖梁闽侯侧有数条贯穿竖向裂缝，并且流白灰现象比较严重。福州侧也有数条贯穿竖向裂缝，蜂窝麻面现象，只有些微流白灰现象出现。除此之外，V型墩斜撑处有几条竖向裂缝，3#墩墩身上有流白灰现象等。大桥 3#和 4#桥墩有 1 个承台、5 根桩基存在比较明显的缺陷或病害，即 4#桥墩承台侧面有 4 处裂缝，部分桩有混凝土剥落且形成凹洞、露筋、承台底部刷深等缺损或病害，桩基四周河床有明显冲刷现象。洪塘大桥三角桁架节点三维坐标的监测采用全站仪配合反光棱镜测量，主要监测下游桁架，棱镜固定于节点处；墩身的倾斜度测量采用全站仪配合反光棱镜测量，实体墩布置于盖梁下 20cm 位置，V 型墩布置于斜撑与墩身的节点处。
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第三章 预应力混凝土桁架 T 构评估方法研究..........22
3.1 常用评估方法......22
3.2 实桥评估......27
第四章 预应力混凝土桁架 T 构养护管理对策..........51
4.1 桥梁检查.......51
4.1.1 经常性检查.......51
4.1.2 定期检查....53
4.1.3 特殊检查[38]......53
4.2 预应力混凝土桁架 T 构主要病害的养护加固方法........54
第五章 结论与展望.....63
5.1 结论........63
5.2 展望........63

第四章 预应力混凝土桁架 T 构养护管理对策

由上一章的分析结果可知，该桥更接近于三类桥，需进行中修。洪塘大桥在运营中一直以来承受着车轮的磨耗、车辆荷载的反复冲击，受自然环境如暴雨、大风、洪水，受天气温度变化如日晒、冻融等因素的影响，一些建筑材料的性质已经发生衰变。特别是近年来交通量大幅度增加，重型车辆的增多，加上由于设计和施工中留下的一些缺陷和不完善之处，比如基础不均匀沉降等，已经造成桥梁使用功能的下降和行车服务质量的降低。如果不对这些影响因素进行及时的改善，随着桥梁结构的功能不断退化，任由病害发展下去，将会导致桥梁在一定的使用期后存在更大的安全隐患，严重时甚至存在损毁、垮塌的危险[34]。为保证洪塘大桥的耐久性和正常运营，桥梁的养护与管理工作便十分重要。以下将从洪塘大桥外观检测所列具体病害出发，分析其产生的原因从而制定配套的桥梁加固与养护措施。

4.1 桥梁检查
除了针对具体病害要特别注意的养护与管理外，还需要对桥梁制定完善的检查机制以监测大桥工作状况。检查可以分为三类[35]，按照不同的检查频率，不同检查部位，不同检查粗细度进行。经常检查[36]主要以目测方式配合简单工具来进行的，检查周期如表 4.1.1。汛期应增加检查的频率。检查过程中应填写“洪塘大桥经常检查记录表”，实时纤细记录所检查的项目和出现问题的类型以及程度，提出相应的养护措施并估测完成养护的相应的工程量，为以后的保养计划提供必要的依据[37]。经常性的检查内容见表 4.1.2。

结论

1. 本文以洪塘大桥为依托工程，列举了当前该桥存在的多重病害类型。主要有混凝土三角桁架 T 构空间变形较大，拉压支座及剪力铰破坏严重，局部混凝土破碎脱落，基础冲刷严重等。
2. 本文应用层次分析法（AHP 法）建立了洪塘大桥这种特殊桥型整体工作状态评估的详细模型，并以此建立了个层次的判断矩阵，计算得到了各个层次下各因素的权重。并应用模糊贴近度综合评判法对洪塘大桥整体以及上、下部结构的技术状况进行了评估。本文针对这种特殊桥型形成了一套完整的评估指标体系和评估等级体系。
3. 本文对预应力混凝土桁架 T 构的维修加固关键技术展开研究，并将研究成果应用于洪塘大桥，为洪塘大桥的维修加固工作提供理论指导和技术支持。
4. 通过对洪塘大桥各种病害成因的分析，提出有针对性的桥梁检查机制和检查内容。对该类型桥梁预防病害的发生，阻止病害的继续加重进行了研究。
5. 不同结构形式的桥梁，其病害发生机理各不相同。根据桥梁结构受力形式及病害机理，研究了预应力混凝土桁架 T 构的养护处理办法。
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参考文献（略）