公路桥梁维修加固技术经济评价分析

XXXX学院 毕业论文 公路桥梁维修加固技术经济评价分析 ANALYSIS OF TECHNICAL AND ECONOMIC EVALUATION OF HIGHWAY BRIDGE MAINTENANCE AND REINFORCEMENT 学院（部）： 土木工程学院 专业班级： 建筑 11-8 学生姓名： XXX 指导教师： 2014年 05 月 05 日 2 I 公路梁维修加固技术经济评价分析 摘要 随着经济建设速度和城市化建设步伐的不断加快，极大的带动了公路、桥梁等的 路政基础工程建设的发展。作为支撑国民经济发展，满足人民实际生活需求的基础设 施建设，其质量安全性事关国计民生的大事，稍有不慎就可埋下重大的安全事故隐患， 造成国家财产损失和人民生命安全危害。 关键词：公路桥梁，危害，加固维修 II ANALYSIS OF TECHNICAL AND ECONOMIC EVALUATION OF HIGHWAY BRIDGE MAINTENANCE AND REINFORCEMENT ABSTRACT As the pace of economic development and the accelerating pace of urbanization, and greatly promote the development of Highway Foundation construction construction of highways, bridges and other. As supporting economic development, infrastructure in meeting the real-life needs of people, their safety is a matter of quality events of peoples livelihood, the slightest mistake can bury a major security accidents, resulting in losses of State property and peoples lives and safety hazards. KEY WORDS: Highway bridge, hazards, strengthening i 目录 摘要（中文） I 摘要（外文） .II 1 绪论.1 1.1 引言 .1 2 公路桥梁分类.1 2.1 按用途分类 .1 2.2 按使用年限分类 .1 2.3 按结构体系分类 .1 2.3.1 梁式桥1 2.3.2 拱式桥2 2.3.3 刚架桥3 2.3.4 斜拉桥3 2.3.5 悬索桥4 2.4 按跨径分类 .5 2.5 按行车道（桥面位置）分类 .6 2.6 按主要承重结构分类 .6 2.6.1 木桥 .6 2.6.2 钢桥6 2.6.3 圬工桥6 2.6.4 钢筋混凝土桥6 2.6.5 预应力钢筋混凝土桥6 2.7 按跨越方式分类 .7 2.8 按施工方法分类 .7 3 公路桥梁存在的常见病害.7 3.1 主拱圈裂缝病害 .7 3.2 钢筋锈蚀病害 .8 3.3 墩台基础病害 .8 3.4 主梁裂缝及主梁变形病害 .9 4. 公路桥梁加固的重要性 10 ii 5 公路桥梁加固原则与加固设计原则10 5.1 加固原则 10 5.2 加固设计原则 10 6 公路桥梁加固的方法11 6.1 桥面铺装加固法 11 6.2 加大截面加固法 11 6.3 粘贴碳纤维增强塑料加固法 11 6.4 桥下部结构加固法 12 6.5 灌缝胶灌注法 12 7 公路桥梁维修加固决策分析12 8 公路桥梁维修加固新技术13 8.1 体外预应力加固体系 13 8.2 预应力高强钢丝网加固 13 9 独柱墩桥梁的安全隐患与养护建议14 结论 .16 参考文献 .17 致谢 .18 1 1绪论 1.1引言 完善的公路桥梁健康监测系统可以验证公路桥梁设计理论、施工质量, 进行公路 桥梁安全性、耐久性评定与预测以及公路桥梁安全事故预警等。这些工作将起到确保 公路桥梁安全运营、延长使用寿命的作用,也可以节约公路桥梁的维修费用,提高公路 桥梁的综合使用效益。 对旧桥加固、改造和利用,是维持公路正常交通的有效措施,积极引进和开发旧桥 加固、改造的先进技术、材料和设备,合理确定加固、改造方案,可以让旧桥延长使用 寿命,节约资金,其意义和影响是深远的。 评定公路桥梁质量的好与坏,应主要从它的 使用功能、结构承载力和使用价值三个方面综合考虑。一般多采用承载能力适应率、 通行能力适应率、洪水宣泄能力适应率以及承载能力符合率进行计算来综合评定。 我们发现公路桥梁的混凝土开裂、剥落、衰变及钢筋的锈蚀(管道灌浆不饱满普遍 存在)对公路桥梁的损害问题非常严重,已需要大量的资金和技术来维护或改建,已成为 迫切需要解决的问题。解决公路桥梁加固中存在的问题,运用方法对旧桥进行维修加固, 提高承载能力,确保交通运输安全是目前乃至今后面临的主要任务。 2公路桥梁分类 2.1按用途分类 按用途分为公路桥、公铁两用桥、人行桥、机耕桥、过水桥； 2.2按使用年限分类 按使用年限可分为永久性桥、半永久性桥、临时桥； 2.3按结构体系分类 按结构体系分类是以桥梁结构的力学特征为基本着眼点，对桥梁进行分类，以利 于把握各种桥梁的基本特点，也是桥梁工程学习的重点之一。以主要的受力构件为基 本依据，可分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥五大类。 2.3.1梁式桥 主梁为主要承重构件，受力特点为主梁受弯。主要材料为钢筋混凝土、预应力混 凝土，多用于中小跨径桥梁。简支梁桥合理最大跨径约 20 米，悬臂梁桥与连续梁桥合 宜的最大跨径约 60-70 米。 2 优点：采用钢筋砼建造的梁桥能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、 整体性好且美观；这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。 缺点：结构本身的自重大，约占全部设计荷载的 30%至 60%，且跨度越大其自重所 占的比值更显著增大，大大限制了其跨越能力。 连续梁桥是大跨度桥梁建筑中常用的桥梁形式之一，其承重结构（板、T 型梁或箱 梁)，不间断地跨越几个桥孔而形成-超静定结构(如图 2-1、沙洋汉江公路大桥），连 续孔数通常为三孔或五孔，当桥梁跨径较多时，需要把桥长分建成几组（或称几联） 连续梁。连续梁由于荷载作用下支点截面产生负弯矩，从而显著降低了跨中的正弯矩， 从而减小跨中截面的建筑高度，节省钢筋和混凝土用量，当跨径增大时，节省就愈益 显著，连续梁通常适用于桥基十分良好的场合建造。 图 2-1 沙洋汉江公路大桥 2.3.2拱式桥 拱肋为主要承重构件，受力特点为拱肋承压、支承处有水平推力。主要材料是圬 工、钢筋砼，适用范围视材料而定。跨径从几十米到三百多米都有，目前我国最大跨 径钢筋砼拱桥为 170 米。 优点：跨越能力较大；与钢桥及钢筋砼梁桥相比，可以节省大量钢材和水泥；能 耐久，且养护、维修费用少；外型美观；构造较简单，有利于广泛采用。 缺点：由于它是一种推力结构，对地基要求较高；对多孔连续拱桥，为防止一孔 破坏而影响全桥，要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工 程造价；在平原区修拱桥，由于建筑高度较大，使两头的接线工程和桥面纵坡量增大， 对行车极为不利。 我国石拱桥有着悠久的历史，早在东汉中期就开始修建石拱桥，驰名中外的赵州 桥，就是我国古代石拱桥的杰出代表，至今在盛产石料的地区仍修建了不少的石拱桥。 1972 年建成的四川涪陵丰都县九溪沟大桥，（见图 2-2）跨径达 116m。世界上跨度最 大的石拱桥是 1946 年瑞典建成的绥依纳松特桥，跨度为 155m。 3 图 2-2 四川涪陵丰都县九溪沟大桥(1972 年) 2.3.3刚架桥 刚架桥是一种桥跨结构和吨台结构整体相连的桥梁，支柱与主梁共同受力，受力 特点为支柱与主梁刚性连接，在主梁端部产生负弯矩，减少了跨中截面正弯矩，而支 座不仅提供竖向力还承受弯矩。主要材料为钢筋砼，适宜于中小跨度，常用于需要较 大的桥下净空和建筑高度受到限制的情况，如立交桥、高架桥等。 优点：外形尺寸小，桥下净空大，桥下视野开阔，混凝土用量少。 缺点：基础造价较高，钢筋的用量较大，且为超静定结构，会产生次内力。 2.3.4斜拉桥 斜拉桥梁、索、塔为主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加 了弹性支承，减小了梁内弯矩而增大了跨径。受力特点为外荷载从梁传递到索，再到 索塔。主要材料为预应力钢索、混凝土、钢材。适宜于中等或大型桥梁。 优点：梁体尺寸较小，使桥梁的跨越能力增大；受桥下净空和桥面标高的限制小； 抗风稳定性优于悬索桥，且不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。 缺点：由于是多次超静定结构，计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂；施 工中高空作业较多，且技术要求严格。 斜拉桥的型式如图 2-3（南浦大桥）和图 2-4（重庆长江二桥）。 图 2-3 上海南浦大桥 4 图 2-4 重庆长江二桥 2.3.5悬索桥 悬索桥主缆为主要承重构件，受力特点为外荷载从梁经过系杆传递到主缆，再到 两端锚锭。主要材料为预应力钢索、混凝土、钢材，适宜于大型及超大型桥梁。 优点：由于主缆采用高强钢材，受力均匀，具有很大的跨越能力。 缺点：整体钢度小，抗风稳定性不佳；需要极大的两端锚锭，费用高，难度大。 吊桥（悬索桥），是一种古老的桥型。吊桥通常由桥塔、锚碇、主缆、吊索、加 劲梁及鞍座等主要部分组成。如图 2-5（日本明石海峡大桥）和图 2-6（江阴长江公路 大桥）。 图 2-5日本明石海峡大桥 图 2-6 江阴长江公路大桥总体布置 吊桥被公认为特大跨径桥梁的主要形式，一般认为其经济跨径为 500m 以上，最大 跨径可达 4000m 以上。我国修建的江苏江阴长江大桥主跨径 1385m，居世界第三位。国 外早在 1937 年建成的旧金山金门大桥主跨径为 1280m，此桥曾保持世界最大跨径的记 5 录达 27 年之久；1991 年日本建成的明石海峡大桥，主跨径 1990m，居当今世界第一位。 2.4按跨径分类 按跨径大小和多跨总长分为小桥、中桥、大桥、特大桥。 表 2-1 桥梁的分类 桥梁分类 多孔跨径总长 L（米） 单孔跨径 L0（米） 特大桥 L1000 L0150 大桥 100L1000 40L0150 中桥 30 不加载或少加载）。 加固设计之前应进行承载能力评价 ，之后应进行验算（基于检测结果和荷载试 验 加固验算同样基于仿真模型考虑附加荷载）。 大桥加固设计前应进行可行性和经济性评价，大桥加固与重建做比较与决策。 6公路桥梁加固的方法 6.1桥面铺装加固法 (1)局部修复凿补法。将水泥混凝土铺装层的表面凿毛,深度以使骨料露出为准;用 清水冲洗干净断面并充分润湿,涂刷上同标号的水泥砂浆(或其他粘结材料),最后在公 路桥梁承载能力容许范围内,铺筑一层 15cm 厚的水泥混凝土铺装层。 (2)重新浇筑混凝土面板。桥面板的破裂和其他损坏特别严重,混凝土质量或施工 状况特别不良,且无适用的修补方法时,就必须采用重新浇筑新的混凝土桥面板的措施, 施工时,将原有的行车道铺装全部拆除,再将行车道表面清扫干净,必要时铺入适量短钢 筋,配置上 12 层钢筋网,浇筑整体化混凝土。 (3)桥面补强层加固法。即在旧有桥面上,重新加铺一层混凝土或钢筋混凝土补强 12 层,此方法既修补已出现裂缝、剥离等损坏的桥面板,又能加高原有梁板的有效高度,增 加梁板的抗弯能力,改善铰结梁板的荷载横向分布,从而提高公路桥梁的承载能力。 (4)其他方法。如加铺一层沥青混凝土,采用混凝土粘结剂或环氧树脂材料修补法, 钢纤维混土修补法,聚合物混凝土罩面法等。 6.2加大截面加固法 也称为外包混凝土加固法,是用增大混凝土结构物的截面面积和配筋进行加固的一 种方法。加大截面加固法一般采用两种方式:一种是加厚桥面板;另一种是加大主梁梁 肋的高度和宽度。该法工艺简单、适应性强,具有成熟的设计和施工经验,适用于较小 跨径的 T 梁桥或板桥的加固。采用此法加固后公路桥梁刚度明显提高,承载能力也能取 得较好的效果。但现场施工的湿作业时间较长,加固后的建筑物净空有一定减小。 6.3粘贴碳纤维增强塑料加固法 采用专门的树脂将碳纤维粘贴于混凝土结构受拉表面,碳纤维与原结构形成新的受 力整体,碳纤维与钢筋共同承受荷载,降低了钢筋应力,从而使结构达到了加固和补强效 果。此法几乎不增加结构自重和截面尺寸,不改变净空高度,施工方便,对原结构几乎不 会造成新的损伤,具有良好的耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能,根据受力分析可进行多 层粘贴进行补强,其方向性也可以灵活掌握。缺点是环氧树脂在温度高于 60时会呈现 软化现象,而公路桥梁一般受到阳光直射,桥面温度高于 60的可能性很大,不利于采用 树脂胶作粘贴剂。 6.4桥下部结构加固法 桥台特别是高度较大的桥台,受行车荷载和土压力作用,常见病害有桥台开裂、凸 肚,翼墙外崩、开裂、错位等。对于跨径较小、水流不大的石拱桥,可采用在桥跨内加 钢筋混凝土框架进行加固。 6.5灌缝胶灌注法 当梁体变形及裂缝严重,承载能力下降。当梁体存在严重变形和裂缝,应加强公路 桥梁观测及试验检测,分析原因,制定加固处理方对承载能力、刚度不足的梁体,首选用 灌缝胶灌注处理裂缝,采用种植或粘贴钢筋加固法、新浇注混凝土增大梁体截面加固法、 粘贴钢板(筋加固法、粘贴碳纤维加固法、体外预应力加固法等方案进行进行结构补强, 提高梁体的抗弯承载力。 7公路桥梁维修加固决策分析 1、加固方案比选。 13 经济指标论证 加固费用系数=加固费用/新建费用 加固费用=宏观经济总损失+微观经济总损失 新建费用=宏观经济总损失+微观经济总损失 加固寿命系数=（公路桥梁原设计使 用寿命-公路桥梁已运营的时间）/公路桥梁原设计使用寿命 如表 7-1 所示。 表 7-1 运营时间（年） 加固费用系数 N1 加固寿命系数 N2 10 0.6 0.8 20 0.5 0.6 30 0.4 0.4 40 0.3 0.2 50 年以上 0.2 0 2、交通组织可行性与可操作性分析。 3、经济指标论证技术背景。 重大公路桥梁、重要路段维修养护数量越来越多，此类工程对区域经济影响大， 社会影响广，只考虑工程经济性的方案决策办法已不适用于此类工程。 4、技术内容。 通过宏观经济分析与微观经济分析，确定加固费用系数和加固寿命系数。 宏观经济： 运输成本损失、 运输时间损失、 相关道路的拥挤损失、车辆绕行损 失、 事故损失 微观经济：收费损失、工程费用 5、公路桥梁加固技术经济确定原则。 8公路桥梁维修加固新技术 8.1体外预应力加固体系 1.作用：改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，使一般加固结构中所特有 的应力应变滞后现象得以完全消除，后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总 体承载能力可显著提高适用于采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力 状态下的大跨公路桥梁加固。 2.应用特点。 3.构造设计：钢绞线、成品索、现场编束、转向块、整体转向块、分丝转向。 14 4.体外束分跨通长布置图、变高度箱梁体外预应力布置图、常见体外预应力布置。 5.检验、验收内容：锚固初应力检验：截取 2 至 3m 长的钢绞线，在室内放置 24 小时后，检查各钢丝是否仍为一个平面。抽检强度，弹性模量，截面积，延伸率和硬 度，并应按实测弹性模量和截面积对计算延伸量进行校正。抽样检查夹片硬度。逐个 检查垫板喇叭管或钢管内有无毛刺，有毛刺者不准使用在穿索前应对锚具内管、油封 进行位置检查。 施工监控：在控制张拉力和伸长量的同时，应对旧桥控制截面和关键位置的应变 及主梁挠度进行监控。 防腐处理：小跨径桥体外预应力加固体系中铁件应采用防锈漆进行防腐处理。 大跨径桥预应力加固使用的钢绞线采用 PE 防腐，锚具一般镀锌，张拉、锚固端钢 绞线采用注油密封防腐。 8.2预应力高强钢丝网加固 1.最初引入的加固技术的工法，用于房屋工程较多。对该技术进行了施加预应力 改良，但预应力有限，虽然在钢丝绳安装过程中也进行张拉，但张拉力并未超过钢丝 绳的非线性区域，或预张拉后没有可靠的固定，使得钢丝绳存在受力滞后的现象，钢 丝绳的强度得不到充分的发挥。 2.预应力高强钢丝网 聚合物砂浆复合面层加固技术，需要将被加固构件进行界 面处理，然后将钢丝网敷设于被加固构件的受拉区域，张拉钢丝绳，再在其表面涂抹 聚合物砂浆。 该加固技术能同时显著提高结构刚度和承载力，施工简单成本低，施工时不需要 中断交通。极限阶段往往发生钢筋屈服、钢丝绳断裂、受压区混凝土压坏的延性破坏， 疲劳性能理想，耐久性好。现有其他加固技术中的缺点都得到了较好地解决或改善 预应力高强钢丝网成套加固技术（专利号：ZL200920110050X） 预应力高强钢丝绳锚具 （专利号：ZL200910089217.3） 钢丝绳：应选用高强度、低松弛、高延性的钢丝绳，其直径不宜太大，以便于张 拉和锚固，直径根据所需施加的总预应力和钢丝绳根数共同确定, 本试验中选择高强 不锈钢钢丝绳（6x7+IWS）直径为 4mm，公称截面积 7.45mm2。抗拉强度标准值为 1800MPa。 锚具： 预应力高强钢丝绳锚具，是专门用于锚固高强钢丝绳的多孔式扁锚，可以 同时锚固多根高强钢丝绳，设计灵活，尺寸小巧，组装后可以立即张拉，施工方便； 在施加预应力后可以充分发挥材料的高强度；张拉后每根钢丝绳的张拉力最大可达到 1.2-1.5t，钢丝绳的回缩量小。 砂浆：包括锚固砂浆和防护砂浆，分别起到共同锚固和保护钢丝绳的作用。 15 3.施工方法和步骤 锚具立面、锚具顶面、固定锚板、安装钢丝网 、张拉、锁定后的钢丝网 、涂抹 高强聚合物砂浆、张力后长期损失小、预应力高强钢丝网加固、预应力高强钢丝网片 横向加固、加固后空心板的位移横向分布情况有所改善。 铰缝传力性能较加固前有一定提升，实测位移横向分配系数均比理论位移横向分 配系数均匀，用 1 层钢丝绳加固后，梁的开裂荷载提高了 133%，最大承载力提高了 114%。用 1 层钢丝绳和聚合物砂浆加固后，梁的开裂荷载提高了 183%,最大承载力提高 了 107%。钢丝绳张拉到设计吨位后，通过仪器检测，张拉力基本没有损失，钢丝绳的 强度得到了充分的发挥，加固混凝土梁没有发生黏结破坏，而是发生钢筋屈服、受压 区混凝土压坏的延性破坏，外侧钢丝绳与钢筋、混凝土梁能良好地共同变形，截面上 的应变符合平截面假定，预应力高强钢丝网锚具加固技术抗动载及疲劳性能满足公路 桥梁应用要求。 9独柱墩桥梁的安全隐患与养护建议 1.随着我国桥梁建设中对桥梁美观的重视程度提高，原来的“粗梁肥柱”越来越 少，取而代之的是“身材优美”的桥梁造型，尤其桥墩设计更是出现了“花瓶墩”、 “酒杯墩”等先进设计理念的独住墩结构。 许多在城市过境的国省干道桥梁因为兼顾城市使用功能，在设计中强调了造型美 观，多采用了独住墩结构。 桥梁除了满足城市功能之外，同时还要承载繁重的过境货物运输工作，美观与承 载的双重要求，近些年来多次独住墩桥梁事故的发生，引起了我们对这类桥梁事故偶 然与必然的思考，从而增添了我们心中的隐忧。 2.上部结构为整体式结构，横向抗扭刚度较大，下部结构为独柱墩结构，抗侧向 倾覆力矩较小，在较大偏载作用下，容易引起侧向倾覆。混凝土桥梁易发生在桥梁宽 度较窄的匝道桥上。 钢结构桥梁由于自重较小，桥下横向支撑较小，中间设置独柱墩，相比较混凝土 桥梁更易发生侧向倾覆。 匝道桥一般混合有弯坡斜结构，更易引起倾覆，国内常规设计一般采用三到五跨 一联的混凝土箱梁，中间桥墩一般采用独柱结构，天津 7.15 事故即是位于匝道桥的连 续箱梁侧向倾覆事故。事故一般发生在极端偏载情况下，一般来说是超载货车由于某 种原因偏载行驶或偏载停留在桥上引起。侧向倾覆事故一般为极端荷载下突发事故， 日常养护排查不到。 3、桥梁侧向倾覆为设计盲区，没有完善的验算标准 16 4、超载是事故发生的直接原因 5、独柱墩桥梁的养护建议 针对独柱结构桥梁，排查安全隐患。现阶段对独柱墩结构进行抗倾覆安全性验算， 大范围排查隐患，把事故扼杀于萌芽状态是当务之急。尤其应重视兼顾城市使用与过 境交通的国省干线桥梁。采取安全保障措施，限制超载车辆偏载通行，加大研究投入， 尽快完善设计规范，组织专业力量，研究存在隐患独柱墩桥梁的加固处治方法 6、防倾覆加固的通常做法是在独柱墩两侧增加支撑柱方式，即在承台两侧通过植 筋加大承台