（交通运输工程专业论文）大跨度钢筋混凝土拱桥维修加固施工控制及加固效果评估研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 、 学位论文作者签名： 张泵绍 同期：加7 秒年f2 - 月i o 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的 指导教师签名： 日期：劫p 年f 二月 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章 益。 学位论文作者签名：弥森知 日期：7 可口年f2 ，月f 刀日 指导教师签名： 日期：加o 年 摘要 拱桥有着悠久的历史，我国在上世纪修建了许多钢筋混凝土拱桥。近年来， 一方面交通量急速增长及大型重载运输工具越来越多，另一方面原有拱桥老化、 破损及设计标准偏低，已经难以满足交通运输的发展需要。而对这些拱桥进行拆 除重建既不现实又会造成巨大浪费，因此对这些桥梁的加固维修将是今后工作的 重点。由于这些拱桥存在荷载不明确和结构不确定等因素，为了保证加固施工的 安全与效果，应对加固施工过程进行监控，并在加固完成后进行效果评定。 本文主要研究大跨度拱桥的维修加固施工控制和加固后效果评定的理论和应 用技术。以四川省广元嘉陵江大桥为实例，根据拱桥的特点、常见病害及产生原 因，并结合拱桥施工控制理论，对大跨度拱桥加固施工过程控制进行研究，分析 了控制系统构建的要点和内容。应用大型有限元软件m i d a s 对广元嘉陵江大桥的 维修施工过程进行了仿真分析，在理论分析的基础上，对每一个加固施工步骤进 行了现场监测和比较分析。在加固工程完成后，结合荷载试验，评定了该桥的加 固效果。 本文的研究成果，可为类似大跨度拱桥的维修加固施工控制和加固效果评定 提供一定的借鉴作用。 关键词：大跨度拱桥；加固施工；施工控制；荷载试验 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee v o l u t i o no fa r c hb r i d g e ，m a n yr e i n f o r c e dc o n c r e t ea r c hb r i d g e s h a v eb e e nb u i l ti nc h i n at e r r i t o r yi nt h e2 0 t hc e n t u r y r e c e n t l y , t h et r a f f i cf l o wr o s e s h a r p l ya n dh e a v y - l o a d e dv e h i c l e si n c r e a s e dd r a m a t i c a l l ya n do nt h eo t h e rh a n d ，t h e a g i n g ，d a m a g ea n do u t d a t e dd e s i g no ft h ee x i s t i n ga r c hb r i d g e sa r eh a r dt om e e tt h e d e m a n d so fn o w a d a y st r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o nd e v e l o p m e n t t h em a i n t e n a n c ea n d r e i n f o r c e m e n to ft h o s ea r c hb r i d g e si sb e c o m i n gt h ek e yo b j e c t i v ei nc o m i n gy e a r si n o r d e rt oa v o i de n o r m o u sw a s t e sr e s u l t i n gf r o md i s a s s e m b l ya n dr e c o n s t r u c t i o no ft h o s e a r c hb r i d g e s o w i n gt os u c hf a c t o r sa sl o a du n s u r e n e s sa n ds t r u c t u r eu n c e r t a i n t yo fa r c h b r i d g e s ，t h ep r o c e s sm o n i t o r i n go fr e i n f o r c e dc o n s t r u c t i o ni st h e r e f o r ea d o p t e da n dt h e e f f e c to fr e i n f o r c e m e n ti sa s s e s s e da f t e r w a r d st oe n s u r et h es a f e t ya n da c h i e v et h eg o o d e f f e c to fr e i n f o r e e dc o n s t r u c t i o n t h et h e o r ya n d t e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o n o fa s s e s s m e n ta n dr e s e a r c ho n c o n s t r u c t i o nc o n t r o la n di t se f f e c t so fr e i n f o r e e dc o n c r e t ea r c hb r i d g ew i t hl a r g e s p a ni s s t u d i e di nt h i s p a p e nt a k i n gt h ej i a l i n g ji a n gb r i d g ei ng u a n g y u a nc i t y , s i c h u a n p r o v i n c ea se x a m p l e ，t h ep r o c e s sm o n i t o r i n g c o n t r o l l i n go fr e i n f o r c e dc o n s t r u c t i o no f l a r g e - s p a na r c hb r i d g ei ss t u d i e da n dk e yp o i n t so fc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e db a s e do n t h ef e a t u r e s ，c o m m o nd i s e a s e sa n di t sc a u s e so fa r c hb r i d g e si nc o m b i n a t i o nw i t ht h e t h e o r yo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fa r c hb r i d g e ，n l ef e as o f t - w a r em i d a sw a sa p p l i e dt o s i m u l a t i n ga n da n a l y z i n go fm a i n t e n a n c ec o n s t r u c t i o no fj i a l i n g j i a n g b r i d g e a n d f u r t h e r m o r e ，t h em o n i t o r i n ga n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i si nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o nw a s t h e o r e t i c a l l yc o n d u c t e di ns i t e w k l et h er e i n f o r e e dc o n s t r u c t i o ni sa c c o m p l i s h e d t h e e f f e c t so fr e i n f o r c e dc o n s t r u c t i o na r ea s s e s s e do nt h eb a s i so f l o a d i n gt e s t s mr e s u l t sd e r i v e df r o ms t u d i e sa n da n a l y s e si nt h i s p a p e rc a nb eu s e da s r e f e r e n c e sf o ra s s e s s m e n ta n dr e s e a r c ho nc o n s t r u c t i o nc o n t r o la n di t se f f e c t so f r e i n f o r c e dc o n c r e t ea r c hb r i d g e 、i t l ll a r g e - s p a ni ns i m i l a rc o n d i t i o n k e y w o r d s ：l a r g e s p a na r c hb r i d g e ；r e i n f o r c e dc o n s t r u c t i o n ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ； l o a d i n gt e s t i。 目录 第一章绪论1 1 1 拱桥的发展和现状1 1 2 拱桥的分类、体系和结构特点3 1 2 】拱桥的分类、体系3 1 2 2 拱桥的结构特点6 1 3 拱桥常见病害及原因7 1 4 国内外研究现状8 1 4 1 传统拱桥计算理论与有限元分析方法的对比8 1 4 2 拱桥极限承载力的建模工具与方法9 1 5 选题背景1 0 1 6 本文主要内容1 1 第二章拱桥维修加固施工控制系统与方法1 2 2 1 引言1 2 2 2 维修加固施工监控的必要性1 2 2 3 加固施工监测及控制的原则与方法1 3 2 4 拱桥加固施工控制仿真分析1 4 2 4 1 有限单元法分析理论1 4 2 4 2 有限元法加固施工过程模拟1 5 2 5 施工控制的计算理论1 6 2 6 钢筋混凝土拱桥的加固施工监测内容1 7 2 6 1 监测系统的建立1 8 2 6 2 几何形态监测1 8 2 6 3 应力监测，2 1 2 7 本章小结2 6 第三章嘉陵江大桥加固施工控制分析2 8 3 1 工程概况2 8 3 2 检测结果和加固施工工序介绍2 8 3 2 1 桥梁检测结果2 8 3 2 2 加固施工工序介绍3 0 3 3 嘉陵江大桥加固施工过程监控监测3 4 3 3 1 加固施工过程监控监测目的3 4 f 3 3 2 加固施工过程监控监测系统建立的原则。3 4 3 3 3 嘉陵江大桥加固施工过程监控监测系统主要内容3 4 3 3 4 嘉陵江大桥加固施工过程监控监测方法3 5 3 4 嘉陵江大桥加固施工过程仿真计算3 7 3 5 嘉陵江大桥加固施工过程监控监测结果3 8 3 5 1 拱桥关键截面应力监测结果3 8 3 5 2 拱桥关键截面应力监测结果分析4 3 3 5 3 拱桥关键截面挠度监测4 4 3 6 嘉陵江大桥加固施工监控监测结论4 6 3 7 本章小结4 7 第四章嘉陵江大桥加固后效果评估4 8 4 1 试验目的4 8 4 2 试验内容、原理及方法4 8 4 2 1 静载试验4 8 4 2 2 动载试验6 9 4 3 试验结论7 4 4 4 本章小结j 7 5 第五章结论7 6 5 1 结论7 6 5 2 研究展望7 6 致谢7 8 参考文献7 9 攻读硕士论文期间发表的论文及科研情况8 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 拱桥的发展和现状 在桥梁历史中，拱桥作为一种古老的桥型以其跨越能力大、承载能力高、可 用地方材料、造价经济、养护维修费用少、造型美观等优势，而成为建筑历史最 悠久、竞争力大和发展潜力好的桥梁形式，被广泛应用于桥梁、水利和建筑工程。 拱桥在世界桥梁史上是应用最早、最广泛的一种桥梁体系。拱桥在竖向荷载 作用下，两端支撑处除了有竖向反力外，还产生水平推力，j 下是这个水平推力的 存在，使拱内产生轴向压力，并大大减小了跨中弯矩，使它的主拱截面强度得到 充分发挥，跨越能力增大。也正是这个推力，使修建拱桥时要有庞大的墩台和良 好的地基。根据理论推算，混凝土拱桥的极限跨度可达5 0 0 m 左右。 拱桥源于石拱桥，古代人们在拱桥的修建方面己达到了很高的造诣，保留至 今的古代桥梁多半是拱桥。古罗马时代石拱桥已有相当的发展，公元前3 0 年至公 元4 7 6 年的罗马帝国，在其全盛时期版图所及的今西班牙、意大利、法国、不列 颠、德国、北非、土耳其和小亚细亚一带，修建过许多石拱桥，跨度在6 - - - 2 4 m ， 高度有达5 0 - - - 6 0 m 者，单块石料最重达8 吨。最著名的是公元前1 8 年建成的今法 国南部尼姆城( n i m e s ) 的加尔德( g a r d ) 水道桥，跨度为2 4 4 m 。我国隋代石匠 李春于一千三百多年前建成的河北省赵州桥是我国乃至世界上最著名的敞肩式单 孔圆弧石拱桥，跨度达3 7 m ，比欧洲1 9 世纪兴建的同类拱桥早了1 2 0 0 多年。国 外自十八世纪起，科学有了较快的发展，对拱桥有了更新更全的认识。1 7 2 0 年瑞 士工程师赖伯兰( l a b e l y e ) 在修建英国西敏斯泰尔桥时开始从数学和力学上对拱 桥进行分析，致使拱越来越扁。 拱桥在我国公路和铁路上也是一种常用的桥梁形式。为了减小拱的截面尺寸， 减轻拱的质量，在混凝土中配置有受力钢筋的，称之为钢筋混凝土拱桥。在钢筋 混凝土拱桥中，截面的拉应力主要有受拉钢筋承受。这样，桥跨结构的工程数量 可相应减小，有效地提高了拱桥的经济性能，扩大了拱桥的使用范围。同时，钢 筋混凝土拱桥在建筑艺术上也容易处理，可以通过选择合理的拱式体系及突出结 构上的线条来达到美的效果。由于钢筋混凝土的优点以及钢筋混凝土的普及和应 用，石拱桥逐渐让位于造价低、施工速度快、跨度大的钢筋混凝土拱桥。 需要指出的是：在大跨度钢筋混凝土拱桥中，由于自重大，拱截面中由于恒 载引起的压应力数值相当大，因此，由活载引起的截面应力相对较小，故一般是 按混凝土压应力控制设计。拱内钢筋的配置，主要根据无支架施工的要求进行， 一旦拱桥连成，这些钢筋并没有充分发挥作用，故它应该属于混凝土拱桥的范畴， 但习惯上也这类拱桥为钢筋混凝土拱桥。 2 第一章绪论 大跨度拱桥关键问题是施工问题。过去常用塔架( 拱架) 施工法，随着无支 架施工技术的发展，扩大了拱桥的使用范围，提高了它在大跨径桥梁中的竞争能 力。钢筋混凝土拱桥与斜拉桥相比，抗风稳定性强，造价低，维修费用小。四川 万县长江大桥也是劲性骨架混凝土拱桥，该桥跨度4 2 0 m ，把上承式拱桥的世界记 录由南斯拉夫k r ki 大桥的3 9 0 m 提高了3 0 m 。2 0 0 4 年建成的主跨为4 6 0 m 的巫山 长江大桥为目前世界上跨径最大的钢管混凝土拱桥。这些跨度记录和取得的设计 施工经验及科研成果说明，目前我国拱桥方面已跃居世界拱桥先进行列。 表1 i 中国已建成主跨2 0 0 m 以上拱桥桥梁一览表 序竣工年用跨径桥宽 口 桥名地理位置 结构型式 。弓。份途 ( m )m 钢骨钢筋混凝土型 1巫山长江大桥 巫山县 2 0 0 44 6 0 拱 公钢骨钢筋混凝土型 2万县长江大桥 重庆市 1 9 9 74 2 02 4 路拱 城中承式钢管混凝土 3广州丫髻沙大桥广州市2 0 0 07 6 + 3 6 0 + 7 63 2 4 市 系杆拱 公预应力混凝土桁式 4江界河大桥 贵州省 1 9 8 53 0 + 3 3 0 + 3 01 3 4 路拱 公钢骨钢筋混凝土双 5 邕宁邕江大桥广西邕宁 1 9 9 63 1 21 8 9 路肋拱 公钢骨钢筋混凝土双 6奉节梅溪河大桥 重庆市 3 1 0 1 7 5 路肋拱 公中承式钢管混凝土 7淳安南浦大桥 杭州市 3 0 31 2 4 路 拱 公下承式钢管混凝土 8武汉汉江三桥 湖北省 2 0 0 22 8 0 路拱 公 9三岸邕江大桥 广西邕宁 1 9 9 82 7 03 2 8钢管混凝土双肋拱 路 浙江三门公中承式钢管混凝土 1 0三门健跳大桥2 4 5 市路双肋拱 宜宾金沙江小南 公 1 1 四川i 省 1 9 9 02 4 01 9 5 钢骨钢筋混凝土拱 f - j ；t ：桥路 第一章绪论 3 公中承式钢筋混凝土 1 2武汉汉江五桥 湖北省2 4 0 1 8 5 路系杆拱 公 中承式钢筋混凝土 1 3落脚河大桥 贵州省 2 4 013 5 路 提篮拱 浙江象山公 1 4铜瓦门大桥2 3 81 0 钢筋混凝土提篮拱 县路 连徐高速京杭运公中承式钢筋混凝土 1 5 江苏省 2 3 53 3 5 河大桥路提篮拱 公 上承式钢筋混凝土 1 6许沟大桥 洛阳市 2 2 02 4 路 箱型拱 公 1 7 六景郁江大桥广东省 2 2 0 2 8 路 公 6 3 2 + 钢骨钢筋混凝土箱 1 8涪陵乌江大桥 重庆市1 9 8 91 2 路 2 0 0 + 4 7 4 型拱 j 东南海公中承式钢管混凝土 1 9三山西大桥1 9 9 54 5 + 2 0 0 + 4 52 8 市 路拱 拱桥未来发展方向主要有以下四方面：1 ) 拱圈的轻型化，可减轻对吊装能力 的需求，节省上、下部构造工程量，节省造价；2 ) 施工阶段拱圈的轻型化；3 ) 系杆拱、中承拱或多种结构形式组合桥梁；4 ) 钢管混凝土拱桥。 1 2 拱桥的分类、体系和结构特点 1 2 1 拱桥的分类、体系 拱桥的型式多种多样，构造各有差异，可以按照不同的方式进行分类： 主要材料可分为：圬工拱桥、钢拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥 1 ) 圬工拱桥：圬工拱桥是我国修建最早，类型有肋拱、板拱等。 2 ) 钢拱桥：我国在9 0 年代后发展为世界最大产钢国以前，钢材相对不多， 钢拱桥也修建较少。 3 ) 混凝土拱桥：为了减小拱的截面尺寸，减轻拱的重量，在混凝土拱圈中配 置受力钢筋，称为钢筋混凝土拱桥。钢筋混凝土拱桥中，拱圈主要为受压构件， 但允许拱圈出现拉应力，截面的拉应力主要由拱圈内配置的受拉钢筋承受。类型 有箱形拱、桁架拱、板拱、肋拱、刚架拱、桁式组合拱、双曲拱、系杆拱、中承 式拱、钢管混凝土拱等。 建筑的形式可以分为：实腹式拱桥及空腹式拱桥、组合体系式拱桥 4 第一章绪论 1 ) 实腹式拱桥：是指拱上建筑作成实体结构，拱圈和主梁之间用石料或砌块 填充的拱桥形式。优点是刚度比较大，构造简单，施工方便；缺点是随着桥梁跨 径的增大，拱桥的自重迅速加大，无法作成较大跨径的拱桥。一般用在跨径较小 的拱桥中，常用跨径为2 0 - - 3 0 m 。 2 ) 空腹式拱桥：是指拱圈和主梁之问用立柱支撑。其优点是较实腹式拱桥轻 巧，节省材料，外形美观，还有助于泄洪；缺点是施工比较麻烦，受力较复杂， 一般用在大跨径的桥梁中。 3 ) 组合体系式拱桥：由拱和梁组成主要承重结构的拱桥。通常用钢筋混凝土 或钢结构建造，兼有实腹式拱桥和空腹式拱桥的优点，跨越能力较大，一般用在 大、中跨度的桥梁中。 照拱轴线的型式可分为：圆弧拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥 1 ) 圆弧拱桥：拱圈轴线按部分圆弧线设置的拱桥。优点是构造简单，石料规 格最少，备料、放样、施工都很简便；缺点是受荷时拱内压力线偏离拱轴线较大， 受力不均匀。一般适用于跨度小于2 0 m 的石拱桥。 2 ) 抛物线拱桥：拱圈轴线按抛物线设置的拱桥，是悬链线拱桥的一种特例。 优点是弯矩小，材料省，跨越能力较大；缺点是构造较复杂，如果是石拱桥则料 石的规格较多，施工较不方便。 3 ) 悬链线拱桥：拱圈轴线按悬链线设置的拱桥。优点是受力均匀，弯矩不大， 节省材料，多适用于实腹拱桥，大跨度的空腹拱桥中也常常采用这种线形布置。 按照桥面的位置可分为：上承式拱桥、下承式拱桥、中承式拱桥 1 ) 上承式拱桥：桥面系设置在拱圈 之上的拱桥。优点是桥面系构造简单， 拱圈与墩台的宽度较小，桥上视野丌阔， 施工方便；缺点是桥梁的建筑高度大，纵 坡大和引桥长。一般用在跨度较大的桥 梁。 2 ) 下承式拱桥：桥面系设置在拱圈 之下的拱桥。优点是桥梁建筑高度很小， 纵坡小，可节省引道长度；缺点是构造复 杂，拱肋施工麻烦。一般用于地基差的 桥位上。 下承式拱桥 第一章绪论5 3 ) 中承式拱桥：桥面系设置在拱 肋中部的拱桥。优点是建筑高度较小，引 道较短；缺点是桥梁宽度大，构造较复杂， 施工也较麻烦。 按照铰的多少可分为：两铰拱、三铰拱、无铰拱 1 ) 三铰拱：在拱冠与拱端处均设铰的拱桥，属于静定结构。优点是对混凝土 收缩、徐变、温度变化，以及墩台位移不受影响，适用于地质条件差而要求修建 大跨度桥的场合。缺点是结构复杂，施工麻烦，维护费用高，整体刚度差，由于 三处设置铰，故对应的桥面处办需设置构造缝；拱圈挠曲在铰处急剧变化，因而 对行车不利。所以，我国仅在一些较小跨径的桥上采用。 2 ) 两铰拱：拱圈中间无铰而两端设铰与墩台铰接的拱桥，属于外部一次超 静定结构。其优点是拱脚处不承受弯矩，较无铰拱桥可减小混凝土收缩、徐变， 温度变化，以及墩台位移的影响。缺点是构造较复杂，对应的桥面处应设置构造 缝，施工亦较麻烦，对地基要求比较高，但较无铰拱对地基要求略低。 3 ) 无铰拱：又称固端拱桥。拱圈两端嵌固在桥墩上而中间无铰的拱桥，属于 外部三次超静定结构。优点是较有铰拱桥桥内的弯矩分布合理，材料用量较省， 结构刚度大，结构简单，施工方便，维护费用少，还可以将拱脚设计在洪水位以 下，有利于降低桥面的设计标高，具有较好的经济与使用效益。缺点是对混凝土 收缩、徐变、温度变化，以及墩台位移最敏感，会产生附加应力，应建设在可靠 的地基上。如图所示： 弋、，、 丫、y - y yy 三铰拱两铰拱无铰拱 按照有无水平推力可分为：有推力拱桥、无推力拱桥 1 ) 无推力拱桥：在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用的拱桥。其 推力由刚性梁或柔性杆件承受，属于内部超静定、外部静定的组合体系拱桥。适 用于地质不良的桥位处。墩台与梁式桥基本相似，体积较大，只能做成下承式桥， 建筑高度很小，桥面标高可设计的很低，降低纵坡，减小引桥长度，因此可以节 约材料。但是结构的施工比较复杂。 2 ) 有推力拱桥：在竖向荷载作用下拱脚对墩台有水平推力作用的拱桥。水 平推力可减小跨中弯矩，能建成大跨度的桥梁。造型美观，城市桥梁一般优先选 用，可做成上承式、中承式桥。缺点是，对地质要求很高，为防止墩台移动或转 6 第一章绪论 动，墩台须设计很大，施工较麻烦。 1 2 2 拱桥的结构特点 拱桥是桥梁基本结构形式之一，是在桥墩之间以拱形的构件建筑的桥梁。在 竖向荷载作用下，拱的两端支承处除有竖向反力外，还有水平推力。币是由于这 个水平推力的作用，使拱内弯矩大大减小。如果拱轴线设计合理，可以使拱主要 承受压力，而所承受的弯矩和剪力很小。这样，拱桥不仅可以利用钢、钢筋混凝 土等材料来修建，而且还可以根据拱的这个受力特点，充分利用抗压性能较好而 抗拉性能较差的圬工材料( 石料，混凝土，砖等) 来修建。从结构以及力学的角度 看，拱桥设计显得十分科学。 拱桥的主要优点是：1 ) 跨越能力较大；在世界范围内，钢筋混凝土拱轿目的 的最大跨径达到五百多米；2 ) 能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝土粱式桥 相比，可以节省大量的钢材和水泥；3 ) 能耐久，而且养护、维修费用少；4 ) 外型 美观；5 ) 构造较简单，尤其是圬工拱桥，技术容易掌握，有利于广泛采用。 拱桥的主要缺点是： 自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，当采用无 铰拱时，对地基条件要求高； 拱桥( 尤其是圬工拱桥) 一般都采用在支架上施工的方法修建，随着跨径和 桥高的增大，支架或其它辅助设备的费用大大增加，从而增大了拱桥的施工困难， 提高了拱桥的总造价；另外，拱桥的施工工序较多，在圬工拱桥建筑中，目前还 未能采用高度的机械化和工业化方法，因此需要劳动力多，建桥时间也较长。 由于拱桥水平推力较大，在连续多孔的大、中桥梁中，为防止一孔破坏而 影响全桥的安全，需要采用较复杂的措施，或设置单向推力墩，增加了造价。 与粱式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高，当用于城市立体交叉及平原 区的桥梁时，因桥面标高提高，而使两岸接线的工程量增大或使桥面纵坡增大， 既增加造价又对行车不利。因此也使拱桥的使用范围受到一定的限制。 拱桥虽然存在这些缺点，但由于它的优点突出，只要在条件许可的情况下， 修建拱桥往往仍是经济合理的，因此在我国公路桥梁建设中，拱桥，特别是其中 的圬工拱桥仍得到了广泛的应用。随着工程技术的不断发展，拱桥的缺点也正在 逐步得到改善和克服。如必须要在地质条件不好的地区修建拱桥时，就可从结构 体系上，构造型式上采取措施，或采用轻质材料来减轻结构的自重，或者设法提 高地基承载能力等。为了节约劳动力，加快施工进度，就需提高预制构件在圬工 数量中所占的比重，以利于机械化和工业化的施工。这些措施更加扩大了拱桥的 使用范围。而且拱桥的跨越能力也在不断增大，跨径由十几米发展到几百米。 第一章绪论 7 1 3 拱桥常见病害及原因 一直以来，钢筋混凝土拱桥一直是备受国内外工程界关注和喜爱的桥型之一， 尤其是上世纪8 0 年代后，我国修建了许多钢筋混凝土箱形拱桥，受当时认识的局 限，设计、施工和所用材料可能存在某些缺陷，这些缺陷使桥梁结构在先天一k 存 在着某些薄弱点。另外，2 0 世纪5 0 、6 0 甚至7 0 年代建设的桥梁，已经运营了3 0 4 0 年，这些桥梁设计荷载标准较低，而且大部分桥梁仍在服役，大量的低标准公 路桥梁已达到或接近桥梁的设计基准期。在运营中又由于车辆超载严重、超负荷 运行、养护未跟上等诸多原因，会受到不可避免的损坏，在风、雨、洪水、冰冻、 温度变化和湿度等自然因素侵蚀下，甚至在地震、撞击和超载营运的严重损害下， 许多桥梁的结构发生了巨大变化，有些桥梁己出现不同程度的损伤。随着时问的 推移，先天缺陷和后天病害的不利影响往往结合在一起，再加上荷载和外力的最 不利组合，逐渐产生损坏现象，这是一个不可逆转的过程。一处或某几处局部的 损坏又可能产生连锁反应，波及到更多的位置，发展成更大的损坏，甚至危及整 个桥梁的安全，发生事故。 特别是早期所修建的桥梁没有完善的技术档案，每座桥梁的关键性技术资料， 特别是隐蔽性工程的技术资料难以查找。所以说这些桥梁已经不适应当今经济快 速发展的需要，病害和缺陷累累。对于这些出现病害的桥梁，如果全部拆除重新 建，不仅资金耗费巨大，而且建设周期长，不利于国民经济的发展。因此今后的 工作重点是及时发现桥梁的病害，并对检查( 测) 的病害进行检测分析，找出病害 的主要原因，提出比较合理的处治建议，通过技术手段对既有桥梁进行加固，以 使病害桥梁在短期内迅速提高承载力，消除交通安全隐患。 钢筋混凝土拱桥常见病害与拱桥的结构特点有着密切关系，常见病害有：基 础冲刷下沉，主拱圈变形或径向丌裂，桥面丌裂、沉陷，出现桥头跳车等等。下 面针对这些病害及成因进行具体分析。 1 3 1 拱顶下沉、拱轴线变形 产生拱顶下沉、拱轴线变形的主要原因有以下几种情况： 原设计通行能力不足 大多数原桥梁的设计标准较低，使得主拱圈刚度不足，在运营中又由于车辆 超载严重、超负荷运行，是拱顶下沉、拱轴线变形的主要原因。尤其是一些修建 的双曲拱桥，存在较低的设计载重和较差的整体性，经多年通车，损坏率较高。 桥台的水平位移 拱脚发生水平位移时，拱轴各截面均会出现一定的下沉，拱顶下沉最突出。 拱桥产生桥台水平位移的主要原因是桥台水平推力不足和稳定性差。如软土地基 8 第一章绪论 的不均匀沉陷和桥台拱座的水平位移。在桥台拱座水平位移后，使桥跨相应增大， 拱座向后倾斜、转动；拱轴线变形较大，跨中部位下挠，造成桥面积水，甚至导 致桥面破坏，侧墙外倾乃至拱上建筑倒塌。 在拱桥的有关调查中，发现一些软土地基上的拱桥桥台出现了一定的水平位 移并引起了结构的丌裂，但这些桥梁大部分仍能萨常运营，其原因在于拱是超静 定结构，当桥台水平位移到一定程度时，拱脚截面拱背产生径向缝，特别是拱脚 上缘未设锚入拱座钢筋的双曲拱桥，主拱圈的支撑条件由原来的无铰拱改变为介 于无铰、两铰之间，引起拱内力的重分布，桥台水平位移在无铰拱中引起的附加 内力比两铰拱大的多，因而支撑条件的改变在相当程度上减少了桥台水平位移引 起的附加内力。其次，拱脚截面开裂，其刚度削弱，导致主拱圈的刚度发生变化， 引起了主拱圈的内力重分布，使拱脚截面的弯矩大大减小。虽然拱脚上缘开裂， 但拱脚下缘的抗压强度仍能满足要求。 其它原因 拱顶下沉的其他原因还有未设预拱度或预拱度留的不够、施工时由于支架变 形引起、混凝土质量差和徐变系数大等等。 1 3 2 主拱圈丌裂 主拱圈出现的裂缝大致分为两类：一类是恒载、活载或结构位移引起的结构受 力裂缝，另一类是由于混凝土干缩引起的塑性收缩裂缝或是由于温度应力引起的 温度裂缝。后者的主要特征是宽度较小，长度短。此类裂缝一般仅出现在结构受 力的薄弱环节，不会对结构的实际安全造成显著影响。结构受力裂缝在长期荷载， 特别是超载车辆的作用下，会继续发展。 1 3 3 桥面系损坏 造成桥面破碎的原因主要有两个方面，一是桥面板没有足够的强度、浇筑质 量差，或产生温度裂缝；二是重车、交通量同益增长，加剧了桥面的病害。 拱桥常见病害的产生，可以是单一原因，也可以是诸多原因综合作用的结果， 应对病因进行多方面分析，再针对成因提出维修加固方案。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 传统拱桥计算理论与有限元分析方法的对比 我国在2 0 世纪6 0 、7 0 年代设计拱桥时，由于当时有限元方法尚未得到推广 和应用，所以内力计算多采用经典力学方法手算，即应用结构力学及相关桥梁工 程知识把主拱圈看成裸拱并进行计算分析；同时由于结构力学的手算方法很难解 决高次超静定问题，为此引入横向分配系数，先按弹性支承连续梁算法( 或其他 第一一章绪论 9 方法) 计算出每根拱( 肋) 的横向分配系数，之后再计算其内力，最后进行强度 及稳定性验算。上述计算方法比较繁琐，并且引入大量的假设，例如以裸拱计算， 不考虑拱上联合作用也很少考虑连拱效应等，使得计算结果与实际结构存在一定 的差别且偏于安全。这就是为什么工程界普遍认为“拱桥的承载潜力很大 的原 因。 拱桥是多次超静定的空间结构，但传统的拱桥计算理论一般采用平面模型， 并将主拱结构计算与拱上建筑计算分解丌来，同时假定全部外部荷载由主拱承受， 而拱上建筑当作将荷载传递给拱的局部受力构件，不与主拱共同作用。这种假定 虽然简化了结构物的计算图示，但不能精确地反映结构各个局部的真实应力水平。 产生计算误差的主要原因有： 拱上建筑与主拱的联合作用。混凝土拱桥中拱圈与拱上建筑是不同程度地 联合受力的。主拱的弹性变位影响到拱上建筑的内力，而拱上建筑则约束着主拱 的变位。理论计算与试验表明计入拱上建筑联合作用影响后，主拱所受弯距可有 所降低，随拱上建筑与主拱连结情况不同而不同。 活载的横向分布。在横桥方向，不论活载是否作用在桥面的中心，在桥梁 的横断面上都会出现应力的不均匀分布。研究指出，对于拱顶截面，不考虑横向 分布系数往往偏于安全。 局部构造的结构计算中难以准确模拟模型的边界条件。拱上建筑与主拱的 联合作用显著影响拱上建筑的内力。拱上建筑刚度越大，影响就越大。考虑与主 拱共同工作计算分析所得的内力与分开计算的结果迥然不同，弯矩甚至可能会变 号。如按分开计算而采用的构造不妥，则拱上建筑可能严重丌裂甚至破坏。可见 若不能准确地模拟拱上建筑的边界条件，将有可能导致较大的计算误差而对结构 产生不安全的影响。 理论研究表明，传统的拱桥计算方法，由于不考虑拱上建筑及其空间受力特 点，难以准确反映其实际承载能力。有限元法是为了适应使用计算机而发展起来 的一种有效的数值方法。如今，桥梁专家和工程n t i 已广泛采用有限元法进行拱 桥结构分析与计算。它可以解决传统计算理论带来的不足，能够建立具有足够精 度的全桥统一的有限元模型，采用适当的连接方式模拟拱上建筑和主拱圈的联合 作用，以及连拱的效应，从而避免因内力计算误差而导致的设计不当。利用所建 空间模型进行控制截面某量值的影响面分析，可以比较准确的确定其最不利位置， 克服了利用影响线带来的活载横向分布的误差。 1 4 2 拱桥极限承载力的建模工具与方法 复杂结构的分析己经离不开计算机这种计算手段，因而最重要的问题是用有 1 0 第一章绪论 效的方法准备数据、运行计算程序和应用计算结果，为此必须建立力学模型。所 建立模型的行为必须具有足够的精度、能用可接受的计算机设备计算，并反映真 实桥梁的结构行为。这种方法己经应用于广泛的领域，这就是有限元分析。桥梁 的有限元模型可以在不同层次中建立。第一层次包括能代表全桥行为的模型，即 用于研究上部结构、下部结构和基础；第二层次包括桥梁主要构件的模型，例如 梁和拱等；第三层次指一个复杂细节或部分细节的应力分析，如拱梁结合部、系 杆锚固处。实际建模当中，由于不同层次互相重叠，因此不可能绝对区分它们。 大跨度拱桥的计算模型应尽可能与实际结构一致，不宜做太多简化。目自i 拱 桥整体极限承载力分析模型大致有三种形式，即平面杆系模型、空间杆系模型和 空间板壳与实体相结合的模型。平面杆系模型应用最广，尤其目前国内丌发的桥 梁分析专用程序绝大多数都基于平面杆系有限元理论。有学者认为大部分情况下， 把空间结构模拟成平面杆系是有足够精度的。当然，这种模拟方法有一个致命的 弱点就是不能考虑结构的面外失稳和面外荷载。因而对拱桥进行普通的静力分析 用于设计在一定程度可以满足要求，而进行复杂的极限承载力研究显然不适合。 空间杆系模型的应用也很广，通常对于大跨度桥梁，都会使用通用有限元程序进 行空问杆系模型分析。从众多桥梁分析实践来看，空问杆系模型能够反映桥梁结 构的整体受力性能，而且具有建模简单且计算时间适中，是一种理想的研究拱桥 极限承载力的建模方法。空间板壳与实体相结合的模型使用较少，主要原因是使 用这种方式建立的模型复杂、计算时间长、结果数据处理困难。这种方法更广泛 的应用于桥梁结构的第三层次建模。 随着计算机和有限元技术的发展，使大型结构分析软件趋于成熟，出现了 a d i n a ，a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ， n o n s a p ，m i d a s ， s u p e rs a p 等一批优 秀的商品化有限元分析软件。本论文中运用的是大型通用结构有限元分析软件 m i d a s ，在第二章中详细介绍。 1 5 选题背景 四川省嘉陵江大桥位于川陕公路( 国道1 0 8 线) 广元市境内，该桥桥型布置 为引桥5 4 0 米实心矩形双肋钢筋混凝土拱+ 主桥3 8 5 米箱形双肋钢筋混凝土 拱，全桥总长为5 3 0 5 2 米，桥面宽1 3 米，拱肋问用钢筋混凝土横系梁连接。该 桥于1 9 9 0 年1 2 月竣工，并投入使用。随后在养护期| 日j 发现该桥的主拱圈、立柱 以及纵梁有多处产生破损及裂缝，2 0 0 8 年对大桥进行了加固施工，在进行加固施 工期间，受5 1 2 地震影响，又有多处受损，为此，有关部门针对性的提出了加固 设计方案。该桥为多跨连续拱桥，拱与拱之间相互关联，且因旧桥存在结构状态 的不确定性及其他因素。为确保旧桥的加固施工加固过程的施工安全和结构加固 第一章绪论 后的外形和内力状念符合设计要求，对整个桥梁加固施工过程进行了全程监控监 测，并在桥梁加固完成后对桥梁进行荷载试验，检验了加固效果。 本文以此项目为背景，完成了大跨度钢筋混凝土拱桥加固过程施工控制和加 固效果评估一系列研究工作，取得了良好的效果。 1 6 本文主要内容 本文以广元嘉陵江大桥为依托工程，介绍了拱桥的发展情况、分类和受力特 点，在总结钢筋混凝土拱桥常见病害的基础上，结合依托工程，从以下几个方面 展丌研究： 1 6 1 介绍了桥梁监控的发展现状，分析了既有拱桥维修加固施工监控的作用、 意义以及必要性，以广元嘉陵江大桥为依托工程，针对连续多跨既有拱桥的加固 施工步骤，研究了加固施工监控方案，确保施工安全和质量。 1 6 2 根据加固施工方案，依靠桥梁结构有限元理论，应用大型通用结构有限元 分析软件m i d a s ，论述了加固模型的特点与建立过程。根据建立的施工过程模型， 对桥梁结构的加固施工步骤过程进行了仿真计算分析，用理论方法检验加固方案 的可行性，并为加固施工过程的控制、监控提供理论依据。 1 6 3 根据加固方案和仿真分析结果，对大桥的施工过程进行了施工监控，取得 了预期效果，实现了施工过程安全控制目的。 1 6 4 加固完成后，利用加固模型分析成果，结合桥梁结构静、动载试验，对实 桥性能进行了评价，验证加固后是否达到预期效果，并提出相应的养护建议。 1 2 第- 二章拱桥维修加例施l ：控制系统与方法 2 1 引言 第二章拱桥维修加固施工控制系统与方法 我国桥梁先辈周念先在其著作桥梁方案比选一书中，就不止一次引用了 费莱西奈氏所说的“l o o m 和1 0 0 0 m 的拱桥在设计方面难度相差不大，而施工方面 的难度的差别就非常悬殊”，说明了拱桥的施工方法和相应的施工控制问题十分重 要。 国外在桥梁施工控制技术方面的研究起步较早，最早使用桥梁施工控制概念 要追溯到2 0 世纪5 0 年代初，第一座现代斜拉桥s t r o m s u n d 桥施工时，建桥者就 如何使索力和标高达到设计要求的问题进行研究，这也是传统意义上的施工控制。 在1 9 5 8 年修建t h e o d o nn e n s s 斜拉桥时，设计者首次提出了采用“倒退分析”的 方法计算出各施工阶段结构的标高和初始索力。随着监控技术的发展，目自仃发达 国家己将施工控制纳入常规施工管理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预 报，发展到分析预报的计算机自动控制，已形成了较为完善的桥梁施工控制系统。 相对而言，我国在该领域还较为滞后。我国虽在2 0 世纪5 0 年代就已注意到 施工中结构内力和变形的调控，如1 9 5 7 年建成的武汉长江大桥在施工过程中就做 了应力、标高的调整，但在现代桥梁施工控制技术方面的研究相对起步较晚。8 0 年代以后，随着计算机在桥梁工程中应用的普及和深入，桥梁工作者开始运用计 算机辅助桥梁施工。1 9 8 2 年建成的上海柳港大桥首次根据现代工程控制的基本思 想，有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工控制。8 0 年代后期，对斜拉桥 的施工监控技术也进行了全面研究，并初步形成系统，在上海南浦大桥和浙江雨 江斜拉桥施工中进行了实际的应用，这一系统在简化施工过程，保证质量，提高 效应和缩短工期方面发挥了重大作用。 从目前所查阅的资料可以看出，国外桥梁的施工监控主要是围绕大跨度桥梁 的建造过程进行的，而针对既有混凝土拱桥加固施工的监控技术少有涉及。但是 为了保证既有拱桥的加固施工安全，特别是多跨连续拱桥，对维修施工过程进行 控制是十分必要的。 2 2 维修加固施工监控的必要性 在近年来的桥梁建设中，人们已越来越认识到施工监控的重要地位与作用。 为了保证桥梁施工安全与成桥内力和线形符合设计要求，施工监控已成为施工技 术的重要组成部分。对于大跨度桥梁的施工监控、监测的重要性不言而喻，对于 既有大跨度桥梁的加固施工的监控、监测更有着自身的必要性。 2 2 1 大跨度拱桥的维修加固中，恒载的影响巨大 第二章拱桥维修加州施i ：控制系统与方法1 3 既有大跨度拱桥已经运营一段时问，拱肋上承受上部结构的自重或其他荷载， 结构自重是控制桥梁承载能