空心板梁桥加固理论与实践

1、空心板梁桥加固理论与实践 浙江省空心板梁桥概况浙江省空心板梁桥概况 空心板梁桥主要病害及原因分析空心板梁桥主要病害及原因分析 空心板梁桥细部力学分析理论空心板梁桥细部力学分析理论 空心板梁桥主要病害加固实践空心板梁桥主要病害加固实践 问题与思考问题与思考 浙江省空心板梁桥概况 截止截止2011年底，浙江公路桥梁总数年底，浙江公路桥梁总数45668座座 中小跨经（单跨中小跨经（单跨40米，）桥梁占米，）桥梁占 92 %； 其中空心板梁桥其中空心板梁桥26684 座，占中小跨径的座，占中小跨径的 59.6 %。 近年，全省普通国省道修复加固桥梁中，空心板类桥占近年，全省普通国省道修复加固桥梁中，空

2、心板类桥占70 %以上。以上。 近年，我省桥梁突发事件，空心板类桥梁占主要（梁板断裂、铺装严重近年，我省桥梁突发事件，空心板类桥梁占主要（梁板断裂、铺装严重 破损等），以钱江三桥为典型代表。破损等），以钱江三桥为典型代表。 空心板桥在浙江公路桥梁中占重要地位。空心板桥在浙江公路桥梁中占重要地位。 空心板梁桥主要病害（五大病害） 1、桥面铺装纵向裂缝、桥面铺装纵向裂缝铺装破损铺装破损 2、预应力空心板底纵向裂缝、预应力空心板底纵向裂缝 3、钢筋混疑土空心板横裂渗水钙化，从正、钢筋混疑土空心板横裂渗水钙化，从正 常常非正常裂缝非正常裂缝 4、铰缝损坏、破坏、铰缝损坏、破坏单板受力单板受力 5、支座

3、脱空、支座脱空 其它：宽幅板梁端斜向裂缝、预应力空心板其它：宽幅板梁端斜向裂缝、预应力空心板 横向裂缝、横向裂缝、 病害原因分析 从宏观来说： 铰缝是关键（单板受力铺装裂缝铺装裂缝梁板梁板 损坏）损坏） 先天不足是根本（小铰缝、薄铺装）、 超载是祸首。 设计惯例影响：铺装层、铰缝不计算，仅提构造要求。 5 60-70年 代 90年代 2000年后 空心板截面形式和铰缝的演变 超载引起的内力对比（20米空心板） 荷载 跨中弯 矩 kN.m 支点剪 力kN 跨中 挠度 cm 设计 值 公路I级 荷载 691.4 2 238.4 7 2.42 整体 受力 实测5轴 超载车 1123. 48 480.

4、7 7 4.29 与设计值 的比值 1.622.021.77 单板 受力 实测5轴 超载车 1988. 14 885.4 7 7.60 与设计值 的比值 2.873.713.14 7 2006年， 张同公路调查结果32。 车辆总重最大车辆总重最大134t，单轴最大，单轴最大43t。 2001年，广东省超载运输调查33。 车辆总重最大车辆总重最大131.8t，最大单轴重达，最大单轴重达31t。 车辆总重 2009年年111月，杭州萧山治超站。月，杭州萧山治超站。 超限超载车共692辆,其中超载车638辆。 车辆总重超车辆总重超100吨的吨的22辆，辆， 最重的达最重的达129.05吨。吨。 病害

5、原因分析 桥面铺装纵向裂缝的原因桥面铺装纵向裂缝的原因 铺装过薄、铰缝失效、铺装层施工时层间结铺装过薄、铰缝失效、铺装层施工时层间结 合不良及钢筋网片下沉、梁板顶面不平整合不良及钢筋网片下沉、梁板顶面不平整 （反拱不一、施工误差过大等）、支座脱（反拱不一、施工误差过大等）、支座脱 空造成梁板翘曲影响空造成梁板翘曲影响 铰缝损坏、破坏 早期小铰缝设计缺陷、施工工艺（凿毛不到 位、浇筑不到位、铰缝钢筋搭接不到位、 铰缝混疑土材料未考虑粘结性要求） 板底横向裂缝原因 对钢筋混疑土结构来说，宽度及高度限度以内的横裂 是正常的，（极限状态设计，受拉去混疑土不参与 计算）。 但超过限度的是不正常的（中性轴

6、以下、0.2mm以 内） 中性轴过高，影响受压区面积，增大钢筋应力和裂缝 宽度。 裂缝宽度过大，影响钢筋耐久性，锈蚀。 个人理解：裂缝宽度从设计计算来说，是 个半经验半理论公式，个别裂缝超限说明 不了什么问题，关键的是否渗水钙化。 预应力空心板板底纵向裂缝 原因复杂，既有设计，又有施工、运营原因 1、设计：温度应力，内外温度相差10度时，底板横向拉应力可 达 1.14MP. 2、翘曲畸变，顶底板的最大拉应力达1-2MP 3、施工：钢束偏差，支座脱空、保护层过薄等 钢束偏差处（即钢束横向弯折处，本算例 中是L/4附近）横向拉应力区域明显向偏差 钢束处偏移,应力幅值成倍增大。 应力幅值与钢束偏离距

7、离基本成线性变化。 钢束横向弯折以外的其他区域受影响均很 小。 运营超载 虚 线 为 工况1 实 线 为 工况2 仅一辆超载车在空心板底板中产生的纵向和 横向应力，便已超过并排3辆规范车辆所产 生的应力将近2倍。 超载车作用下，底板外缘最大横向应力可达 0.40.5MPa，出现在车轮直接作用处以 外的邻近空心板中。 支座脱空 形成梁板翘曲，不平，增大梁板应力 影响桥面铺装的受力，产生裂缝 造成铰缝的损坏 从桥梁定检情况看，梁式桥支座脱空的比 例较高，应引起重视。 施工时安装问题（三点定面，四点很难成一面）、支座质量差（河北衡水）、 其它病害 预应力空心板板底横向裂缝有2种，弯拉 区裂缝（白沙大

8、桥）、预应力变化处（先 张法施工短束处横裂（瑞安高架桥）应正 确区分是弯拉应力过大还是施工缺陷造成 。 空心板桥细部力学计算 梁板计算 传统方法：铰接板法、刚接梁法 铰接板法计算的前提是：半波正弦荷载跨中 绕度与变形成正比，但车辆荷载不是半波 正弦荷载。现代有限元理论已经分析证明 ，按铰接板法计算的横向分布系数是偏大 的，对结构是偏安全的。关键的问题往往 是铰缝起不了铰的作用。 空心板梁桥细部力学分析 现代有限元方法：平面杆系（实质上也是横向分布系数 法）、梁格法、实体单元法。 三种方法计算的梁的应力是有区别的。从保守到精确。三种 计算方法中，前二种对铰缝都是按铰来模拟，实体单元 法对铰缝的处

9、理有不同的方法，结果也有差异。 概括：由于铰缝的结构，使得实际结构应力与计算模型 是有差异的。正确认识不同的模型特点，对荷载试验校 验系数的判别有帮助，应越来越趋近于1。（有人计算过 ，单跨预应力简支空心板梁桥，混凝土桥面铺装层参与作 用时，跨径为10m和13m的简支空心板梁桥，应力和挠度 校验系数提高43左右。跨径为16m和20m的简支空心板 梁桥，应力和挠度校验系数提高26左右。) 19 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 沥青铺装层 混凝土铺装层 空心板间的缝隙 铰缝与空心板结合为 一个整体统一划分 单元网格 空心板铰缝病害分析空心板铰缝病害分析 20

10、铰缝应力的考察位置铰缝应力的考察位置 图图7.2.27 跨中横截面上跨中横截面上3-6号铰缝的第号铰缝的第1主应力沿标高方向分布主应力沿标高方向分布 空心板铰缝病害空心板铰缝病害 21 铰缝剪应力铰缝剪应力Sxy （沿高程方向的错动）（沿高程方向的错动） 沿桥长变化沿桥长变化 第第7 7章章 空心板铰缝病害空心板铰缝病害 22 图图7.2.27 铰缝剪应力铰缝剪应力Sxz （沿桥长方向的错动）（沿桥长方向的错动） 沿桥长变化沿桥长变化 第第7 7章章 空心板铰缝病害空心板铰缝病害 铰缝处实体单元应力分析说明：规范车辆 荷载下，铰缝应力在可控范围内；超载车 辆作用下，主应力和剪应力较大，可能导

11、致铰缝开裂。 铰缝损伤识别 空心板梁桥铰缝是否完好，目前无很简 易的办法 1、如果铰缝已渗水，可以说明铰缝已开裂受损 2、勾缝脱落，不能说明铰缝已损坏。 3、定期检查手段无法正确判断 4、荷载试验可通过横向绕度曲线大致判别铰缝状态 国内有人在研究铰缝损坏的判别方法，有 待实践检验 1.上海通过相邻板绕度变化，开发了专利产品：电阻式铰缝 位移计 2.重庆交大研究了基于舜态动力分析的铰缝损伤识别方法 铺装层对桥梁受力的影响分析 规范规定，铺装层可以在扣除磨耗层后计 入刚度计算，但也可不计刚度贡献，只计 横载。 研究表明，铺装层厚度对铺装层本身及空 心板的应力变化影响较大。应有一个合适 值，不宜过大

12、和过小。宜对不同跨径、不 同铰缝损坏情况作理论分析和实践验证。 计算表明，铺装层施工时局部缺陷如脱空 等，可造成铺装层裂缝产生。 铺装层最大拉应力对比图 主要结论 不同跨径铺装层最大拉应力在厚度大于 12CM以后时变化较小。 最大顺桥向剪应力、层间剪应力在厚度大 于10CM以后时变化较小。 20米以上跨径铺装层应力远大于其他跨径 铺装层厚度对较缝应力的影响 12-14cm交界点现象。 矩形铰缝应力较低 宽幅式空心板的研究试验结论 20m宽幅空心板断面 抗弯破坏性试验 抗弯破坏性试验结论 荷载效应数值（knm裂缝表征特点备注 设计活载约550无裂缝普通板约690 开裂荷载770跨中腹板细微 裂缝

13、 1028底板开始横列 1300横列贯通 1758产生压碎性细 裂缝 破坏 抗剪破坏性试验 试验结果 加载重量T裂缝特征 自重9.2 开裂前9.2-32 裂缝发展32-51裂缝在支座中心线和 加载点连线与中性轴 交点附近发展 裂缝发展迅 速至破坏 51-105 空心板加固方法 国内空心板加固的方法很多，围绕恢复铰 缝功能、增加横向整体刚度、提高承载潜 力等方面探索了很多。 常见的梁板纵向抗弯加固（贴钢板、碳纤 维布）、铺装层结合铰缝加强加固 近年探索中的有横向体外预应力、纵向槽 钢加固、 抗弯加固 黏贴钢板、碳纤维、体外预应力、高强聚合 物砂浆加固。 黏贴钢板、碳纤维加固：提供一种超载的潜 力

14、，质量较难保证。先卸载再加固，效果 更好，所以施工时应尽量不上活载。 MPC 高韧性混疑土加固：宁波白溪大桥， 抗拉强度达50MP,哈工大研制，造价高。 横向整体加固 国外有空心板增加横格梁施加预应力的工程 实例，效果是明显的。 横向整体加固的目的是增加铰缝的传荷能力 。铰接变刚接， 国内已有专著体外横向预应力加固简支空 心板梁桥技术，根据河南的一些实例总 结了计算方法。 浙江的横向整体加固实例 土竹殿桥，如图4.1所示，位于浙江省仙居县境内临金线上，全桥共 五跨，单跨跨径13.0m，桥梁全长为66.9m，桥面净宽9.0m，与 河道斜交30度。上部结构为9块宽1m的钢筋混凝土简支空心板。下 部

15、结构采用钻孔桩墩台。设计荷载为汽20级，挂100。土竹殿 桥为5孔等跨径的空心板桥，加固前该桥存在桥面铺装开裂、铰缝渗 水和板跨中开裂的病害，已呈现单板受力趋势。 浙江省仙居土竹殿桥横向体外预应力加 固 HVM预应力体外索 KM15型锚具 锚板螺栓 锚板 体外索采用符合预应力混凝土用钢绞线（GB/T 52242003 ）标准的270级高强度低松弛钢绞线，公称直径15.2mm，公称面 积139mm2，标准强度fpk为1860MPa，预应力钢绞线的张拉控制 力为140 kN。 荷载试验结果对比 第三跨进行桥面补强和体外横向预应力加固前，在荷载作用下最 大挠度实测值为5.8mm，加固后最大挠度实测值

16、为 1.51mm，测点加固后实测值与加固前实测值比值均小于1 ；挠度实测值均小于加固后有限元计算值，加固后挠度校验 系数左偏载工况在0.620.99之间，中载工况在0.510.87 之间，右偏载工况在0.460.83之间。 加固后荷载横向分布系数比较（中载工中载工 况况 ） 012345678910 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 加固后有限元 加固前 加固后 横向分布系数 横向位置 横向黏贴钢板加固 加固后荷载横向分布系数比较（中载工中载工 况况 ） 123456789 0 50 100 150 200 250 300 350 加固后有限元 加固前 加固后 应变（

17、） 板号 结论： 与加固前相比，桥梁第二跨和第三跨在加固后，挠度、应变 均大大减小，说明加固后结构刚度明显增大；全部挠度实测 值和大部分应变实测值小于加固后有限元计算值，说明加固 大致达到预期效果，桥梁具有了一定安全储备；横向分布系 数接近于计算值，且分布规律与计算值总体吻合，说明采取 的加固措施加强了空心板之间的协同工作能力。 点评：从定性上来说，加固肯定有效果，但荷载试验结果是 在桥面铺装和铰缝修复后进行，这之间，横向贴钢板和体外 预应力加固的效果受到了一定的影响。中间应再有一次试验 来说明横向贴钢板和体外预应力加固的效果。或者是未进行 桥面铺装修复的横向加固效果影响，尽量减少叠加的影响。

18、 预应力高强钢丝绳网片加固 抗剪加固 需要进一步探讨的问题 设计计算方法：定量的问题要解决。体外 预应力的大小、位置、工艺。 各种方案的适应性问题（从造价、施工难 易、耐久性等） 进一步扩大实际工程应用，总结效果。 纵向槽钢加固（铰缝加固） 台州做法： 需要进一步研究的问题 纵向肋几何尺寸对传递剪力的影响。 如何更进一步提高经济适应性 加强试验和效果的检验。 个人理解：因为施工要搭设脚手架，对个别 铰缝的处理应是合适的，（不动上而动下 时）、对交通管理特别困难的地方也可选 。 铰缝增大截面加固铰缝增大截面加固 问题与思考 空心板修复加固中应认真分析病害原因和病害规模，采取多方案比 较，择优确定

19、方案 通病：分析不仔细，简单处理（换板等等），小的设计单位缺乏经验 和计算分析能力。 目前，铰缝的破坏和识别方法仍不完善，应研究解决的办法，提出 定量的方法。应重点针对铰缝的处理，加强实践。包括方法和工艺 在新的结构中改善铰缝结构尝试 铺装层结合铰缝加固仍是主要的选择方案，应总结实际工程的应用 评估，不断改进细节问题。 应加强施工质量的管理，解决通病：铺装层与桥面接触不好，厚薄 不均，钢筋网下沉、铰缝修筑不密实 进一步加大科研的力度，解决各种加固方法的理论支撑；提出简便 易行的损坏识别方法 加强设计市场管理，（小单位少做和不做）。 窄的浅接头(起铰接作用) 窄的深接头(起刚接作用) 宽的浅接头

20、(起铰接作用) 宽的深接头(起刚接作用) 谢谢大家！ 郑求才 邮箱： 电话513923） QQ:903139058 超载引起的内力对比（20米空心板） 荷载 跨中弯 矩 kN.m 支点剪 力kN 跨中 挠度 cm 设计 值 公路I级 荷载 691.4 2 238.4 7 2.42 整体 受力 实测5轴 超载车 1123. 48 480.7 7 4.29 与设计值 的比值 1.622.021.77 单板 受力 实测5轴 超载车 1988. 14 885.4 7 7.60 与设计值 的比值 2.873.713.14 58 铰缝应力的考察位置铰缝应力的考察位置 图图7.2.27 跨中横截面上跨中横截面上3-6号铰缝的第号铰缝的第1主应力沿标高方向分布主应力沿标高方向分布 空心板铰缝病害空心板铰缝病害 铺装层对桥梁受力的影响分析 规范规定，铺装层可以在扣除磨耗层后计 入刚度计