中承式钢管混凝土拱桥检测与质量评定技术

1、中承式钢管混凝土拱桥检测与质量评定技术1、项目的背景和必要性1.1 项目概况 拱桥是人类最早也是最广泛使用的桥型之一。世界各文明古国，都有建造拱桥的悠久历史，其中以中国和古罗马的成就最高。如建于隋唐时期的赵州石拱桥，已有1300多年历史，至今依然完好。保留至今的古代名桥大多数为拱桥，说明拱桥是一种最为坚固耐用的桥型。拱桥是主要承重结构是拱圈或拱肋，拱结构在竖向荷载作用下，桥墩和桥台将承受水平推力。墩台向拱圈或拱肋提供一对水平反力，这种水平反力将大大抵消在拱圈（或拱肋）内由荷载所引起的弯矩。因此，与同跨径的梁相比，拱的弯矩、剪力和变形都要小得多，鉴于拱桥的承重结构以受压为主，通常用抗压能力强的圬

2、工材料和钢筋混泥土等来建造。所以我国山区道路上的中、小跨径桥通常都是石拱桥。据统计，我国公路桥梁60%为拱桥。拱桥不仅跨越能力很大，而且外形美观，在条件许可的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。在200600m跨径范围内拱桥都有相当大的竞争优势。在城市桥梁和平原地区通航河流上，中承拱往往颇受青睐，因为它可降低桥高，矢跨比大，可减少推力；桥面建筑高度小，可缩短桥长；造型美观，为城镇增添景色；造价也较低。因此这种桥型应当有着十分广阔的发展前景。其中，钢管混凝土结构在我国的兴建方兴未艾，跨径在不断突破，型式在不断创新，技术在不断提高。 “钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”(Steel TubeConfi

3、ned Concrete)的简称，英文缩写为STCC，其应用最广的是圆钢管混凝土。钢管的套箍作用大大提高了混凝土的塑性性能，使得混凝土，特别是高强混凝土脆性的弱点得到克服。另一方面，混凝土填充于钢管之内，增强了钢管的管壁稳定性，刚度也远大于钢结构，使其整体稳定性也有了极大的提高。因此，钢管混凝土材料应用于以受压为主的构件中，较之钢结构和混凝土结构有着极大的优越性。中承式拱桥具有拱式桥的跨越能力大和梁式桥的对地基适应能力强的优点，不仅能够保证一般拱桥的基本力学性能，也能充分发挥混凝土结构的抗压强度优势。在二十世纪七八十年代，随着施工技术的提高，中承式拱桥在交通建设中得到广泛应用。经过几十年的运营

4、，桥梁的耐久性能和承载能力会随之降低，为了解桥梁的工作性能，保证其安全运营，需对其承载能力进行检测与质量评定。1.2项目研究目的 本项目将在钢管混凝土拱桥大量应用以及已经进行的各种研究成果的基础上，选取典型的工程作为分析对象，对钢管混凝土拱桥的使用管理与养护技术及健康诊断与检测系统进行研究。对于新建桥梁，从设计施工就应考虑将来的使用和养护问题；对于已建成的桥梁提出合理的使用管理与养护改造方案，提出中承式钢管混凝土拱桥健康诊断和质量评定方法。促进钢管混凝土拱桥设计、施工与养护的技术的提升，促进钢管混凝土拱桥的科技进步，降低工程造价、提高结构安全性，取得显著的经济效益和社会效益。1.3市场需求前景

5、交通基础设施建设是我国现代化建设的一个重要方面，桥梁是基础设施中的关键内容。我国近年来修建了大量的公路、铁路和市政工程桥梁，尤其近几年来高速铁路的快速发展，使得桥梁的设计、施工和健康检测与养护维修越来越引大家的关注和重视。 钢管混凝土拱桥结构形式多样，适用范围广，经济跨径从几十米到二三百米，最大跨径已经达到492米（重庆巫山长江公路大桥）。钢管混凝土拱桥的应用有着广阔的前景。另外一方面，近年来国内外桥梁工程事故不断发生，尤其是已建成的桥梁。我国先后有重庆綦江县彩虹桥、四川小南门金沙江大桥、四川宜宾南门大桥、广东九江大桥、湖南凤凰大桥、辽宁盘锦大桥、常州运河大桥、太原东柳林大桥、江西上饶傍罗大桥

6、、深汕高速龙岗桥等多座桥梁因各种原因垮塌；国外也有诸如美国明尼阿波利斯钢桁架桥、巴基斯坦卡拉奇高架桥、韩国首尔中央汉江大桥、越南永隆省桥梁在施工或运营过程中垮塌的桥梁事故。 桥梁事故频发的背后一个主要的原因就是对已建桥梁的健康检测和质量评定没有到位。例如四川宜宾南门大桥桥梁坍塌的主要原因就是大桥北端已达到一定疲劳损伤程度的短吊杆在偶然扰力作用下发生断裂。因此对桥梁的检测和质量评定具有十分重要的意义。1.4. 达到的技术水平及在国民经济发展中的作用中承式钢管混凝土拱桥是一种适合我国国情的桥梁结构形式。虽然国内已经修建了不少中承式钢管混凝土拱桥，但对这种桥型检测和质量评定的研究还不够系统。本项目联

7、合国内多家在中承式钢管混凝土拱桥应用与研究具有相当基础的设计、施工、检测、科研和高等院校等单位进行联合攻坚。希望在我国中承式混凝土拱桥的检测和健康评定的关键问题上有一些突破，取得较为系统的研究成果。研究成果奖达到国内领先水平或者国际先进水平。交通基础设施建设对于我国国民经济的发展至关重要。经济发展，交通先行。交通基础设施的建设一方面可以改善区域交通状况，促进经济发展；另一方面基础设施建设本身投资巨大，也能带动地方相关产业的发展。本项目的研究对我国中承式钢管混凝土的检测和质量评定有着重要的应用价值，它对我我国桥梁建设的技术进步、促进我国经济发展也具有重要的意义。2.项目前期科研及工作基础（包括国

8、内外研究现状分析与评价）2.1. 国内外研究现状 虽然最早的钢管混凝土拱桥出现在本世纪三十年代的前苏联，今年来国外有个别拱桥采用了钢管混凝土材料，但是国外对钢管混凝土拱桥的研究开展的甚少，在设计上多将其视为钢拱桥。随着钢管混凝土拱桥在我国的的应用推广，我国对于中承式钢管混凝土拱桥的检测和质量评定已经取得了一定的成果。许多大跨径钢管混凝土拱桥建设项目为保证桥梁顺利建成进行的应用研究，积累了相当测实测资料和个案研究成果。在管内混凝土收缩徐变问题、桁式结点疲劳问题、钢管混凝土拱桥动力特性、抗震抗风问题、钢管防腐问题、吊杆腐蚀等问题方面也开展了一些研究。2.2 存在和需要研究的问题钢管混凝土拱桥的拱肋

9、截面按照管的根数可分为单管、双管、三管、四管和六管。单管截面用于跨径不大的钢管混凝土拱桥，对单管截面的钢筋混凝土拱桥的研究也取得了可喜的进展，因此单圆管截面不作为本次研究的重点。双管截面以竖哑铃形为主，有个别为双管桁式。钢管混凝土拱桥中有相当部分采用哑铃截面，跨径从几十米到一百多米，以100米左右为多数。成桥状态下哑铃形钢管混凝土的混凝土收缩徐变、钢管腐蚀等问题将是本次研究的重点内容。在我国的钢管混凝土拱桥中，吊杆和系杆均采用高强钢丝会钢绞线，目前已经发现一些桥梁的吊杆与系梁出现生锈甚至锈断的现象。重庆宜宾的小南门桥（中承式钢筋混凝土拱桥）的吊杆拉断事故对大量钢管混凝土中承式拱桥的吊杆安全敲起

10、了警钟。对一些钢管混凝土拱桥的吊杆的调查也发现了生锈的现象。对于吊杆生锈、锈断、疲劳的检测也是本次研究的重点。2.3 已有研究的工作基础1、高性能钢管混凝土受力性能分析及模型试验研究研究内容包括：钢管混凝土结构的受力特性、成桥状态应力测试、常使用极限状态下应力应变测试、钢管混凝土结构超载特性研究。2、静动力特性分析与试验研究研究内容包括：施工及成桥阶段静动力分析、施工及成桥阶段稳定分析、施工成桥阶段抗风分析、抗震分析。已完成的工作有:施工及成桥阶段应力验算、收缩徐变影响计算、局部构件强度及稳定计算、施工预挠度计算、成桥自振特性计算、施工及成桥阶段第一类稳定计算、成桥阶段第二类稳定计算。3、环境

11、震动下桥梁结构的模态参数识别 环境振动是一种天然的激励方式，环境振动下结构模态参数识别就是直接利用自然环境激励，仅根据系统的响应进行模态参数识别的方法。3.项目实施方案3.1 主要研究内容与结果本课题结合新建五象大道八尺江桥（中承式钢管混凝土拱桥），论述了其静力和动力荷载试验方案的制定和实施。利用有限元软件Midas建立模型，对桥梁模型分析计算。把实测数据与理论计算结果进行对比分析，评定其承载能力及工作性能，为同类桥梁承载能力评估提供依据。1、 建立有限元模型 本课题对中承式钢管混凝土拱桥进行有限元分析时，将拱肋、系梁、纵梁、横梁简化为梁单元进行模拟，将吊杆简化为桁架单元（只受拉、压）进行模拟

12、。图1结构的有限元模型2、 正常使用状态下桥的结构特性使用状态下的短期荷载效应，采用的荷载组合为：自重×1.0+二期×1.0 +汽车荷载×0.7+ 人群荷载×0.7有限元模型计算结果（结构位移、内力、应力）如下：图2 结构位移等值线图 图3结构弯矩等值线图图4 结构轴力图（梁单元）图图5 结构轴力图（桁架单元）图模型计算的结构数据：1、 最大挠度（跨中位置）5.347×10-2m2、 最大弯矩（跨中横梁）4.752×10-3KN*m3、 最大轴力（拱铰处）6.967×103KN4、 吊杆最大拉力（顺桥向，右侧第一根吊杆）1.

13、209×103KN3、结构的动力特性将梁单元荷载转化为质量，在结构类型中把自重转为质量，系统生成结构的质量矩阵，才能进行结构的动力特性的分析。结构的特征值模态模态号频率周期(rad/sec)(cycle/sec)(sec)14.3506020.692421.44421128.4576211.3460720.742902310.8447911.7260020.579374414.4081712.2931320.436085519.5916483.1181080.320707619.9704853.1784010.314624720.6663283.2891480.30403822.37

14、32293.560810.280835922.9019353.6449560.2743521026.9009364.2814170.233568各阶模态图图6第一阶模态图7第二阶模态图8第三阶模态图9第四阶模态图10第五阶模态4、现场检测 静力检测：重要截面的应力测试、挠度测试、吊杆索力检测、钢材强度测试，此外还包括混凝土构件的裂缝检测、钢结构的连接和腐蚀情况的检测。 动力检测：动载试验主要测定结构在动荷载下的响应和自振特性，也可以对构件的损伤进行识别。例如利用环境振动检测结构的模态参数，进而判断结构损伤情况。5、模型计算与现场检测数据的对比分析（以吊杆索力为例）图11吊杆编号 将有限元模型计

15、算的索力与现场检测所得的吊杆索力进行对比：有限元模型计算的索力：吊杆编号设计索力(KN)正常使用索力(KN)吊杆编号设计索力(KN)正常使用索力(KN)11799.61209.981256.6883.421355.1924.391360.4957.531411.8972.4101420.4994.141429.1992.0111435.6995.151417.9992.9121437.2987.361348.6949.8131426.3974.471265.6875.8141737.41161.7 表1有限元模型计算吊索力值表2现场检测吊索力值 对比建模计算的索力数值和现场检测的吊索索力值，可

16、以看出吊杆处于正常的工作状态，结合吊杆病害的检测，给出吊杆的养护维修建议。3.2 解决的关键技术问题1、中承式钢管混凝土拱桥的结构损伤识别；2、静载作用下桥梁的变形和应力检测；3、动载作用下桥梁的动力反应；4、吊杆的损伤检测。3.3 研究的进度时间安排本课题研究时间为半年，预期执行期限为2013年11月至2014年5月。工作进度安排如下：序号课题各阶段内容时间安排备注1为项目的实施做好前期工作，调研国内外文献资料，指定详细科学的研究大纲2013.112013.122初步研究分析新建五象大道八尺江桥的结构特点2013.122014.013建立有限元模型2014.012014.024进行现场数据采

17、集及健康检测2014.022014.035将现场数据与有限元分析结果比对2014.032014.046撰写报告，并整理、打印、汇报2014.042014.05表3工作进度安排3.4 采取的技术路线中承式钢管混凝土拱桥质量检测与评定有限元模型模拟 现场检测 静力计算 动力计算 静力特性检测 动力特性检测 反力 内力 周期 频率 外观损伤 构件强度 周期 频率应力 位移 振型 挠度检测 振型有限元模拟结构特性 实测结构特性 对比分析模拟与实测质量评定4.项目承担单位及参加单位概况4.1 承担单位情况北京交通大学土木建筑工程学院桥梁工程系是在1956年建立的铁道建筑工程专业（含桥梁工程方向）的基础上

18、成立的。桥梁工程系拥有桥梁与隧道工程国家重点学科和防灾减灾工程与防护工程北京市重点学科，承担着桥梁工程、防灾减灾及防护工程领域的基础理论和应用研究、教学任务以及研究生培养工作。现有教职工30余人，其中教授8人（包括博士生导师6人），副教授9人。承担了包括南京长江大桥、青藏铁路、京沪高速铁路等在内的重大工程的科研和建设任务，形成了由詹天佑成就奖获得者、享受国务院政府特殊津贴的专家学者为学科带头人，学历、年龄和学缘结构合理的科研教学队伍。在科学研究方面，桥梁工程系承担着桥梁工程和防灾减灾及防护工程领域的科研任务，主要研究方向包括：桥梁振动理论与应用、车桥动力相互作用、桥梁设计理论与应用、桥梁结构检

19、测评定及加固、工程抗震减振、新型建筑材料及其工程应用、智能材料与结构等。特别是在结构振动和车桥动力相互作用等有关领域的研究方面，具有较高的水平和鲜明的特色。上述研究方向受到国家科技部、国家自然科学基金委员会、各省部市的资助，承担了国家自然科学基金重大、重点项目、国家“863”、“十一五”科技支撑项目等重大课题，年均科研总经费超过千万元。与美国、日本、比利时、香港等国家和地区的学者进行着广泛的交流与合作，得到国内外国际合作基金的支持。4.2 合作单位情况 北京建筑大学土木与交通工程学院的前身是创建于1907年的北平市立高工，1936年本校开设的土木工程专业一直延续至今，是北京历史最悠久的土木工程

20、学科之一，为首都城市建设行业培养了大批技术骨干和高级管理人才，其中包括建筑工程领域的杰出领导人李瑞环同志，九位全国工程勘察设计大师，一位中国工程院院士，为首都建设做出了巨大的贡献。北京建筑大学土木与交通工程学院始终以教学、科研为中心，以理论联系实际和面向国际大都市建设为特色，全面提高人才培养质量。学院的科研领域涉及建筑结构工程、防灾减灾、现代施工技术、路基路面工程、市政桥梁工程、地铁建设和地下空间开发及利用、现代大都市交通系统和高性能混凝土材料等。近五年获得国家科技进步奖、省、部级科技成果奖、教材奖40余项，其中，国家科技进步奖一等奖一项，二等奖三项。公开发表学术论文650余篇。目前承担十余项

21、国家科技部“863计划项目”、“973计划项目”、国家自然科学基金项目和大量横向科研项目。近年来，北京市政府加大了办学投入，2011年在研科研项目经费达3000余万元，2009年以来，土木与交通工程学院每年各类专项建设经费近2000万元，大部分实验设备已进入北京市高校先进行列，达到发达国家研究型大学的条件。4.3 主要研究人员 主要研究人员表4主要研究人员4.4 研究负责人简介张辉，男，籍贯河南郑州。2012毕业于北京交通大学土建学院，土木工程专业。本科期间参加大学生创新实验项目，指导老师朋改非教授。项目：超高性能混凝土的配制，获得北京市级。本科毕业后，先后在中冶建筑研究总院、中国交通信息中心

22、和交通运输部公路研究院实习。有着一定的检测工程经验。 2013年在北京交通大学土建学院攻读研究生学位，导师雷俊卿教授，研究方向：大跨度桥梁结构的健康检测与质量评定。5.项目依托工程情况及其他必要支撑条件本项目的依托工程: 新建五象大道八尺江桥。5.1依托工程概况1、投资来源新建五象大道八尺江桥为国家投资、地方政府财政及银行贷款。2、工程规模新建五象大道八尺江桥位于南宁五象新区五象大道，跨越邕江支流八尺江，西接五象大道K16+700，东接邕宁区蒲津路，主桥长1344m，建成后的八尺江桥将是南宁市五象新区的重在通道和城市景观。该桥上部结构为跨度1115m中承式钢管混凝土拱桥，桥面总宽52m，分两幅

23、桥布置。横梁采用钢横梁，其中肋间横梁采用钢管桁架。肋间横梁采用钢箱梁。桥面纵梁为普通钢筋混凝土T型梁，在吊杆横梁及立柱横梁处简支变结构连续，在肋间横梁处为简支变桥面连续。T梁纵向结构变连续段混凝土与立柱横梁及肋间横梁形成钢砼叠合梁。 技术参数如下：1、桥面标准宽度：025m栏杆+25m人行道+025m栏杆+15m分隔带+05m防撞护栏+55m非机动车道+05m隔离墩+12m机动车道+O5m防撞护栏。2、荷载等级：城一A级。3、计算行车速度：60kmh。4、桥面纵横坡：纵坡O3，横坡15。5、地震烈度：按7度设防。3、工程进度与项目科研进度的配合2008年12月19日，新建五象大道八尺江桥开工建

24、设。该桥于201 0年1 O月建成通车，五象新区到邕宁的交通条件大为改善。现已经通车3年，跟本项目科研进度很吻合。5.2组织管理形式本项目的组织管理形式为项目负责人负责制，总负责人为张辉，小组成员有王鸿飞、胡春、陈安亮和技术顾问桂成中。表5组织管理形式6.项目经费估算及资金筹措情况本项目的经费预算见下表:经费申请表 (金额单位：万元)科目申请经费备注（计算依据与说明）研究经费计算分析费3.000 计算分析费3万元能源/动力费1.000 仪器设备等使用费会议费/差旅费2.000 调研、差遣1万元；会议费1万元出版物/文献信息传播费3.500 论文报告等出版费印刷费1.3 万元、文献检索1.5 万

25、元、信息通讯费0.7 万元协作费4.000 现场协作承担本项目部分研究工作的费用其他1.000 文具、复印、计算机消耗材料等杂支国际合作与交流费项目组成员出国合作交流4.000 项目组出国进行合作学术交流的国际旅费2人境外专家来华合作交流2.000 接待外国专家短期来访的在华费用1人劳务费3.000 用于直接参加项目成员的劳务费；管理费3.000 总资助经费的5 %上交学校等管理部门合计26.500 表6项目经费预算7.项目预期目标及经济、社会效益1、项目预期目标 中承式钢管混凝土拱桥的拱肋和吊杆是非常重要的结构构件。本项目通过有限元模拟计算，为中承式钢管混凝土拱桥的质量检测和评定提供依据，特别是对于拱肋损伤和吊杆的病害检测有非常重要的意义。对桥梁后期的养护维修也起到指导意义。2、经济效益 经济发展，交通先行。交通基础设施的建设一方面可以改善区域交通状况，促进经济发展；另一方面基础设施建设本身投资巨大，也能带动地方相关产业的发展。 桥梁作为交通运输基础设施中非常重要的构成，对于国民经济发展有着