桥梁病害分析与施工控制

桥梁病害分析与施工控制第一页，共88页。预应力桥梁质量隐患分析与预应力施工控制（高工，湖南联智桥隧技术有限公司，2011年2月）主讲：梁晓东2第二页，共88页。概要1预应力混凝土桥梁病害分析常见的施工问题预应力材料机具控制桥梁预应力施工过程控制5检测与评定验收3第三页，共88页。▲病害案例

湖北钟祥汉江大桥运行仅10年后，主桥箱梁腹板开裂，中间三跨跨中底板横向贯穿开裂，跨中下挠严重；混凝土劣化严重；箱梁顶板开裂渗水；部分预应力管道未见压浆；预应力钢束有断丝、滑丝现象，部分钢筋锈蚀严重。大桥最终于2005年拆除。4第四页，共88页。▲病害案例

2009年7月15日，津晋高速公路港塘收费站800米外匝道连续箱梁桥垮塌，5辆载货车坠落，造成6人死亡，4人受伤。

5第五页，共88页。▲病害案例

2009年7月15日，津晋高速公路港塘收费站800米外匝道连续箱梁桥垮塌，5辆载货车坠落，造成6人死亡，4人受伤。

6第六页，共88页。▲病害案例

美国明尼苏达州明尼阿波利斯市横跨密西西比河桥梁于2007年8月1日下班高峰时段坍塌，造成数十辆汽车掉入河中，13人死亡，60人受伤。断裂的桥面压断了当时正在桥下穿行的一列货运火车。7第七页，共88页。1主要病害分析1.1梁体下挠全预应力构件，预应力效应的作用是比较大的，其提供的消压弯矩能有效保证构件的预应力度。根据分析，150m的全预应力连续箱梁，预应力对挠度的效应是7cm。如果预应力施工不当，梁体内不能建立有效的预应力，在混凝土徐变的共同作用下，梁体必将发生严重的下挠。挠度过大不但会使跨中主梁下凹，破坏桥面的铺装层，影响桥梁的使用寿命和行车舒适性，甚至危及高速行车时的安全。8第八页，共88页。1.1梁体下挠跨中下挠的影响因素有：预应力的损失结构的刚度超重混凝土的收缩徐变温度的影响最主要的因素是预应力的损失9第九页，共88页。1.1梁体下挠造成预应力损失的原因有：预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失；锚具变形、预应力筋回缩和接缝压缩引起的应力损失；弹性压缩引起的应力损失；预应力筋松弛引起的应力损失；混凝土收缩和徐变引起的应力损失；还有重要的原因有效预应力不均匀度过大。有效预应力不均匀度过大，在桥梁刚建成时问题不会显现出来，但经过一段时间有效预应力大的预应力筋出现早期疲劳，桥梁跨中的持续下挠也由此产生。10第十页，共88页。▲病害案例美国加州ParrotsFerryBridge（主跨195m）跨中明显下挠。此处明显下挠11第十一页，共88页。1.2梁体开裂在预应力桥梁使用中发现，有相当数量的箱梁在顶板、腹板、底板、横隔板以及齿块等部位出现了各种不同形式的裂缝，其中箱梁腹板裂缝最为普遍和严重。腹板裂缝一般集中在1/8跨至3/4跨之间，其中距支座L/4附近腹板斜裂缝数量较多，裂缝开展宽度一般在0.15～0.5mm之间；通常腹板内侧的裂缝数量较多，夏季缝宽较冬季有所增大，较宽的裂缝贯透腹板，在结构上呈一定的对称性。12第十二页，共88页。1.2梁体开裂媒体报道：广清公路广花段花都高架桥主要病害1.部分简支空心板梁端部腹板有百余条斜裂缝，基本上与水平线都成40度夹角；2.部分预应力简支梁底中部、端部存在1条或多条的纵向或斜向裂缝；3.肋板式连续梁底板均有1～6条纵向、斜向裂缝；4.肋板式连续梁横隔板均有1～6条斜裂缝，呈“八”字型。13第十三页，共88页。1.2梁体开裂预应力桥梁开裂产生的主要原因有：未能建立有效预应力（有效预应力不足）设计计算方法的影响混凝土收缩徐变的影响温度的影响施工因素的影响混凝土应力限值的影响。

14第十四页，共88页。▲病害案例

对长沙环线月亮岛大桥（主跨7×96.0m预应力混凝土箱梁）进行检测：每跨箱梁内腹板存在裂缝，共发现裂缝194条，裂缝宽度大部分在0.1mm～0.5mm，裂缝长度在0.3m～3.0m。与桥梁行车方向夹角为30°～60°。15第十五页，共88页。▲病害案例

对某高速公路25mT梁进行静载试验：理论计算挠度14.276mm，实测值16.121mm，超出要求。腹板裂缝加载前0.01mm,加载后0.3mm。16第十六页，共88页。1.3梁体断裂

由于预应力筋的有效预应力失效或梁体裂缝，特别是纵向预应力损失过大引起下挠和底板横向裂缝的进一步发展，当发展到一定程度，由量变转为质变，使梁体发生结构性破坏。17第十七页，共88页。▲病害案例

长沙至益阳高速公路在通车10年左右对部分预应力空心板桥梁进行了加固。18第十八页，共88页。1.4耐久性问题

混凝土强度和密实度在环境因素和疲劳荷载的作用下，混凝土劣化桥梁的保护层厚度桥面防水锚头封堵最重要的是预应力孔道灌浆不密实导致钢筋和绞线锈蚀。19第十九页，共88页。▲病害案例

在对某高速公路进行单片梁板静载试验时，外观检测时发现的钢筋保护层厚度严重不够，部分钢筋露筋。20第二十页，共88页。▲病害案例

在对国省干道某大桥进行承载能力评定时，外观检测时发现梁体混凝土劣化严重，大面积剥落，钢筋露筋。21第二十一页，共88页。1.5病害趋势22第二十二页，共88页。1.6预应力对桥梁的作用

1、提高了桥梁构件的抗裂度和刚度，改善了构件的使用性能，提高了桥梁跨径。2、减小了裂缝宽度，增加结构的耐久性。3、充分利用了高强度材料，节省钢材与混凝土用量。23第二十三页，共88页。1.7有效预应力大小和不均匀度的影响

1、有效预应力的建立直接影响到桥梁的安全性、可靠性和长期使用寿命。特别是连续刚构桥，由于其跨径大、张拉吨位大、预应力体系和结构受力复杂等特点，不少工程因预应力失控而带来灾难性的后果。

2、如果施工不当导致梁体内未能建立合格的有效预应力，在荷载作用下，对挠度的影响将更大：有效预应力偏小，直接影响预拱度。有效预应力不均匀将导致预应力筋的早期疲劳，危及桥梁使用寿命。有效预应力大的钢筋承受了本应该所有预应力筋承受的力，这样有效预应力大的钢筋在使用阶段逐渐屈服，梁体也随之下挠。24第二十四页，共88页。由以上实例和分析可见：预应力混凝土桥梁的病害主要是梁体下挠和开裂。而这种病害在刚成桥的检测和试验中无法体现。特别是梁体的下挠，在成桥荷载试验时，桥梁的承载力能够达到要求，但运营阶段，在荷载特别是活载作用下，跨中将持续下挠。而随着梁体下挠和开裂的不断发展，桥梁承载力将严重下降，甚至有断裂的危险。有效预应力的大小和均匀度是梁体下挠和开裂的主要影响因素。25第二十五页，共88页。2常见的施工问题通过对全省部分桥梁施工的调查发现存在以下问题：1、梁板浇在注混凝土前，验收把关不严，造成最终成型的预应力孔道线形与设计线形相差较大。2、张拉时工作夹片与钢绞线互相刮损。锚夹具在预应力张拉后，夹片夹不住钢绞线或钢丝，或将其夹断，钢绞线或钢丝滑动，达不到设计张拉值。在现场加工或组装预应力筋时，采用了加热、焊接或电弧切割，造成在张拉还未到设计规定的张拉力荷载时就发生了脆性断裂。3、后张预应力结构张拉力控制不准。有的完全凭经验不按规范控制，经常容易出现较大误差，甚至读错表，发生张拉力忽高忽低的现象。有的钢绞线没按规定频率送检，弹性模量取值不准，实际张拉时难以做到将伸长量按规范规定控制在±6％范围内，导致张拉力失控。4、张拉实际伸长值超出理论计算范围，预拱度达不到或者超过理论值。主要原因是张拉千斤顶和压力表原因或操作人员控制不到位。26第二十六页，共88页。2常见的施工问题通过对全省部分桥梁施工的调查发现存在以下问题：5、张拉时锚下混凝土被压裂。主要原因是锚下混凝土不密实或锚下混凝土配筋不足，或张拉力与设计值偏差过大。6、张拉顺序未按设计要求进行操作，构件受力严重不对称，造成构件在张拉后发生扭曲变形、侧向弯曲或翘曲。7、预应力张拉工程分包现象较严重。张拉机具质量较差，未按规定标定和使用，导致张拉力不准确。8、混凝土质量问题。混凝土原材料（特别是集料）质量不稳定，为了保证砼强度，工地不得不加大水泥用量，导致结构混凝土裂缝增多。9、波纹管堵塞与压浆不饱满。27第二十七页，共88页。2常见的施工问题2.1管道堵塞管道质量问题或施工中破坏，没有检查修复而漏浆堵塞；管道接长或者连接不满足要求，造成缝隙漏浆；多曲线长管道安装不平顺，有拐点；扁波纹管环刚度不够，后穿索时不能满足孔径要求，主要是砼浇筑过程中，孔道受压孔径变小造成。混凝土浇筑过程中，没有保护好管道，振捣棒破坏管道。28第二十八页，共88页。波纹管破裂波纹管接长不符合要求29第二十九页，共88页。管道与锚具处没有接龙，一般采用接头管，管道有拐点，穿索容易损坏。30第三十页，共88页。2.2断丝和滑丝▲造成断丝和滑丝的原因预应力钢筋表面生锈或有油污；锚具夹片过早安装后生锈；夹片丝距过小硬度不够。预应力筋安装不规范，张拉中预应力筋受力不均出现过张拉；钢束穿索时没有梳理，在管道内出现交叉缠绕打绞，特别是平行钢丝束应保证钢索互不干扰；锚具发散锥度尺寸不够；锚垫板安装倾斜不与管道垂直；张拉机具（特别是限位板）与锚具不配套造成夹片咬伤钢束或者锚具夹片硬度过大。31第三十一页，共88页。钢绞线表面浮锈或水泥浆，张拉前要清理；锚具与夹片安装不要过多，一天张拉不完，造成生锈锚固不牢。32第三十二页，共88页。▲2.3锚垫板下陷和破裂，锚后混凝土局部开裂

锚垫板后砼不密实或者有空洞，引桥锚垫板下陷，甚至破裂。33第三十三页，共88页。锚垫板后弹簧螺旋筋过小，且没有紧贴锚垫板，锚垫板承力不够，开裂。34第三十四页，共88页。锚板没有安装在锚垫板的限位圈内，张拉锚板倾斜35第三十五页，共88页。2.4预应力损失过大，有效预应力总体偏小▲有效预应力检测实例36第三十六页，共88页。▲造成损失过大的原因

预应力损失主要由孔道摩阻、夹片回缩、混凝土收缩和徐变、锚具及砼压缩等造成，都可以通过试验来测试和控制预应力的损失，从而保证结构的有效预应力。由于设计及施工的种种原因造成预应力损失过大，引起承载力不足，梁体产生大量裂缝或下挠现象已经有不少实例。37第三十七页，共88页。▲设计工艺——预应力超长束单端张拉

国内现浇大跨度（3-5跨，每跨30-50m）预应力连续箱梁底板预应力束一般采用一端张拉的工艺，如采用一端张拉的工艺将一束钢绞线拉直需要0.3-0.4fvtk的拉力，而如此长的孔道是跨越多道箱梁横隔板，其孔道摩阻按照规范取值是不对的，是通过试验才能确定。根据国内外相关规范规定；跨度≥30m以上的预应力桥梁，均要求采用两端对称张拉工艺，才能保证跨中有效预应力和桥梁在恒载和活载作用下跨中所需抵抗弯矩的建立；否则会导致跨中承载力不足，而产生正截面裂缝。根据交通部专门调查资料，已通车的公路桥梁中，几乎都出现过由于张拉工艺不适用而产生大量裂缝的现象。38第三十八页，共88页。▲施工工艺问题为了加快工期，构件砼采用早强剂或提高混凝土配置比强度，一般3~4天混凝土强度就能达到设计强度的80%以上，有的甚至达到95%以上，结果梁体混凝土浇筑3~4天后即开始张拉。在此龄期内混凝土的收缩和徐变并未完成，随着龄期的增加所引起的预应力损失过大，且会导致张拉后梁体反拱度过大。用标养砼试件强度代替结构实际强度，张拉强度没有达到要求。预应力管道安装位置偏差过大，或梁体浇筑过程中管道存在漏浆现象，致使实际预应力损失过大，超过原估算值。39第三十九页，共88页。2.5

预应力不均度过大▲由于施工过程中未按梳编穿束进行钢绞线穿束，导致钢绞线在孔道内相互缠绕，导致同束绞线不均匀度过大。▲由于单索受力不均匀性过大，预应力筋张拉过程中常有断丝或滑丝现象存在。已缠绕的绞线始终是长短不一致的，不能达到受力均匀，由此严重影响预应力的有效性和预应力筋的使用寿命，还有可能导致严重的工程事故发生。张拉后即使绞线没有进入屈服阶段，但其锚下预应力经过长期的衰减后，在使用阶段仍然可能大于其疲劳极限0.65，在汽车等活载作用下将造成绞线的早期疲劳断裂。40第四十页，共88页。▲不均度过大检测案例

经检测发现问题、进行整改，采取规范的施工工艺进行整束穿束后，预应力施工质量有了明显的改观，同束索力不均匀度完全合格。

41第四十一页，共88页。▲有效预应力检测实例42第四十二页，共88页。2.6

压浆不饱满危桥拆除：预应力管道压浆缺陷43第四十三页，共88页。压浆管安装位置不对44第四十四页，共88页。泌水孔安装位置不对，不是最高点；泌水管安装不正确。45第四十五页，共88页。管道顶部压浆不饱满46第四十六页，共88页。4材料与设备控制(1)钢绞线

预应力钢绞线进场应按现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224等的规定抽取试件作力学性能检验，对弹性模量进行复核试验。检查数量：按进场的批次和产品的抽样检验方案确定。检查方法：检查产品合格证、出厂检验报告和进场复检报告。47第四十七页，共88页。▲钢绞线试验的重要性1、作为张拉控制依据的预应力筋的理论伸长值(mm)按下式计算：

式中：PP──预应力筋的平均张拉力(N)L──预应力筋的长度(mm)；

AP──预应力筋的截面面积(mm2)；

EP──预应力筋的弹性模量(N/mm2)。

EP由试验结果得出。2、钢绞线屈服强度直接反映其承载能力。3、钢绞线松弛性能关系到预应力的损失。48第四十八页，共88页。(2)锚具

锚具产品质量保证书应齐全，做外观检查、硬度抽检和静载锚固性能试验49第四十九页，共88页。(3)预留管道

预应力管道材料一般采用金属波纹管或塑料波纹管。金属波纹管按现行标准《预应力用金属螺旋管》JG/T3013执行，塑料波纹管以《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》JT-T529-2004参考，按照要求抽样检查。50第五十页，共88页。※塑料波纹管塑料波纹管用于后张预应力留孔，其主要优点：①能提供极好的防腐蚀保护，聚乙烯和聚丙烯塑料几乎对各种化学侵蚀都有极好的耐久性；②能显著提高预应力筋的疲劳强度，消除微振磨损疲劳；③摩擦系数小，预应力损失小；

塑料波纹管优于金属波纹管。51第五十一页，共88页。(4)水泥与添加剂

灌浆用水泥进场按规定检查产品合格证、出厂检验报告及进场复验报告。真空辅助压浆工艺采用专用外加剂，为了满足水泥浆收缩徐变的要求，需添加微膨胀剂。灌浆专用外加剂必须与地方水泥适配，做灌浆水泥的适配性试验，必要时作外加剂成份的调整，以保证灌浆质量。水泥与外加剂适配性试验52第五十二页，共88页。推荐采用整体静态标定(4)张拉设备与仪表

机具设备及仪表定期维护与校验，千斤顶与压力表应配套校验。张拉机具设备(特别是限位板)应与锚具配套使用，当千斤顶使用超过6个月或200次或在使用过程中出现不正常现象或检修以后应重新检验。53第五十三页，共88页。4.1钢绞线穿束（梳编穿束工艺）

为了避免单根穿束引起的绞线相互缠绕，导致张拉时绞线受力严重不均，应采用整束穿束系统进行穿束，此工艺已在工程中得到应用，对多索、长索效果更加明显，示意如下：1.梳束板（或锚具）2.钢绞线3.扎丝4.绑扎胶带5.牵引螺塞4桥梁预应力施工过程控制锚具1锚具254第五十四页，共88页。梳编穿束不当会严重影响各绞线受力的均匀性

55第五十五页，共88页。

施工单位按照梳编穿束工艺进行，在工艺实施过程中，疏束与穿束可分别同时进行，在熟练掌握后不仅不会耽误工期，还能大大提高工作效率，并消除各根绞线受力不均引起的滑丝、断丝等事故。56第五十六页，共88页。4.2预应力张拉施工智能化控制技术4.2.1现行人工控制张拉施工存在的主要问题1、施工过程中由于人为误差，导致张拉控制应力与设计值偏差过大，预应力过大，可能导致预应力筋的破断，造成结构过大变形或出现裂纹；过小，则预应力度不足，造成结构开裂、下挠等。2、预应力张拉控制一般采用“双控法”—压力表读数和伸长值，预应力的大小主要由普通压力表控制，严格按照规范的施工工艺进行预应力施工，“双控法”是可以满足锚下有效预应力控制精度要求的。但“双控法”存在人工读数的影响、压力表标定条件与现场施工条件之间的差异等将导致误差。3、普通压力表精度较低，对于大吨位预应力束难于准确控制张拉应力。4、张拉机具的标定混乱：千斤顶、压力表和油泵应当是一个完整的张拉施力系统，必须结合施工现场整体标定，实际上却是分割标定——只标定千斤顶与压力表，往往导致张拉张拉力偏大或偏小。57第五十七页，共88页。4.2.1现行人工操作张拉施工存在的主要问题5、现行《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041）中明确要求：预应力筋的张拉顺序应符合设计要求，当设计未规定时，可采取分批、分阶段对称张拉。后张拉预应力束对梁体施加的压力给先张拉预应力束造成的损失，梁体非对称受力必将引起梁体的平弯和扭曲，特别是采用弯桥、坡桥、斜桥型式的城市立交桥由于受到曲率的影响，非对称受力过大必将导致梁体产生不利变形。人工控制张拉过程难以做到对称张拉。6、同步张拉一般采用步话机人工控制，其同步精度根本无法保证，施工现场对该问题也没有足够的认识和重视，处于感官控制的阶段。7、张拉中停顿时间不充分，使得预应力筋回缩、锚具变形等原因引起的预应力损失十分大，严重影响有效预应力的建立。8、张拉完毕后锚固前持荷时间过短，不能保证预应力的充分传递，尤其是对于较长的预应力筋。人工读数误差大，张拉过程不规范！58第五十八页，共88页。桥梁预应力张拉智能控制系统主要组成部分有：

1智能张拉系统平台2LZ-5901智能张拉仪3专用千斤顶4.2.2预应力智能张拉技术59第五十九页，共88页。LZ-5901智能张拉仪智能张拉系统控制平台专用千斤顶60第六十页，共88页。智能张拉系统平台61第六十一页，共88页。

智能张拉系统平台：62第六十二页，共88页。智能张拉过程动画演示63第六十三页，共88页。

64第六十四页，共88页。65第六十五页，共88页。66第六十六页，共88页。67第六十七页，共88页。▲预应力智能张拉系统技术原理◆将数控技术应用到油泵控制，代替人工手动控制。

◆预应力张拉技术与基于物联网技术的现代信息技术相结合。

◆采用先进的单片机程控技术，实现数据采集、控制的全自动化。

◆采用无线采集、传输、控制技术，简化现场工作量。

◆实现一台上位机对多台下位机对接技术，实现多顶同步控制，控制精度为0.01毫秒。

◆采用高精度传感技术，实现油泵进、出油量大小、方向、速度可控，压力可保持，控制精度为0.5%。68第六十八页，共88页。▲预应力智能张拉系统主要功能◆能精确控制有效预应力力值大小和均匀度。

◆实现张拉过程智能控制，不受人为、环境因素影响：

保证同步性、停顿时间、持荷时间、加载速率等张拉过程要素完全符合规范要求。

◆对预应力张拉施工进行全过程质量管理，实时监控、及时纠错，查询、统计、张拉记录表自动输出。

◆对预应力施工质量进行分析、预警、评估。69第六十九页，共88页。▲预应力智能张拉系统可消除人工张拉

原有的不可控因素，保证预应力张拉质量。70第七十页，共88页。普通压浆工艺真空压浆工艺位于梁底部的两根管位于梁顶部的两根管4.3预应力管道压浆71第七十一页，共88页。普通压浆真空辅助压浆72第七十二页，共88页。▲采用真空压浆工艺73第七十三页，共88页。▲采用真空压浆工艺要求（1）制作性能优良的水泥浆材料与配合比控制；专用外加剂：如添有膨胀剂的外加剂；高速搅拌设备：试验表明相同的配比采用不同搅拌速度，流锥时间及浆体性能相差较大，相同的灌浆配比当采用高速搅拌机时，搅拌出的浆体流动度大（流锥时间短），无泌水，硬化后收缩、强度性能更好。因此在控制灌浆配比及用水量的条件下，流锥时间短些即流动度大且无泌水更利于灌浆，更能保证质量。74第七十四页，共88页。搅拌设备对比试验情况75第七十五页，共88页。（2）两端封堵应严密，不漏气。（3）真空度控制，须控制在-0.08MPa左右。（4）抽真空端口有一定的跑浆时间，大约30s左右。（5）灌浆口持压压力为0.6-0.8MPa，时间为60~120s。76第七十六页，共88页。张拉程序应严格执行《湖南省高速公路桥梁预应力精细化施工指南》规定要求77第七十七页，共88页。5质量检测与评定验收

预应力工程虽然在地上，其实是隐蔽工程，应严格进行工序验收！78第七十八页，共88页。6.1锚下有效预应力检测▲锚下有效预应力大小和不均度是否符合设计要求，对于预应力结构来说