建筑桥梁预应力施工隐患分析与精细化施工技术(3-1)模版课件

重庆交通大学王继成12三 、预应力混凝土桥梁病害分析与施工现状.1. 病害分析1.1. 梁体下挠1.2. 梁体开裂1.3. 梁体断裂1.4. 病害实例.2. 预应力施工现状及实例分析2.1. 同束有效预应力不均匀度过大2.2. 同断面有效预应力大小和不均匀度不满足要求2.3. 锚具的质量存在问题2.4. 预应力张拉控制存在问题2.5. 缺乏检测验收的评估手段34.4. 短束及其处理4.1.连续刚构桥竖向索预应力施工控制4.2.连续T梁、箱梁桥现浇连续段预应力施工控制4.3.环形束预应力施工控制.5. 连续刚构合龙段施工控制及实例分析.6. 有效预应力检测控制与智能化系统6.1.有效预应力检测6.2.智能化系统6.3.有效预应力检测控制实例五、预应力精细化施工是降低桥梁全寿命本钱的保障56二、预应力对桥梁的作用预应力在桥梁结构中的使用，提高了桥梁构件的抗裂度和刚度，有效改善了构件的使用性能，增加结构的耐久性；节省钢材与混凝土用量，对大跨径桥梁，有显著优越性；减少了混凝土梁的竖向剪力和主拉应力，有利于减小梁的腹板厚度，使梁自重进一步减小；可作为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的开展。71.1纵向预应力纵向预应力是预应力混凝土连续梁式桥的核心，纵向预应力的配束方案是根据受弯梁的弯矩包络图设计的，即根据不同应力状态下受弯梁的破坏形态设计，包括弯起索、连续索等。实际工程中腹板斜裂缝是预应力混凝土连续箱梁常见的裂缝形式，是结构裂缝，主要受腹板纵向预应力的大小控制。纵向预应力主要控制桥梁的预拱度，预拱度直接关系到成桥状态下的线形是否与设计线形相符，并且影响使用状态下桥梁结构的平安。根据预应力作用下桥梁挠度计算的根本理论，预应力混凝土结构受弯构件的挠度由偏心预加力引起的上挠度和外荷载〔静、动载〕所产生的下挠度两局部组成。即：式中——荷载短期效应组合并考虑长期效应下的总挠度； ——永存预加力所产生的上挠度； ——由荷载效应组合计算的弯矩值引起的挠度值； ——预加力反拱设置考虑长期效应增长系数；——短期荷载效应组合考虑长期效应的挠度增长系数。1.纵向、横向、竖向预应力的作用8由上式可见，为保证桥梁线形与平安，纵向预应力所产生的上挠度应能抵消荷载引起的下挠度，当预加力的长期反拱值小于按荷载短期组合计算的长期挠度时应设置预拱度。合理确定预加力作用点的位置对预应力混凝土梁是很重要的。在弯矩最大的跨中截面处，应尽可能使预应力钢筋的重心降低，使其产生较大的预应力负弯矩来平衡外荷载引起的正弯矩。如令沿梁近似不变，那么对于弯矩较小的其他截面，应相应地减小偏心距值，以免由于过大的预应力负弯矩而引起构件上缘的混凝土出现拉应力。只要作用点的位置，落在束界的区域内，就能够保证构件在最小外荷载和最不利荷载作用下，其上下缘混凝土均不会出现拉应力。纵向预应力还会引起横向变形。在施工过程中，纵向预应力张拉吨位较大，根据泊松比，产生的横向变形也较大。这样，不但提高了对横向预应力筋束张拉质量的要求，同时也提高了对纵向预应力筋束张拉质量的要求，以便保证二者的相互合理性及影响程度，防止因施工不当引起变形过大造成桥梁线形的缺乏及结构的破坏。所以对纵向预应力张拉质量进行检测控制，使其符合设计的要求，是保证整个桥梁结构平安最重要的手段。91.2竖向预应力在桥梁结构中，竖向预应力和纵向预应力两者结合来控制腹板的剪应力和主拉应力。理论分析及实践经验说明，如果竖向预应力钢筋不能充分发挥作用，桥梁腹板的主拉应力就将超过标准规定的限值，有可能出现斜裂缝。如果施工质量控制不当，使箱梁腹板产生裂缝，对桥梁的刚度和耐久性将产生不利影响，最终影响桥梁的使用寿命。所以，在预应力混凝土箱梁结构中，为控制箱梁腹板的斜向裂缝，在腹板中配制竖向预应力筋。现行标准充分考虑了纵向预应力的弹性压缩损失的计算，但对竖向应力的弹性压缩损失没有作特别的说明，纵向预应力的弹性压缩损失是基于一维杆件轴向压缩计算得出的，而竖向预应力有其自身的特点：①竖向预应力筋比较短，与纵向预应力筋相比到达相同的应力水平，其弹性变形要小得多；②竖向预应力筋锚固端沿腹板轴向排列，而纵向预应力筋的锚固端那么排列在箱梁的某个截面上，显然纵向预应力弹性压缩损失的计算方法不适于竖向预应力的计算。10目前我国在这方面的研究还不够深入，尽管对竖向预应力筋的有效预应力可能存在设计的问题，依据受力均匀及考虑摩阻等因素对有效预应力的影响，所以在施工中可对竖向预应力进行检测，如果允许的情况下可进行全部检测控制，发现其存在的规律，是解决竖向有效预应力建立的最直接、最有效的方法。竖向预应力筋常采用精轧螺纹钢筋，长度不大，因施工、徐变等诸多因素的影响而受到较大的损失，从而使竖向预应力筋达不到设计要求(这也是通车后有些桥腹板出现裂缝的主因)。根据现存预应力混凝土连续梁、连续刚构桥箱梁裂缝检查结果及文献记载，目前国内绝大局部箱梁在运营阶段都出现了不同形式的裂缝，其中距支座〔或桥墩〕L／4附近腹板斜裂缝数量较多，裂缝与主拉应力的方向根本垂直，通常腹板内侧的数量较多。此原因是腹板主拉应力过大，而在设计或施工时对竖向预应力损失估计缺乏有关111.3横向预应力横向预应力对箱梁结构的主要作用是加强桥梁的横向联系，增加桥面板的刚度，增大悬臂板的抗弯能力，使悬臂局部增长，另外也减少了荷载对桥面的局压作用。增大结构的横向整体性后可以增大腹板的间距,悬臂局部宽度,这样可以减少下部工程量，减少造价。还有就是防止桥面开裂,尤其是温度应力导致桥面板的裂缝。变高度预应力混凝土箱梁的底板在垂直平面处具有一定的曲率，因此，预应力钢束必须按照这种曲率布置。根据预应力等效荷载的原理，钢束的曲率引起向下的径向荷载，这种荷载势必会受到两腹板之间底板横向弯曲的抵抗。当没有布置横向预应力束或底板截面尺寸缺乏时，会导致底板产生纵向裂缝。122.有效预应力大小和不均匀度的影响有效预应力的建立直接影响到桥梁的平安性、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。预应力混凝土桥梁中，预应力的效应是比较大的，如果施工不当导致梁体内未能建立合格的有效预应力，在荷载作用尤其是活载作用下，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。不少连续刚构桥，成桥荷载试验验收合格，但不久那么严重下挠，甚至断裂，就是同束有效预应力不均度太大所致。133.数学模型的建立与理论计算分析专题

桥梁〔空心板〕预应力施工工艺控制研究〔桥梁预应力施工质量保证体系研究报告〕课题，首先通过从30m足尺寸预应力空心板梁实验及有限元仿真分析两个方面对预应力空心板梁张拉有效预应力和各绞线受力均匀性以及预应力的施工顺序进行分析比较，通过对已施加预应力的梁进行锚下有效预应力和各绞线受力均匀性检测及对梁体变形进行综合评估，形成最优的预应力施工工艺，以保证梁体在施工中及服役中的最小变形和其性能优化，同时保证最均匀的预应力施加与综合控制从而到达延长服役年限的目的。1415图2.3.1待施加预应力的空心板梁16通过对当前施工顺序下的张拉有限元分析，得出各束预应力筋有效张拉荷载下的梁体的应力及变形，通过人工神经网络映射在各种有效张拉荷载下的梁体的变形，保证张拉施工中梁体的变形在设计的允许范围内，从而实现梁体的智能控制。本研究的主要内容有：1通过对30m跨足尺寸的空心板梁的同步张拉试验，得出了空心板梁底板、侧板、顶板等跨中、1/4跨，1/8跨等处的应变数据。根据应变可以求得应力结果。在课题研究中，我们对预应力空心板梁预应力施工进行主动控制：留孔、预应力筋的编束、梳理、穿束等，从理论、有限元分析模拟及施工等几方面对梁的反拱度、线型度、扭转等变形及性能进行研究，深入研究现行双控法的局限性，并对施工中及施工后有效预应力进行控制与监控，进行工艺精细化分析。2通过大型有限元软件Ansys实现对该箱型梁同步张拉过程的仿真分析，分析有限元软件仿真预应力张拉过程的可行性以及分析误差产生的原因。173实现对不同张拉顺序的有限元仿真，并根据对不同张拉顺序的有限元分析结果，求得最正确的张拉顺序。4通过对不同的锚下有效张拉力下的有限元仿真，得出超张拉、欠张拉以及不均匀张拉等情况下梁体的变化规律。并根据大量的有限元分析，求得梁的锚下有效预应力的偏差在多大程度上施工质量能保证到达设计要求。5根据大量计算生成人工神经网络样本及人工神经元网络模型，得出对梁体在不同有效张拉力作用下各关键点处的变形规律。通过编制人工神经元网络控制箱型梁张拉施工的程序，实现对预应力张拉的施工控制。6实现对T型梁的有限元仿真，将上述成果推广。通过对马啸溪大桥、雷神店大桥的有限元分析及神经网络映射施工控制，将成果应用于工程实践中。18研究中通过对空心板梁的材料试验和预应力施加过程中的应力、变形、有效预应力进行全过程的跟踪观测以保证试验梁体用材的可靠性，获得理论分析和计算的根本参数，最重要的是通过试验及试验数据来分析和验证理论分析和计算，使本课题的研究建立在理论分析、试验分析的根底上，以保证研究的正确性、可靠性。19三、预应力混凝土桥梁病害分析与施工现状

病害分析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平安。跨中持续下挠的影响因素有：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，而最主要的因素是预应力的损失。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；还有最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。202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。经分析，箱梁腹板开裂产生的主要原因有：设计计算方法的影响、混凝土收缩徐变的影响、温度的影响、施工因素的影响和混凝土应力限值的影响。211.3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开展。当开展到一定程度，由量变转为质变，使梁体发生结构性破坏。22病害实例

1〕钟祥汉江大桥 钟祥汉江大桥设计使用寿命50年，1993年竣工验收时工程质量等级优良，但仅运行10年便成为危桥。2001年检测，省交通部门就发现梁体有裂缝。2004年，大桥“病症〞加剧，主桥箱梁腹板开裂，中间三跨跨中底板横向贯穿开裂，且仍在开展；两个次边跨下挠严重；混凝土劣化严重；箱梁接段质量较差，箱梁顶板开裂渗水；抽查的底板纵向预应力管道未见压浆；预应力钢束有断丝、滑丝现象，局部钢筋锈蚀严重。大桥荷载等级远低于原设计标准，不能满足使用要求，被定性为“危桥〞。最终与2005年封闭。23图3.1.1撤除中的钟祥汉江大桥2425图3.1.2三门峡黄河公路大桥263〕广东南海金沙大桥主桥结构形式为三跨预应力混凝土变截面连续刚构，跨度为66m+120m+66m。断面形式为单室箱梁，跨中梁高2.5m，墩顶梁高6.0m，于1994年建成通车。该桥在1999年10月发现主跨跨中出现明显下挠，截止2000年底，跨中挠度已达22cm左右。2001年4月检测单位对该桥进行全面检查和静动载试验，检测结果如下：主桥的中跨跨中严重下挠已达23.8cm；箱梁两侧腹板出现大量的斜剪裂缝，最大裂缝到达1mm；静载试验检测的应力及挠度的效验系数大于1.05，桥梁总体承载能力下降；静载试验时腹板斜裂缝宽度均有加宽，最大增量达0.5mm；动载试验结果显示主桥整体刚度降低，结构品质下降。从该桥的试验检测资料来看，该桥跨中下挠大，梁斜剪裂缝多，其抗弯和抗剪承载能力都存在缺乏27图3.1.3黄石长江大桥

4〕黄石大桥 黄石大桥为一座5跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为 162.5m+3×245m+162.5m，于1995年建成。28图3.1.4黄石长江大桥立面布置

该桥通车运营3年后，跨中仍然持续下挠。该桥运营7年后，各跨跨中均有明显下挠，与成桥时相比，大桥北岸次边跨2号墩和3号墩之间主梁跨中下挠累计已达30.5cm，中跨3号墩和4号墩之间主梁跨中下挠已达21.2cm，南岸次边跨4号墩和5号墩之间主梁跨中下挠累计已达22.6cm。

295〕虎门大桥辅航道桥 虎门大桥辅航道桥为一座3跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为150m+270m+150m，于1997年建成通车，是当时世界上最大跨径的预应力混凝土连续刚构桥。连续7年的观测说明，承台竖直变位和墩顶角位移很小，但主跨跨中下挠挠度逐年增长，而且尚未停止。2003年11月测量数据说明，与成桥时相比，左幅桥跨中累计下挠达22.2cm，右幅桥跨中累计下挠达20.7cm。30虎门大桥辅航道桥跨中挠度开展316〕潭州大桥3233图3.1.6裂缝和破损

348〕江津长江公路大桥 江津长江公路大桥建成于1997年，主桥为〔140+240+140〕m预应力混凝土连续刚构桥，主桥箱梁运营9年后，出现主跨跨中下挠，箱梁顶、底、腹板开裂等病害。2007年，对该桥采取箱梁顶、底板粘贴纤维布和钢板、箱梁腹板布置体外预应力索的方式对裂缝和梁体下挠进行加固处理。35图3.1.7江津长江公路大桥3637图3.1.8高家花园大桥3810〕2021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。3911〕锡澄高速公路江阴互通式立交主线桥锡澄高速公路是同江至三亚、北京至上海国道主干线的一段，北起江阴长江大桥，南接沪宁高速公路。江阴高架桥是锡澄高速公路连接江阴长江大桥的主要桥梁，全长3.97km。自2003年2月起，发现江阴高架桥箱梁底板产生不同程度的裂缝，经分析，该裂缝是由于预应力缺乏导致梁底开裂，结构承载能力下降，从而使梁体不满足结构正常使用要求。2006年，对江阴高架桥上的六座桥梁采用在梁底板粘贴碳纤维布和钢板、梁内布置体外预应力索的方式对进行加固处理。40图3.1.10锡澄高速公路江阴互通式立交主线桥4112〕重庆某高速路空心板底部大量裂缝4213〕科罗·巴岛(Koror—Babeldaob)桥科罗·巴岛(Koror—Babeldaob)桥是一座跨中带铰的3跨连续预应力混凝土刚架桥，其跨径组合为72m+241m+72m，是当时世界上同类桥梁中跨径最大者。1978年建成通车，通车后不久就产生了较大的挠度，到1990年，其挠度到达1.2m。后来采用体外束施加预应力，是主跨中央挠度减小。1996年加固结束，加固不到3个月又发生倒塌事故。43图3.1.12科罗·巴岛(Koror—Babeldaob)桥

4414〕美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的一座桥梁于当地时间2007年8月1日晚发生坍塌。4515〕2007年9月1日，巴基斯坦南部城市卡拉奇一座桥梁局部断塌，致使在桥上行驶的一辆客车和数辆其他汽车从桥上翻落，并被埋在废墟里，造成至少5人死亡、多人受伤。4616〕2000年11月27日晚9时45分左右，正在施工的深圳盐坝高速公路起点高架引桥突然坍塌，正在桥面作业的69名工人随桥面滚落坠下。4717〕美国加州ParrotsFerryBridge〔主跨195m〕跨中明显下挠48由以上实例可见：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表达，特别是梁体的下挠，在成桥荷载试验时，桥梁的承载力能够到达要求，但运营阶段，在荷载特别是活载作用下，跨中将持续下挠。这是由于有效预应力不均匀度过大造成的预应力损失过大，相当于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。而随着梁体下挠和开裂的不断开展，桥梁承载力将严重下降，甚至有断裂的危险。492.1同束有效预应力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，这主要因为单根穿束造成绞线相互缠绕，已缠绕的绞线始终是长短不一致的，不能到达受力均匀，即使屡次调索也无济于事，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。〔如图〕：施工工艺不当导致单索索力不均，引起断丝、滑丝。50图〔滑丝、飞锚〕

512.2

同断面有效预应力大小和不均匀度不满足要求

施工过程中由于种种原因，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，那么预应力度缺乏，造成结构开裂、下挠等。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，严格按照标准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。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；其次，所用机具的标定混乱：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，有的还是动态标定，其误差大又违背使用条件，往往导致张拉停顿持荷中张拉力偏大。52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，张拉完毕后未及时压浆可能导致预应力筋在压浆前锈蚀。另外，采用悬臂法浇筑的连续刚构桥，预应力管道跨越几个节段，预应力钢束与管道的实际摩擦系数μ以及管道偏差系数k通常比标准规定的要大。梁中同断面束力不均，导致梁体有害变形。如图，穿束工艺不当和管道漏浆，导致绞线无法穿全，整束束力变小。5354552.3锚具的质量存在问题根据国家标准