【正文】 I 摘 要 體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，實質(zhì)上就是對結(jié)構(gòu)增加體外預(yù)應(yīng)力來抵消外荷載產(chǎn)生的部分內(nèi)力，從另一個角度考慮，體外預(yù)應(yīng)力加固法是在原結(jié)構(gòu)上增加中間彈性支座來減少原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。 當橋梁存在結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是承載力不足或需要提高荷載等級時，就需要對橋梁主要受力構(gòu)件進行加固，可在梁體外部受拉區(qū) (梁底與梁兩側(cè) )設(shè)置鋼筋或鋼絲束，并施加頂應(yīng)力，以抵消部分永久作用應(yīng)力，起到卸載作用，改善橋梁的受力狀況， 達到提高橋梁承載能力的目的。 本文通過使用 MIDAS/Civil 軟件對研究對象進行受力分析，計算其受力薄弱環(huán)節(jié)，并對其提出幾個相應(yīng)的維護加固方案，在比較分析中體現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的優(yōu)勢及基本方法。 關(guān)鍵字：體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，加固，受力分析 20xx屆工程力學專業(yè)畢業(yè)論文 II ABSTRACT External prestressing reinforcement technology, in essence, is the structure of external prestressing increases to offset part of the internal forces generated by external loads. Considered from another angle, external prestressing reinforcement method is to add an intermediate elastic support on the original structure to reduce the original structure of the internal forces. When there are defects in the bridge structure, especially the need to improve the load bearing capacity is insufficient or level, we need to bridge the main force ponent reinforcement, can the tension zone(beam bottom and sides of the beam)in the external beam set rebar or wire bundle and the top of the stress applied to offset part of the permanent roles tress plays unloaded role in improving the situation by force of the bridge,to improve the carrying capacity of the bridge purposes. In this paper, by using the MIDAS / Civil study stress analysis software to calculate the force weak link, and its corresponding maintenance of several proposed reinforcement scheme, reflecting the advantages of external prestressing reinforcement techniques and basic methods in parative analysis. KEY WORDS: External prestressing reinforcement technology, Reinforcement, Stress analysis 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 1 頁 共 61 頁 第一章 概述 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋概述 鋼筋混凝土連續(xù)梁橋有許多明顯優(yōu)點 :從結(jié)構(gòu)上看連續(xù)梁是超靜定結(jié)構(gòu)在荷載作用下 , 跨中彎矩比相應(yīng)的多個簡支梁小得多 , 從而減小了梁的截面 ,節(jié)省圬工 , 節(jié)省鋼材。連續(xù)梁橋的中墩上只需設(shè)一 個支座 , 與簡支梁橋比較 , 可以減少中墩的厚度 , 減小了橋墩對水流的擠束和局部沖刷 , 因而降低了下部結(jié)構(gòu)的工程造價。連續(xù)梁橋具有較大的剛度 , 整體性好 , 抗震性能好。當其一跨受有荷載時 , 其他各跨都將發(fā)生彎曲 , 而且形成平滑的彈性曲線 , 從而可以減少活載的沖擊作用 , 這在多孔靜定梁中一般是辦不到的 , 在高速公路上修建連續(xù)梁橋以減少橋面接縫 , 提高營運質(zhì)量更為重要。 普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在如下的缺點：裂縫出現(xiàn)早，因此不能有效地采用高強度材料，必然增大大結(jié)構(gòu)自重，導(dǎo)致其跨越能力差，并且降低材料利用率。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的誕生就是為了解決這個問題。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具很多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)伸縮縫少、變形小、受力性能好、行車平順舒適、經(jīng)濟性好、養(yǎng)護方便、造型簡潔美觀、抗震能力強等，因此成為最有競爭力的主要橋梁類型之一。本節(jié)簡述其發(fā)展： 所謂預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，就是在結(jié)構(gòu)承受荷載之前，預(yù)先對混凝土施加一定壓力，以此抵消外荷載作用下混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)誕生后，便取代了許多多普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 【 1】 。 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁大約是在二戰(zhàn)時發(fā)展起來的，那時很多西歐國家在戰(zhàn)后缺少金屬鋼的情況下，為節(jié)約鋼材， 各國開始采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)代替部分的鋼結(jié)構(gòu)，以盡快修復(fù)、重建戰(zhàn)爭破壞的建筑。 50 年代，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁跨徑已經(jīng)突破了 100 米，而 80年代時則達到 440 米 【 4】 。雖然當跨徑太大時，使用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)并不一定比其它結(jié)構(gòu)好，然而在實際工程中，當跨徑小于 400 米時，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁往往勝過其它結(jié)構(gòu)。 雖然預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在世界上的發(fā)展還不到 80 年。但是，在橋梁結(jié)構(gòu)中，隨著預(yù)應(yīng)力理論的不斷完善、實踐的不斷發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)必將更加廣泛的運用 【 2】 。 雖然連續(xù)梁有優(yōu)點很多，但是剛開始時它在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系中并非鶴 立雞群，因為當時施工主要采用滿堂支架法的限制，采用連續(xù)梁費工、費時。到后來，由于懸臂施工方法的廣泛應(yīng)用，連續(xù)梁才在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中有了急速的發(fā)展。 60 年代初期，在中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中，引進了了逐跨架設(shè)法與頂推法；而在較大跨連續(xù)梁中，則引進了更完善的懸臂施工方法，從而使連續(xù)梁方案更具競爭力，并逐步在20xx屆工程力學專業(yè)畢業(yè)論文 第 2 頁 共 61 頁 40— 200 米跨度范圍內(nèi)占重要地位。無論是高架道路、城市橋梁、山谷高架棧橋，或是跨河大橋，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁都成為優(yōu)勝方案并發(fā)揮了其優(yōu)勢。目前，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系儼然已經(jīng)成為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁家族中的主要橋型 之一 【 2】 。 另外，隨著連續(xù)梁體系的飛速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在中等跨徑范圍內(nèi)形成了很多不同類型，無論是在橋跨布置、梁、墩的截面形式，還是在體系上都有很多改進。在城市預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中，為了充分利用空間和改善交通的分道行駛，已建成不少雙層橋面形式。 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的發(fā)展趨勢大致可歸納為以下幾點： 【 4】 ① 跨徑進一步增大 ② 上部結(jié)構(gòu)不斷輕型化 ③ 簡化預(yù)應(yīng)力束類型 ④ 取消邊跨合攏的落地支架 ⑤ 上部結(jié)構(gòu)連續(xù)長度增大 另外，在設(shè)計預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋時，技術(shù)經(jīng)濟指針也是一個很關(guān)鍵的因素，它是設(shè)計方案合理性與經(jīng)濟性的 標志。同時，一座橋的設(shè)計方案完成后，造價指針不僅僅反應(yīng)了投資額的大小，而應(yīng)該還包括整個使用期限內(nèi)的養(yǎng)護、維修等運營費用在內(nèi)。通過 T 型剛構(gòu)、連續(xù)梁、連續(xù) — 剛構(gòu)等箱形截面上部結(jié)構(gòu)相比較可見 ,連續(xù) — 剛構(gòu)體系的技術(shù)經(jīng)濟指針相對較高。因此，從這個角度來看，連續(xù) — 剛構(gòu)也是未來連續(xù)體系的發(fā)展方向之一 【 3】 。 橋梁病害的成因及其危害 隨著技術(shù)的日新月異和交通運輸事業(yè)的日益繁榮，各地對道路的服務(wù)水平需求也日益增加，然而在橋梁整體數(shù)目不斷增加的同時，橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中不可避免的受到不利環(huán)境的侵蝕，遭受風、地震 、不斷增加的交通荷載等外來作用，結(jié)構(gòu)退化隨著服役期的增長而持續(xù)發(fā)展。這些因素導(dǎo)致了大量橋梁處于亞健康或危險狀態(tài) 【 4】 。橋梁一旦出現(xiàn)質(zhì)量安全問題，給國家和人民造成的損失難以估計。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計， 20xx 年我國橋梁總數(shù)為 278809 座，存在安全隱患或耐久性問題的橋梁大約占 50%，甚至在個別地方超過了 70%，其中危橋又占 20%～ 30%，大約有 9597 座 【 4】 。怎樣對這些已有橋梁做出合理的檢測、評估及加固，目前在理論上還沒有很好的解決辦法，究其原因，主要是對病害及其發(fā)生機理缺乏系統(tǒng)、清楚的認識。 鋼筋混凝土橋梁的病害主 要有下列幾種形式： 裂縫裂縫是鋼筋混凝土橋梁中最普遍、最常見的病害之一，不產(chǎn)生裂縫的橋梁王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 3 頁 共 61 頁 幾乎沒有。而且裂縫往往是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果。裂縫對鋼筋混凝土橋梁的危害程度不一，嚴重的裂縫如貫穿縫、網(wǎng)裂等將會嚴重危及橋梁的安全運行。另外裂縫往往也會引起其它病害的發(fā)生與發(fā)展，如鋼筋銹蝕、凍融破壞等，這些病害與裂縫形成惡性循環(huán)，會對橋梁的耐久性產(chǎn)生很大的危害。 混凝土碳化及鋼筋銹蝕混凝土碳化及鋼筋銹蝕現(xiàn)象在鋼筋混凝土橋梁中普遍存在。當混凝土炭化和鋼筋銹蝕程度日漸嚴重后，橋梁必然會產(chǎn)生較多的順筋裂縫，這會造成橋梁使用安全性降低和使用壽命縮短。 剝蝕剝蝕是從混凝土的外觀破壞形態(tài)著眼，對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面混凝土發(fā)生蜂窩麻面、露石、酥松起皮和剝落等病害的統(tǒng)稱。根據(jù)不同的機理可分為凍融剝蝕、沖磨和空蝕、水質(zhì)侵蝕、風化剝蝕等。 結(jié)構(gòu)構(gòu)造的破壞在鋼筋混凝土橋梁中，由于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位構(gòu)造不合理、施工中存在問題或年代久遠等而引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)造老化、失穩(wěn)、變形過大等已在一定程度上影響了橋梁的安全運行。 地基不均勻沉降引起的破壞由于地基不均勻沉降引起的破壞對結(jié)構(gòu)的影響也比較大，如翼墻和錐坡的下沉、滑動、開裂， 毛石墩臺的貫通縫等。 橋梁加固的意義 改革開放以來，尤其是在進入二十一世紀后，我國的公路、橋梁建設(shè)取得了爆炸式的發(fā)展。但在高速發(fā)展的同時，很多問題也隨之產(chǎn)生。由于設(shè)計標準的演變、交通量的增大、結(jié)構(gòu)的老化和病害以及橋梁在營運使用過程中超載、超限等不利加載因素的影響，產(chǎn)生較大的損壞、承載力、強度降低，或由于交通運輸?shù)娜找娣泵?，橋梁承載能力和通過能力不滿足要求，橋梁的可靠性和實用性降低 【 4】 。為了解決舊橋承載能力、通過能力不足，通常由兩種方案可供選擇： — 是拆除舊橋后重建新橋，二是采取加固措施。 對于不 能實行現(xiàn)代交通運輸?shù)臉蛄?，如果全部拆除重建，不僅資金消耗巨大，而且在時間上也不允許。即使在緊急最發(fā)達的美國，若將 40%的橋梁推倒重建，大約需要3000~5000 億元，也是不現(xiàn)實的。實踐證明，采用適當?shù)募庸碳夹g(shù)和拓寬措施，對恢復(fù)和提高舊橋的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以滿足現(xiàn)代交通運輸?shù)男枰?，是可行的。有關(guān)資料表明，既有橋梁加固費用約為新建橋梁的 10%~30%。我國公路部門實踐經(jīng)驗表明，梁橋加固費用約為新建橋梁的 10%~20%，雙曲拱橋的加固費用約為新建橋梁的 30%。 【 4】 因此世界各國不論是發(fā)達國 家或是發(fā)展中國家，無一不把以建橋梁視為國家財富，通入大量人力、物力、財力，不斷加強現(xiàn)有橋梁的維修、養(yǎng)護、加固20xx屆工程力學專業(yè)畢業(yè)論文 第 4 頁 共 61 頁 與改造，使其恢復(fù)設(shè)計承載能力或者提高荷載標準，把延長橋梁的使用年限，保障公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展作為一項基本國策 【 5】 。 西方一些發(fā)達國家已經(jīng)先后把公路、橋梁的維修、養(yǎng)護、加固與改造納入大專院校土工工程學科的重點課題，培養(yǎng)了一大批維修、養(yǎng)護、加固與改造的專門技術(shù)人才。隨著社會的進步和發(fā)展，在我國也只是時間早晚的問題 【 5】 。 牛角沱立交高架橋概況 圖 1. 1 嘉濱路牛角圖高架橋照片 嘉濱路連接朝天門與牛角沱，該路的 6 座高架橋分別是：牛角沱立交高架橋、大溪溝高架橋、黃花園高架橋、魁星樓高架橋、洪崖洞高架橋以及千廝門立交高架橋。這些高架橋都在 1996 年前后建成，市市政設(shè)施管理局專門委托重慶公路工程檢測中心對它們進行了全面體檢。診斷結(jié)果：整體安全沒問題，局部有損，包括橋梁底部裂縫、人行道欄桿局部構(gòu)件破損脫落、部分支座橡膠部分老化等。本次畢業(yè)論文主要研究 嘉濱路牛角沱高架橋外二橋的受力情況 ，預(yù)測其可能發(fā)生的災(zāi)害，并且對其提出相應(yīng)加固和維護方案，在多個維護方案中選擇合適的方案進行加固。 圖 1. 2 嘉濱路牛角圖高架橋剖面圖 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 5 頁 共 61 頁 圖 1. 3 嘉濱路牛角圖高架橋照片俯視圖