【正文】 然而橋梁在營運使用過程中，由于超載等原因 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Γ瑯蛄撼休d能力和通過能力不滿足要求就是這其中最為突出的問題之一。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護方案研究 學(xué) 院 土木建筑學(xué)院 專 業(yè) 工程力學(xué) 學(xué) 生 王 振 學(xué) 號 10980114 指導(dǎo)教師 李曉紅 I 前 言 鋼筋混凝土連續(xù)梁橋是超靜定結(jié)構(gòu) , 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。當(dāng)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。混凝土最主要的損傷時裂縫，除此之外還有蜂窩、孔洞、白化、露筋、剝落、層析等表層損傷。 本課題的主要研究內(nèi)容是 對嘉濱路牛角沱高架橋外二橋前五跨 建立有限元模型，通過有限元法來模擬其受力過程，找出其加載的薄弱環(huán)節(jié)。 熟悉材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和橋梁工程等相關(guān)專業(yè)知識，對橋梁 II 的整體受力情況及所受災(zāi)害情況 有一個大體的了解，并且能夠找出災(zāi)害產(chǎn)生的力學(xué)因素。 當(dāng)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。連續(xù)梁橋具有較大的剛度 , 整體性好 , 抗震性能好。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。 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(dāng)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。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】 。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)。這些因素導(dǎo)致了大量橋梁處于亞健康或危險狀態(tài) 【 4】 。 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。 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。 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(yuǎn)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。由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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】 。實踐證明，采用適當(dāng)?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? 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(xué)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。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。為能夠迅速、準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計，以填補目前土木結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計軟件市場的空白，而開發(fā)的“土木結(jié)構(gòu)專用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計軟件”。提供靈活多樣的建模功能，還可以導(dǎo)入由 SAP20xx 創(chuàng)建的有限元模型。 ⑤ 提供靜力分析、動力分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析、動力邊界非線形分析、幾何非線形分析、移動荷載分析（影響線 /影響面分析）、支座沉降分析、施工階段分析等功能。 【 6】 模型總體概況 嘉濱路牛角沱高架橋外二橋上部橋跨布置全部為： 1+1 +12 + 1 24,7m=， 本次課題為 嘉濱路牛角沱高架橋外二橋 的前 5跨，即 +4 = m橋梁結(jié)構(gòu)為普通鋼筋混凝土連續(xù)空心板橋。下部橋墩 為直徑 ，基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)，橋墩采用 25號混凝土，擴大基礎(chǔ)采用 20號混凝土。 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 8 頁 共 61 頁 圖 1 橋梁截面 其中空心板板高 ，頂板寬 ，翼板寬 ，底板寬 ，空心板空心部分采用直徑為 D= 的圓，上下底板厚 ，兩個圓形空心圓圓心距離為 ，最兩邊的空心圓圓心距離兩邊的距離為 。其具體參數(shù)如下圖所示。在 MIDAS/Civil 中，為識別不同的材料特性，需要定義材料號和材料名稱。 定義橋墩材料 根據(jù)任務(wù)書要求，參照 中國交通部公路標(biāo)準(zhǔn) JTG04(RC)規(guī)范，預(yù)制空心梁板采用25 號混凝土。 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 11 頁 共 61 頁 圖 6 材料標(biāo)準(zhǔn) 簡化模型 創(chuàng)建節(jié)點 根據(jù)整座橋各個部分的尺寸定義出模型幾個關(guān)鍵點的位置。在這里橋梁我選用了“一般梁 /變截面梁”類型。 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 12 頁 共 61 頁 圖 7 模型節(jié)點及單元 使用 MIDAS/Civil 中的顯示特性功能，可以把單元的截面特性和材料特性顯示在效果圖中， 嘉濱路牛角沱高架橋外二橋 前五跨，模型如下圖所示。 添加荷載 MIDAS/Civil 中，為分析各種結(jié)構(gòu)，提供了三種荷載類型：靜力荷載、動力荷載、移動荷載。一個荷載類型只能 定義一個靜力荷載工況。（ 2）定義車輛荷載，既可以使用規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)車輛荷載，也可以用戶定義。指定車輛荷載加載方式有兩種：“車道單元法”、“橫向連系梁”，在這 里采用了車道單元法，車輪間距設(shè)為 米，偏心距 米，橋梁跨度 米，車輛移動方向設(shè)置為單向向前，最終橋面上車道布置如下圖。 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 17 頁 共 61 頁 圖 19 移動荷載工況 ④移動荷載在車道上的布置 在橋上行駛的車輛種類繁多，有汽車、平板掛車、履帶車、壓路機等，各類車輛在橋梁上出現(xiàn)的 組合 不同。荷載級別的數(shù)字即表示一輛主車的總重量噸數(shù)。 掛120300 300 300 300軸重單位： 尺寸單位： 掛車橫向布置 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 19 頁 共 61 頁 圖 21 掛車的荷載布置 掛 120 是驗算荷載 ， 掛車 120 就是 120t 重設(shè)計的掛車車隊， 掛車長度 米，寬度 米，車輪寬度 米，四個車輪 間軸距為 米。 在此次模型中橋面鋪裝的范圍是整座橋面，共計 ，密度為50tonf/m。()。 應(yīng)力 在 MIDAS/Civil 的后處理中，有三處可以查看梁截面應(yīng)力結(jié)果，一是梁單元應(yīng)力，二是梁單元應(yīng)力（ PSC），三是橋梁內(nèi)力圖。 變形圖 圖 4 變形圖 由圖 4 觀察可知，變形最大的位置是第一跨跨中， Y 軸方向位移為 ，其他四跨在 Y軸方向的位移分別為 、 、 、 。混凝土最主要的損傷時裂縫，除此之外還有蜂窩、孔洞、白化、露 筋、剝落、層析等表層損傷。而且混凝土梁式橋出現(xiàn)缺陷并不是單獨的因素引發(fā)的，而是一個因素誘發(fā)，很多個因素共同促進其發(fā)展，各種病害相互促進、相互影響、共同伴生。 裂縫 橋梁結(jié)構(gòu)種遇到最多的病害損傷就是裂縫，有些裂縫對結(jié)構(gòu)的耐久性和承載能力有很大的威脅。 ② 墩臺不均勻沉降引起的裂縫。 ⑥ 溫度變化大或溶凍造成裂縫。 ⑩ 鋼筋銹蝕膨脹產(chǎn)生導(dǎo)致混凝土開裂。 ③ 力學(xué)機理角度：彎曲裂縫、剪切裂縫、 局部承壓裂縫、次裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致盈利重分配、降低結(jié)構(gòu)強度和剛度，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力影響橋梁的營運安全。 剪切裂縫 混凝土梁體受剪力的左右產(chǎn)生剪切裂縫，又稱為斜裂縫，也成為主壓應(yīng)力裂縫，是由梁體局部拉應(yīng)力太大產(chǎn)生的。成因：①設(shè)計原因②施工原因。 裂縫對混凝土梁式橋的影響 裂縫對混凝土梁橋的影響主要體現(xiàn)在兩個方面： 對橋梁使用性能的影響 開裂會導(dǎo)致橋梁剛度降低，變形增大，橋梁跨中撓度超標(biāo)，從而影響整個橋梁的正常使用；如果橋梁開裂嚴(yán)重會導(dǎo)致橋梁的承載能力大幅下降，甚至影響橋梁的使用安全，危及國家和民眾的生命財產(chǎn)安全。 混凝土碳化的原理十分復(fù)雜，主要原理是水泥熟料中的 Ca（ OH ） 2 和3CaO 3H2O 的過程。 研究表明：碳化使混凝土的抗壓強度顯著提高，抗剪強度略有提高，同時彈性模量和脆性增大，峰值盈利增大，但峰值應(yīng)變變化較小。因此混凝土碳化必須限制在一個安全的限度內(nèi)，不能過度放任。 橋梁表面存在一定程度的碳化，厚度在 5mm左右。 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 27 頁 共 61 頁 圖 3 第二跨災(zāi)害（ b） ③橋梁表面存在一定程度的碳化，厚度在 5mm左右。 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 28 頁 共 61 頁 圖 5 第四跨（ a） 圖 6 第四跨 (b) 圖 7 第四跨（ c） ②距 4 號墩 4m處，外弧側(cè)腹底邊緣局部一條縱向裂縫，裂縫寬約 ，混凝土構(gòu)件受彎矩作用產(chǎn)生的正應(yīng)力超過混凝土的受拉強度引起的，具體原因可能是配筋不足、結(jié)構(gòu)老化、溫度荷載考慮不足、二期恒載過重、交通量大過大超過設(shè)計荷載等級；也可能施工時溫度太高，局部養(yǎng)護不及時或不充分，拆模太早或拆模時損傷?；炷磷钪饕膿p傷時裂縫，除此之外還有蜂窩、孔洞、白化、露筋、剝落、層析等表層損傷。橋梁在營運使用過程中，由于超載等原因產(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Γ瑯蛄撼休d能力和通過能力不滿足要求就是這其中最為突出的問題之一。 相比較而言，采用維修加固，提高橋梁的承載能力和通過能力，是提高現(xiàn)有橋梁經(jīng)濟效益，節(jié)省投資和減少人力，物力的重要途徑。在加固過程中，應(yīng)當(dāng)遵守橋梁加固的各種規(guī)范，結(jié)合每一座橋各自的特點，在實踐中積極創(chuàng)新、不斷探索研究，盡可能把最先進的技術(shù)和材料融入舊橋加固、改造中，提出多種可行的方案，使舊橋能夠繼續(xù)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和行車的安全，保證交通的暢通。 ② 對橋梁的損壞程度進行評估，如果出現(xiàn)大面積混凝土脫落，或者裂縫寬度超過規(guī)范許可的范圍，最終導(dǎo)致車輛不能正常通行。 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護 方案研究 第 31 頁 共 61 頁 ⑥ 當(dāng)強度不能滿足要求時，則必須對破壞的部位或桿件加固處理；若損壞程度較輕，則只需進行修補即 可，無需進行加固。在選擇加固方案時要考慮多種因素 : ① 橋梁的結(jié)構(gòu)形式 ② 是否需要封閉交通 ③ 施工技術(shù)水平情況 ④ 預(yù)計加固效果 ⑤ 橋梁所處的地形、水文、自然條件 ⑥ 加固資金成本 ⑦ 橋梁現(xiàn)狀分析 原則 針對同一個損傷和病害，會有很多可行的加固方法，在設(shè)計橋梁加固方案時為避免明顯不合適的累贅方案，應(yīng)遵循以下原則。 4) 加固后的橋梁盡可能美觀，加固部分不能過分影響景觀。 2) 用新構(gòu)件代替舊的、損壞的構(gòu)件。 粘貼鋼板（筋）加固法。 增設(shè)縱梁支撐加固法。 包括水平預(yù)應(yīng)力補強拉桿加固法、下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補強拉桿加固法、組合預(yù)應(yīng)力補強拉桿加固法、箱梁體外預(yù)應(yīng)力加固法。 當(dāng)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。 粘貼鋼板加固法 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 36 頁 共 61 頁 鋼板粘貼補強法 是采用環(huán)氧樹脂系列粘接劑，將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉區(qū)域薄弱部位，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體，用以代替需增設(shè)的補強鋼筋，通過鋼板與補強結(jié)構(gòu)的共同作用，提高其剛度，限制裂縫開展，改善鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，提高梁的承載能力，以達到補強效果一種加固方法。 （ 2） 增加結(jié)構(gòu)的抗剪強