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高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践

高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践
高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践

高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)用于桥梁工程,一是用作桥梁的主承力结构或桥跨结构,设计、建造全FRP桥梁或以FRP为主体结构的桥梁,主要目的是提高桥梁的有效承载能力和极限跨越能力【1-5】;二是用作桥梁的一般结构、构件,取代结构性能较差的部分钢、混凝土结构、构件,或与钢、混凝土结构、构件组合构成FRP-钢或FRP-混凝土或FRP-钢-混凝土组合结构、构件,主要目的是从优化桥梁结构组成和改善桥梁结构性能方面提高桥梁的结构耐久性[6-10]。

高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践,始于上世纪八十年代【6,9】,它虽然起步较FRP新桥设计研究晚,且规模、影响和技术含量也不如FRP新桥设计和建造,但因其能较有效地解决桥梁工程实际问题,且有望解决一些世界性的桥梁技术难题,如像钢桥面铺装的耐久性技术难题、桥墩防撞结构的“和谐防撞、“长效防撞”等技术难题,故更受工程欢迎和更易推广应用。笔者从上世纪八十年未开始进行桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件和高耐久性FRP桥面系结构、构件的研究与实践,经初步理论、试验研究和工程应用证明其结构耐久性提高显著。现总结推出这种新结构、构件的适用类型、合理结构形式和设计、施工关键技术,供高耐久性桥梁结构、构件设计参考。

1 工程背景

高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践,主要结合如下工程进行:

1) 重庆市高新区六店小区钢桁箱梁桥高耐久性FRP防护外壳工程;

2) 重庆李家沱长江大桥、鹅公岩长江大桥、菜园坝长江大桥等桥梁索杆结构高耐久性FRP 防护外壳

工程;

3) 重庆菜园坝长江大桥、黄花园嘉陵江大桥桥墩高耐久性防撞结构工程;

4) 西藏拉萨大桥、成都龙泉驿飞龙桥等三座桥梁和重庆东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥高耐久

性FRP桥梁人行道板工程;

5)重庆机场高速公路金渝立交桥、高新区市政道路A1线高架桥等10余座桥梁高耐久性FRP桥梁人行道栏杆工程;

6)江阴长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥高耐久性FRP—环氧砾石—沥青混凝土钢桥面铺装试验工程。

2 高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型

FRP种类较多,目前用于桥梁结构、构件的FRP主要有CFRP(碳纤维增强复合材料)、

GFRP(玻璃纤维增强复合材料)和AFRP(芳纶纤维增强复合材料)三类。三者既有轻质高强、完全弹性、防撞抗裂、吸振消能、耐疲劳、耐腐蚀、易成型的共同优点,也有层间强度低、断裂伸长率小、强度的方向性差异大、工程造价高的共同缺点,还有CFRP较GFRP和AFRP弹性模量、断裂伸长率、材料价格相差较大、GFRP与AFRP结构性能相近但经济性能前者优于后者的个性差异(见表1)【11-12】。

FRP的材料性能特点,决定了FRP用于高耐久性桥梁结构、构件须选择既能发挥FRP材料性能之长,又能对桥梁的结构耐久性提高帮助最大的适用类型。基于合理结构形式考虑,高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型,一是取代钢、混凝土结构、构件使其结构性能明显改善的全FRP结构、构件;二是与钢、混凝土结构、构件组合使其结构组成优化且结构性能优于单一材料结构的FRP—钢或FRP-混凝土或FRP—钢—混凝土组合结构、构件。基于技术、经济可行考虑,高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型,主要有桥梁主体结构的FRP防护结构、构件和FRP桥面系结构、构件两类。

经工程实践证明技术、经济可行的这两类结构、构件,具有如下共同优点:

1)结构耐久性提高的同时,结构安全性、使用舒适性、维修经济性及外观美观性增加;

2)大部份可采用FRP中价格最低的GFRP制造,工程造价与钢、混凝土结构、构件接近;

3)结构性能无明显褪化的老化寿命可达50年以上,可使这些桥梁结构、构件的使用寿命增加和使

用价值提升。

3 桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件研究与实践成果

3.1 钢箱梁桥、钢桁架桥的FRP防护外壳研究与实践成果

采用FRP防护外壳将钢桁架桥桥面以下暴露的桁架结构围护起来,同时兼作桥梁检修通道的研究,最早始于英国。1987年,英国Maunseel Structural Plastics公司在Tees Viaduct 的一座桥梁上试用成功,其后在英国的许多桥梁上推广应用,并编制了相应的技术规范。在此基础上,英国剑桥大桥于1997年研发出一种新型空间桁架桥梁结构体系(简称为SPACES)。新结构由钢管桁架外包覆FRP箱形外壳加上钢或混凝土桥道板组成,适用于跨径40m以上的梁式桥及大跨径索支承桥的加劲梁。与传统的钢桥如板梁桥、加劲箱梁桥和桁架桥相比,可节

省钢材约50%,1/2缩尺模型的SPACES梁段结构试验还证明,FRP箱形防护外壳不仅可为钢桁架提供防锈保护,而且还使SPACES的抗扭刚度比桁架结构增大约50%【13】。

1989年,重庆交通大学对重庆观音桥人行立交桥挠曲变形较大的GFRP简支箱梁进行加固设计时,通过在原GFRP箱梁内增设钢桁架构成钢桁架—FRP箱梁组合桁箱梁结构,在增大原结构刚度的同时,节省了新结构的防锈保护,并使原桥结构外形保持不变。该桥加固使用10年后随桥下步行街修建对其进行撤除时,解剖GFRP箱梁检查钢桁架未发生锈蚀。2006年,重庆交通大学进行重庆高新区六店小区人行天桥设计时,为解决“桥位超深软基要求上部结构减重”的技术难题和满足业主“使用期至少30年内不涂装养护”的使用要求,将天桥桥道梁设计成图1所示横截面形式的钢桁箱梁—FRP箱形防护外壳组合桁箱梁结构。钢桁箱梁由3榀5号槽钢轻型纵向桁架外联10mm厚的箱形钢板构成;FRP防护外壳为在钢桁箱梁上整体湿法缠绕成型FRP外壳结构层再干法粘接外壳饰面层构成。天桥长18.8m,宽3.0m,上部结构梁高0.5m,自重约3.0kN/㎡,仅为设计荷载(人群荷载4.5kN/㎡)的2/3,FRP箱形外壳自带色彩和光洁外表,施工为工厂预制整体运输吊装就位,工程造价为26万元。天桥建成后的外观效果如图2所示。

钢箱梁、钢桁架桥的FRP防护外壳的结构机理,是借助二者材料的分子间吸引力与钢结构连接牢固而共同工作,并借助材料自身的高强低模、完全弹性不对钢结构构成附加约束和不先行破坏而使防护失效,从而能对钢结构提供长效防护而提高结构的耐久性。

钢桁架桥FRP防护外壳的附加结构贡献,是提高钢桁架结构的抗扭刚度和纵横向稳定性,减轻桁架结构的自重和节点应力集中,即在提高结构耐久性的同时,增大结构的安全性和经济性。

钢箱梁桥、钢桁架桥FRP防护外壳的合理结构形式,是既能与前者连成结构整体又不对前者构成附加约束、不仅可提高其结构耐久性而且可提高结构其它力学性能和美学效果的FRP箱形外壳的壳体结构形式及其与桁架节点的“应力平缓过渡”连接方式【9】。

钢箱梁桥、钢桁架桥FRP防护外壳的设计、施工关键技术,一是基于“刚度分配”和“变形传递”的组合结构设计原理,二是FRP防护外壳合理厚度的简化计算方法,三是FRP防护外壳分次成型外壳结构层和外壳饰面层的施工技术。

3.2 桥梁索杆结构的FRP防护外壳研究与实践成果

斜拉桥拉索、悬索桥吊索和中承式拱桥、系杆拱桥吊杆、吊索等桥梁索杆结构的FRP防护外壳,是在新桥索杆结构的高强钢筋束或高强钢丝束的外围工厂挤拉或缠绕成型FRP外壳,或在旧桥索杆结构的PE防护壳表面现场缠绕成型FRP外壳构成的一种结构受力更合理和结构耐久性更优秀的新型防护外壳。

上世纪九十年代末,重庆交通大学与重庆市城投公司联合,在国内率先进行桥梁索杆结构FRP防护外壳的研究与实践。1998年,设计建成首座采用FRP—钢组合吊杆的重庆北碚区文星湾中承式人行拱桥(见图3)。该桥的FRP—钢组合吊杆,为在3根焊接成品字形的32热轧粗钢筋外围湿法成型纵横向GF连续纤维构成的复合吊杆。FRP防护外壳,兼有承力和防护双重功能,保护吊杆使用至今既未锈蚀破坏也未变形超标,还借助其自带色彩成型的光洁外观效果,使该桥吊杆使用至今也未进行过表面涂装养护。此后,又于1999年、2001年、2007年分别完成重庆李家沱长江大桥主桥斜拉桥拉索、重庆鹅公岩长江大桥主桥悬索桥吊索和重庆菜园坝长江大桥主桥系杆拱桥吊索低端部位的FRP增强防护的设计和施工。这三座桥的索杆结构的FRP防护外壳,是在桥梁使用状态下直接在索杆结构的PE护壳表面现场湿法缠绕成型FRP防护外壳结构层和模具加压干法粘接成型FRP防护外壳饰面层构成。这不仅提高了索杆结构的密闭防渗和抗撞击划割破坏的能力,而且增加了索杆结构的外观美学效果(见图3—图6)。为检验FRP防护外壳的防护效果,使用中对鹅公岩大桥吊索和菜园坝大桥吊索的FRP防护外壳进行了解剖检测,均未发现索端锚箱内积水和锚头锈蚀现象(见图7和图8),证明FRP防护外壳对桥梁索杆结构的钢丝、钢筋防锈保护和提高索杆结构的耐久性大有帮助。

FRP防护外壳提高桥梁索杆结构耐久性的结构机理,一是FRP材料吸振、消能、抗断裂、耐疲劳的结构性能优于高强钢丝、钢筋和PE,二是FRP自防腐、易成型并与钢材连接具有分子间的吸引力,故比PE护壳更能与钢丝、钢筋连接牢固、共同工作和协调变形,长期振动状态下也不会先自身疲劳、断裂失效,从而不会产生PE那种高应力状态和振动疲劳下的界面剥离和表面龟裂破坏,故使索杆结构因增加了FRP防护外壳的长效防锈保护而增大了结构耐久性。

FRP防护外壳对索杆结构的附加结构贡献,一是FRP防护外壳中的纵向连续纤维能分担高强钢丝束或钢筋束的受力,二是FRP防护外壳中的横向缠绕纤维能约束钢丝或钢筋束的径向位移而增大其结构整体性,从而增大索杆结构的安全储备,这也从结构安全性方面提高了索杆结构的耐久性。

桥梁索杆结构FRP防护外壳的合理结构形式,为外壳结构层与外壳饰面层组合构成的组合壳体结构。外壳结构层,保证FRP防护外壳不先于索杆结构破坏而使防护失效;外壳饰面层,为FRP防护外壳提供光洁亮丽色彩且保色性好的外观效果。二者之间及其与索杆结构既连接牢固,又不会对索杆结构构成附加位移约束。

桥梁索杆结构FRP防护外壳的设计、施工关键技术,一是FRP外壳基于索、壳结构分析理论的设计原理;二是FRP外壳合理厚度的简化计算方法;三是FRP外壳结构层和饰面层既能连成结构整体又具有长久光洁外观效果的施工技术。

3.3 桥墩FRP防撞结构研究与实践成果

自定位、弱接触、高消能的FRP桥墩防撞浮箱,是重庆交通大学于2008年研发出的一种结构形式、连接方式和消能模式全新的桥墩防撞结构。该结构设计方案,在2010年3月重庆菜园坝长江大桥和黄花园嘉陵江大桥桥墩防撞工程的全国性设计竞标中胜出,现正据此进行黄花园大桥桥墩防撞工程的施工图设计。

桥墩FRP防撞浮箱结构的合理结构形式,为围护在桥墩周围的FRP外围箱体结构与附着于外围箱体结构内表面上的一排FRP内衬八边形柱壳薄壁构件组合构成的FRP组合式防撞结构【13】。其中,FRP外围箱体结构,为浮箱的抗撞消能主体结构和浮力平衡结构;FRP内衬柱壳构件,为浮箱与桥墩的弱接触连接支承结构和撞击缓冲结构(见图9)

FRP防撞浮箱结构与桥墩的连接方式,“平时”通过浮箱外围箱体结构顶舱内斜面上的自平衡定位滚筒与桥墩表面时刻贴紧并可沿桥墩表面上下滚动的接触方式及内衬柱壳构件与桥墩不接触或虽接触但不压实的连接方式,实现浮箱“只传递滚筒自重而不传递其它荷载给桥墩”的弱接触连接和“既能随水位变化上下浮动又能保持与桥墩的相对平面位置不变”的自定位连接。“撞时”在保持自平衡定位滚筒与桥墩的弱接触连接方式继续有效的基础上,增加内衬柱壳构件对桥墩进行撞击缓冲和作用面积扩散的又一弱接触支承连接,使桥墩直接承受的船撞作用经外围箱体结构消能后再经内衬构件的弱化传力得以进一步降低。

桥墩FRP防撞浮箱结构的消能模式,一是通过浮箱外围箱体结构中舱内相互密贴的FRP 八边形和四边形柱壳薄壁构件的特殊结构构造(见图10)及其“撞时相互挤压、相互运动”的特殊结构行为产生变形消能和摩擦消能;二是通过浮箱内衬柱壳构件与桥墩的撞击缓冲,产生变形消能和溃散消能;三是通过浮箱外围箱体结构底舱和内衬柱壳构件下段内充满的水流,产生阻止浮箱向桥墩运动的水阻消能,共同消耗船舶撞击动能的70%以上,并使经浮箱柔性抗撞和弹性反推反作用与船舶的撞击力小于船舶的破坏荷载,保护船舶不被撞坏或减小船舶及船上人员的撞击伤害,还使浮箱借助其高强度、低刚度、完全弹性的材料、结构优势,减小其自身撞击损伤,保证浮箱在船撞全程都不退出工作,从而获得“既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤”的最优防撞保护效果,达到“船桥和谐防撞”、“浮箱长效防撞”的桥墩防撞设计的最高境界。

桥墩FRP防撞浮箱结构设计、施工的关键技术,一是反映浮箱外围箱结构内多边形柱壳构件挤压变形、运动摩擦、溃散破坏及浮箱-水流耦合作用的结构分析理论和可靠计算方法,二是浮箱结构既强又柔、“平时”与桥墩既不脱离、又不压实、“撞时”既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤的结构构造设计,三是浮箱立面分顶、中、底舱和平面分前、中、后箱工厂预制、现场组装且便于后期拆装维修的施工技术。

4 高耐久性FRP桥面系结构、构件研究与实践成果

4.1 FRP桥梁人行道板研究与实践成果

桥梁人行道板,虽不是桥梁的主承力结构和重要结构,但因其通过技术改造和技术创新能为桥梁提供“结构减重”和“耐久性提高”的明显效果,故成为桥梁工程师和研究人员日益关注的研究课题【14,15】重庆交通大学本世纪初研发出一种全新结构形式的FRP桥梁人行道板,先后投入西藏拉萨大桥和成都龙泉区飞龙桥等3座桥梁应用(图11,图12),带来了人行道板结构自重减轻、结构承载力、结构耐久性、行走舒适性、外观美观性提高和后期维修养护减少的全新效果【16】。

FRP桥梁人行道板的合理结构形式,是FRP空心板上覆环氧砾石铺装层的FRP-环氧砾石组合式空心板结构。FRP空心板,为人行道板的主承力结构和跨越结构;环氧砾石铺装层,为人行道板的顶面抗压增强结构和抗滑耐磨功能结构。FRP空心板与环氧砾石铺装层的界面连接,为后者基体树脂渗透进前者结构层内的嵌入式粘接连接,界面连接剪切强度可达到20MPa以上。

FRP桥梁人行道板的结构特点,一是结构自重比混凝土人行道板轻70%左右;二是结构设计由刚度条件控制,刚度条件满足下强度富余较多;三是结构无塑性变形,短期超载后卸载无残余变形(结构试验证明:超载1.1倍后1小时内卸载,变形完全恢复;超载42%且稳载180天后卸载,残余变形72小时内未能恢复)【16】。

FRP桥梁人行道板设计的关键技术,一是人行道板结构合理结构形式下空心板与铺装层的最优材料组成及最佳厚度比例,二是基于复合材料结构“等代设计”理论且经有限元计算和试验验证的简化计算方法,三是推出便于工程应用的标准构件形式及其设计标准图(见图13和表2)。

FRP桥梁人行道板施工的关键技术,一是先工厂机械化挤拉成型单元板再拆分或组合构成大、小板形式的标准板的FRP空心板预制施工技术,二是与FRP空心板的标准板同时工厂分块摊铺预制成型或先现场安装好FRP空心板再在其上整体摊铺成型环氧砾石铺装层的施工技术,三是FRP人行道板与钢或混凝土路缘、边纵梁的界面连接及人行道板整体结构或大、小标准板间温变伸缩构造施工技术。

4.2 FRP桥梁人行道栏杆研究与实践成果

为改变钢、铁、混凝土桥梁人行道栏杆自重大、耐久性差、后期维修养护多的技术现状和提升栏杆的技术经济含量,重庆交通大学于本世纪初研发出结构、功能效果优于这些栏杆的FRP 桥梁人行道栏杆,经10余座桥梁应用检验证明,新栏杆不仅易达到上述目标,而且耐久性提高效果显著。

FRP桥梁人行道栏杆的合理结构形式,是采用自重轻、刚度大的空心薄壁构件形式的立柱、横栏、小柱三种标准构件组装构成适用于各种桥面纵坡的组合式栏杆结构。其中,栏杆横栏与立柱通过胶粘连接构成节点固结的栏杆排架,栏杆排架通过插入栏杆立柱套孔并特殊胶粘连接实现横向限位纵向滑动的整体栏杆结构。在此基础上,推出了便于工程应用的栅栏型板条式栏杆(见图14)和栅栏型宝瓶式栏杆(见图15)标准栏杆形式。前者具有刚劲、稳重气势,适用于大跨、特大跨桥梁;后者具有轻巧、典雅气质,适用于中、小跨径桥梁和人行桥梁。

FRP桥梁人行道栏杆的结构特点,一是栏杆自重比钢、铁栏杆减重50%左右,比混凝土栏杆减重80%左右,二是栏杆的温变伸缩通过栏杆排架与立柱间的滑动连接构造自由实现且不露痕迹,三是栏杆结构自带色彩成型并具有光洁亮丽外表,使用期内(至少30年内)不须涂装养护。

FRP桥梁人行道栏杆设计的关键技术,一是保证栏杆设计基准期50年内既抗结构破坏又省后期维修养护的合理结构形式与最优材料组成设计技术,二是为栏杆结构设计提供经结构试验验证的有限元计算方法。

FRP桥梁人行道栏杆施工的关键技术,一是栏杆立柱、横栏、小柱标准构件模具成型和栏杆排架工装成型的工厂预制施工技术,二是栏杆排架节点固结和排架与立柱套孔滑动连接的内部连接施工技术,三是栏杆立柱与钢或混凝土边纵梁胶粘连接和机械连接(焊接连接或螺栓连接)相结合的外部连接施工技术。

4.3 FRP—环氧砾石—沥青混凝土钢桥面铺装结构研究与实践成果

为解决沥青混凝土钢桥面铺装结构“沥青混凝土与钢桥面板材料性能悬殊导致二者界面剪应力较大”、“钢桥面板的防水层及其与沥青混凝土的粘接层容易破坏”、“铺装结构耐久性较差”的三大世界性技术难题,重庆交通大学与重庆市城投公司联合,研发出FRP-环氧砾石-沥青混凝土钢桥面铺装新结构。经初步理论分析和结构模拟试验研究证明,新铺装结构比常规沥青混凝土铺装结构具有“结构形式更合理”和“结构功能更完美”的质的进步【17】。

FRP-环氧砾石-沥青混凝土钢桥面铺装结构的合理结构形式,为FRP层合板或空心板式铺装下层、环氧砾石实心板式铺装中层和沥青混凝土实心板式铺装上层复合构成的异质三层结构形式的铺装结构(见图16)。FRP铺装下层与钢桥面板的界面连接,为FRP材料的基体树脂ER与钢板材料具有分子间的吸引力和FRP材料的增强纤维GF、CF对界面层具有结构增强作用的粘接连接;FRP铺装下层与环氧砾石铺装中层的界面连接,为二者基体树脂材料相同的自粘连接和二者连接界面的糙面粘接连接;环氧砾石铺装中层与沥青混凝土铺装上层的界面连接,为沥青混凝土铺装上层的沥青混合料嵌入环氧砾石铺装中层的外露砾石间空隙并握裹砾石构成的咬合式界面连接。

FRP-环氧砾石-沥青混凝土钢桥面铺装结构的结构特点,是在材料性能悬殊、界面连接较弱的钢桥面板和沥青混凝土层之间,加入既可实现二者材料刚度过渡、又可界面连接增强的FRP层和环氧砾石层,使钢桥面铺装结构的强者钢桥面板因与FRP层连为结构整体而增大了刚度和结构安全储备,并使钢桥面铺装结构的弱者沥青混凝土层因与环氧砾石层的界面连接增强而增大了界面剪切强度和整体结构效果,表明新铺装结构比常规铺装结构的结构形式和材料配伍更合理。并且,FRP铺装下层兼有钢桥面板防水层的长效防水功能,环氧砾石铺装中层兼有施工高温缓冲层的高温损伤保护功能,可使钢桥面铺装结构借助其更完美的结构功能而大幅提高其结构耐久性。材料试验证明,FRP铺装层与钢桥面板的界面剪切强度均大于20Mpa,模拟江阴长江大桥钢桥面铺装结构的横桥向弯曲试验(见图17和图18)证明,12mm钢桥面板+25mm FRP空心板铺装下层+5mm环氧砾石铺装中层+27mm浇筑式沥青混凝土铺装上层结构形式的新铺装结构与12mm钢桥面板+57mm浇筑式沥青混凝土铺装层结构形式的常规铺装结构相比,可减轻铺装结构自重0.35kN/㎡,增大钢板的横桥向抗弯刚度约1倍,减小钢板的横桥向正应力约15%,减小沥青混凝土层界面的横桥向剪应力约30%【17】

FRP-环氧砾石-沥青混凝土钢桥面铺装结构设计的关键技术,一是新铺装结构各层厚度最佳比例及其材料配伍设计,二是新铺装结构的整体结构计算分析原理及简化计算方法。

FRP-环氧砾石-沥青混凝土钢桥面铺装结构施工的关键技术,一是FRP铺装下层,尤其是FRP空心板式铺装下层与钢桥面板密贴粘接、牢固连接和施工高温损伤预防技术,二是环氧砾石铺装中层的砾石底部嵌入FRP铺装下层中、顶部外露且留有间隙便于沥青混合料握裹与咬合的机械化施工技术。

5 结论

1)高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型,一是取代钢、混凝土结构、构件使其结构性能明显改善的全FRP结构、构件,二是与钢、混凝土结构、构件组合使其结构组成优化且结构性性能优于单一材料结构的FRP-钢或FRP-混凝土或FRP-钢-混凝土组合结构、构件,其工程应用有效的适用类型,主要有桥梁主体结构的FRP防护结构、构件和FRP桥面系结构、构件两类。

2)桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件,主要有钢箱梁桥和钢桁架桥的FRP防护外壳、桥梁索杆结构的FRP防护外壳、桥墩FRP防撞浮箱结构三类;高耐久性FRP桥面系结构、构件,主要有FRP桥梁人行道板、FRP桥梁人行道栏杆和FRP-环氧砾石-沥青混凝土钢桥面铺装结构三类。它们的共同结构特点,一是几乎不增加主体结构自重或能减轻原桥结构自重,二是结构耐久性提高的同时,结构安全性、使用舒适性、维修经济性和外观美观性增加。

3)高耐久性FRP桥梁结构、构件,与FRP桥梁主承力结构和桥跨结构设计研究同样重要,随着研究与实践的深入,将共同推动桥梁向“大跨径”和“工业化施工”方向发展作出其应有的贡献。

桥梁耐久性设计-0

桥梁耐久性设计 桥梁设计基准期为100年。 本项目位于东北严寒地区,且为大量使用除冰盐。环境类别为II类,环境作用等级为D和E级,即II-D(E)级。 针对本项目的特点,对于钢筋混凝土及预应力混凝土结构进行耐久性设计。 一、提高混凝土质量 1、混凝土耐久性指标 混凝土的耐久性指标指混凝土的抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱-骨料反应性等。根据结构的设计使用年限、所处的环境类别及作用等级,本工程的耐久性指标见下表: 2、加大混凝土保护层厚度。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004),按II类环境设置钢筋保护层。 3、提高混凝土密实度。选择质量可靠,牢固支撑的模板,避免漏浆;混凝土充分振捣,避免出现蜂窝、孔洞;防腐蚀混凝土中掺入优质粉煤灰,改变混凝土内部孔隙结构,提高混凝土密实度,同时增加对氯离子扩散的阻力。 4、采取措施,控制混凝土有害裂缝。 ①防止混凝土碱集料反应引起混凝土裂缝,不使用碱活性的集料,不使用含

碱的化学外加剂等。 ②防止集料膨胀反应引起的混凝土开裂,对集料生产、运输堆放及搅拌等工序进行科学管理,防止将含氧化镁或硫酸盐的膨胀集料或生石灰碎块混入集料中。 ③应用设计允许的最小水泥用量和能满足和易性要求的最小用水量,避免过大的坍落度,均匀浇筑混凝土,并及时对混凝土进行养护。 5、桥面侧边构件的外缘底面设置滴水檐,防止雨水从构件外侧面流向底面。桥面铺装层与混凝土现浇层之间设置防水层。 二、控制氯离子含量 混凝土中氯离子含量对钢筋腐蚀的影响极大,预应力混凝土构件最大氯离子含量为0.06%,钢筋混凝土构件最大氯离子含量不大于0.15%,混凝土必须振捣密实,且不宜采用蒸汽养护。通过优质混凝土矿物掺合料和新型高效减水剂复合,配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料,形成低水灰比、低缺陷、高密度、高耐久性的混凝土材料,增加对氯离子扩散的阻力。混凝土拌制过程中掺入阻锈剂,延缓氯离子对钢筋钝化膜的破坏。 三、提高桥梁防水、防冻功能 钢筋锈蚀主要是因混凝土保护层碳化和氯化物侵蚀,这两种腐蚀现象都是以水为载体进行,故桥梁防水应是桥梁结构防腐的第一道屏障。大量的桥梁检测资料表明,由于桥面防水层的过早破坏,加上桥面排水不畅,水从桥面渗入到桥面板下的梁、墩台等部位,加速了桥梁结构混凝土的碳化和混凝土内钢筋的腐蚀。为此: 1、桥面防水设计中,把水泥混凝土铺装设计为防水混凝土以达到自防水效果,柔性防水和刚性防水相结合。 2、加强梁端封锚混凝土、湿接缝、铰缝施工质量控制,避免梁端及湿接缝渗水。 3、桥面现浇层混凝土采用补偿收缩防水混凝土,防止桥面漏水降低桥梁使用寿命,其抗渗等级为W8。 四、采用防腐蚀混凝土

桥梁结构设计中的耐久性设计 王永超

桥梁结构设计中的耐久性设计王永超 发表时间:2018-04-02T16:23:41.447Z 来源:《基层建设》2017年第36期作者:王永超 [导读] 摘要:桥梁结构设计中耐久性问题一直以来是桥梁设计人员研究的重点问题,在桥梁设计过程中,采用哪种方式提升桥梁耐久性是非常重要的,结合作者实际,从桥梁安全性耐久性存在的问题以及提高桥梁结构耐久性设计的主要措施进行了分析,希望在分析过后能够给广大设计人员提供一些参考。 唐山市交通勘察设计院有限公司河北唐山 063000 摘要:桥梁结构设计中耐久性问题一直以来是桥梁设计人员研究的重点问题,在桥梁设计过程中,采用哪种方式提升桥梁耐久性是非常重要的,结合作者实际,从桥梁安全性耐久性存在的问题以及提高桥梁结构耐久性设计的主要措施进行了分析,希望在分析过后能够给广大设计人员提供一些参考。 关键词:桥梁;结构设计;耐久性 随着现代经济发展,桥梁建筑有了很大的发展空间,在施工过程中,使用建筑材料问题上,要重视混凝土以及桥梁结构的耐久性,两者在建筑过程中起到重要作用,减少施工问题发生的可能性。在设计前,要掌握各个结构的承载力、根据材料使用过程进行设计。在使用混凝土前,要对各个施工结构的承载力进行控制,根据基本原则进行设计。 1影响桥梁安全性与耐久性的因素分析 1.1环境影响不容忽视 现代建设桥梁过程中,其的施工过程以及施工环境问题与设计内容仍然存在着一定的距离,施工人员必须要重视环境影响问题。混凝土实际施工的抗拉强度只是设计抗拉强度的10%,早期水化热现象以及干缩现象都有较大变化,环境的温度以及湿度在加上日晒雨淋不断的冲击荷载力,导致混凝土的总体结构出现裂缝现象,出现裂缝后,遭到水分子以及氯离子进入到其中,使钢筋面层不断出现纯化现象,直至腐蚀,导致钢筋表面和混凝土之间的胶结力达不到化学标准,钢筋与混凝土在后期施工中无法顺利完成作业。混凝土结构的耐久性遭到破坏的主要原因是因为其构件的强度以及刚度都达不到标准。 1.2 施工和管理水平低 目前,大多数桥梁的安全性以及耐久性都达不到设计标准,其主要原因是因为在施工过程中,施工人员没能按照设计要求进行作业,在管理问题上也存在着很多问题。大部分桥梁的施工质量与规范要求以及设计要求存在着一定的差距,施工材料的强度以及施工技术都达不到规范标准,导致桥梁在短期使用中就出现破坏以及倒塌现象;另外,部分桥梁在施工过程中,管理人员没能做好管理工作,导致偷工减料现象发生,对桥梁的安全问题带来很大影响。 1.3设计理论和结构构造体系不够完善 设计过程中,在桥梁的施工过程以及使用过程的安全问题上设计不够全面。在设计桥梁结构时,应当根据合理的结构方案进行设计,做好整个桥梁结构的分析工作,设计出构件连接过程,并按照规范要求,掌握桥梁的安全系数以及指标,确保整个施工结构达到安全性。 在设计过程中,设计人员不能单只按照规范要求满足结构强度的安全度,应当根据结构的体系以及构造和使用材料、维护和耐久性等问题进行设计,总结出设计过程以及施工过程和使用过程出现的问题,在根据总结出的结果进行改进,加强桥梁稳定性的同时不断提升桥梁结构的安全性。 此外,在施工过程中,个别结构的整体性以及延性达不到标准,导致冗余性小;设计的计算图式与实际受力路线不相符,导致局部的受力超出设计标准;混凝土的强度以及保护层的厚度与钢筋直径和构件戴面都达不到设计要求;导致桥梁结构的耐久性达不到预算要求,无法确保桥梁结构的安全性。大部分桥梁结构达到设计规范要求强度的情况下,无法确保桥梁的耐久性,在使用时间上,达不到预算标准,导致结构的安全问题得不到保障。因此,在设计过程中,设计人员应当加强重视桥梁的结构以及使用的施工材料,提高桥梁结构的耐久性。 2桥梁结构耐久性设计 2.1要满足接混凝土耐久性指标 要想提高桥梁结构的耐久性,就要确保混凝土的耐久性能够达到标准。混凝土的耐久性是由混凝土材料决定的,材料中的水灰比例以及水泥的用量和强度等级与混凝土的耐久性有着密切联系。在设计时,应当围绕《桥规JTG1362》制定的标准进行设计,在施工过程中,根据不同的施工环境制定合理的施工方案,并要自觉遵守设计标准进行作业,控制好水灰比例以及水泥用量、了解强度等级以及大氯离子的含量与碱含量,提升混凝土的耐久性。 2.2 重视钢筋混凝土保护层设计厚度 钢筋的锈蚀程度是由混凝土的碳化决定的。一般情况下,混凝土的保护层一旦出现碳化,会直接影响到钢筋表层的钝化膜,导致钢筋出现锈蚀现象。在施工过程中,首先,要注重钢筋混凝土,应当根据标准增加其保护层的厚度,减少钢筋出现锈蚀的可能性,确保混凝土结构的耐久性。其次,相关管理部门制定钢筋混凝土保护层的厚度范围跟以往实际设计范围不同,两者之间存在着一定的距离。在设计过程中,根据现场实际施工情况增加混凝土保护层的厚度,确保混凝土结构的耐久性。 2.3 做好构造配筋设计,减少混凝土裂缝出现 混凝土一旦出现裂缝,桥梁整体结构会受到一定的损害,混凝土的结构在遇到日晒雨淋影响后容易出现裂缝现象,出现裂缝后,混凝土的渗透性有所提高,侵蚀速度不断提高,增加侵蚀力度,导致混凝土结构的耐久性达不到标准。因此,要想提升混凝土结构的耐久性就必须要预防混凝土出现裂缝现象,在施工过程中,必须要按照规范标准进行作业,并掌握实际施工情况围绕混凝土结构制定合理的施工方案,对混凝土施工过程做好监督工作,减少在使用中出来多数裂缝的可能性。 2.4提高后张法预应力钢筋管道压浆质量 根据了解《混凝土结构耐久性设计与施工指南》具体内容得知,在设计钢筋耐久性过程中,必须要重视预应力钢筋的锈蚀程度,在没有任何提示的情况下,其会直接影响到钢筋的整体结构,应根据实际情况制定合理的施工防护措施。对混凝土结构出现预应力氯盐侵蚀程度以及筋和锚具与连接器等钢材做好防护工作,可以运用环氧或锌对钢材进行涂抹,根据施工进度往密封性能方向制定合理的预应力体系,在施工过程中,不允许出现金属螺旋管,应当运用具有密封性能的塑料波形管进行作业,另外,在施工前,管理人员要对管道灌浆材

2021版桥梁结构安全性设计若干问题的思考

2021版桥梁结构安全性设计若 干问题的思考 Safety management is an important part of enterprise production management. The object is the state management and control of all people, objects and environments in production. ( 安全管理 ) 单位:______________________ 姓名:______________________ 日期:______________________ 编号:AQ-SN-0752

2021版桥梁结构安全性设计若干问题的思 考 笔者一直在从事桥梁施工阶段的监理工作,在施工监理过程中,发现影响桥梁使用安全性、耐久性方面存在着若干问题,原因涉及到设计、施工和监理等方方面面。本文仅从设计方面的若干问题进行分析,并提出一些对策措施。 一、具体细节的设计方面 设计人员没有结合桥梁所在地区的材料实际供应情况。在乡镇,优质的砂石子材料一般不多,如果设计高强度混凝土(如预应力空心梁混凝土设计为C50),将可能给施工造成很大困难。因此,在乡镇地区,桥梁混凝土抗压强度设计为C40为妥。而在市区,预应力空心梁混凝土抗压强度设计为C40或C50均可,因市区一般都有商品

混凝土基地,砂石材料供应质量有保障。 设计人员对乡镇地区洪水位了解不详,经常导致设计时桩基系梁位置较低,施工困难,造成系梁结构质量不易保证。监理单位应该协调设计单位,适当提高系梁标高。 构造设计存在漏洞。典型问题是伸缩缝处仅设普通橡胶支座。应改为橡胶活动支座,否则在汽车荷载作用下伸缩缝处易拉裂,普通橡胶支座变形,极大地影响结构安全和耐久性。监理人员应及时发现问题,建议业主要求设计单位进行支座变更。 桥面没有设计整体钢筋网,没有考虑汽车超载问题。超载现象在我国公路运输中较为普遍,汽车超载营运,会对桥梁结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响,因此除了交管部门要加强管理外,设计时也需要对超载带来的后果进行研究、分析。 伸缩缝处空心梁预埋数量不足,监理及施工单位必须事先做好复查工作。桩基主筋保护层与建筑制图不一致,施工及监理单位必须十分注意这一问题,否则桩基主盘保护层难以达到设计要求。 二、结构的耐久性设计问题

桥梁的耐久性问题(文献综述+开题报告)

嘉兴学院毕业论文(设计)文献综述 题目: 专业班级:学生姓名:学号 一、前言部分(说明写作目的,介绍有关概念、综述范围,扼要说明有关主题或争论焦点)桥梁的耐久性问题应该说此问题是近20年来逐渐被人们所重视。我国桥梁结构要略晚于建筑结构领域对此问题的研究。在世界范围内,对混凝土耐久性的重视始于上世纪70 年代末。清华大学陈肇元院士曾撰文指出:“建筑物的耐久性是建筑物及其构件在给定的期限内并在各种作用下维持其功能的能力,而建筑物及其构件的使用寿命则是在其建造完工或生产制成以后,仅在一般的维护条件下,其所有性能均能满足原定要求的期限。”英国学者也提出:“耐久性预测不可能是一门精确的科学,建筑物的预测寿命只能是个估计。”国内外专家近年来十分关注桥梁结构在设计基准期内,是否满足预定的功能要求作为桥梁可靠性评价的重要指标。如美国的北卡罗来那和明尼苏达等州,将桥梁剩余寿命作为评价桥梁的重要因素。研究成果表明,耐久性的研究和评价对桥梁结构寿命的延长和防止重大事故的发生将会产生巨大的经济效益和社会效益。总体说来,桥梁耐久性是对未来的预测。国际标准ISO2394:1998《结构可靠性总原则》中明确:“结构设计的目的是尽量减小结构或结构构件的失效概率,保证其可靠度……。结构与结构构件的耐久性是指其在工作寿命期内,在适当的维护条件下在其所处环境中保持正常工作的能力。”并提出要注意一些相关因素的影响,如结构预期用途、要求的性能、环境条件、材料性能、结构体系、构件形状、结构细部构造、工艺质量和控制水平、专门的防护措施以及在设计工作寿命期的维护等。

二、主题部分(阐明有关主题的历史背景、现状和发展方向,以及对这些问题的评述)技术方面 在技术方面,只是凭经验修桥,曾使19世纪80~90年代的许多铁路桥发生 重大事故;从这时起,正在发展中的结构力学理论得到了重视,而在它的静力分析理论完全确立并广泛普及之后,桥梁因强度不足而造成的事故明显大为减少。 二十世纪以来,公路交通有很大发展。在内陆,需要在更多的河流、峡谷之上建桥。在城市中,以及在各种交通线路相交处,需要建造立交桥。在沿海,既需在大船通航的河口、海湾、海峡修建特大跨度桥梁,又需在某些海岛与大陆之间修建长桥。 桥梁需要大量修建,而人力、物力、财力有限;于是,不断提高技术水平,引用新材料、新工艺、新桥式,对结构行为进行更精确的数值分析,采用更精确的结构试验进行验证,以使桥梁建设的经济效益不断提高,已成为时代的要求。 桥梁工程学主要研究桥渡设计,包括选择桥址,决定桥梁孔径,考虑通航和线路要求以确定桥面高程,考虑基底不受冲刷或冻胀以确定基础埋置深度,设计导流建筑物等;桥式方案设计;桥梁结构设计;桥梁施工;桥梁检定;桥梁试验;桥梁养护等方面。 材料方面 在建桥材料方面,以高强、轻质、低成本为选择的主要依据,近期仍以发展传统的钢材和混凝土为主,提高其强度和耐久性。对于建筑钢材的脆断机理、初始几何缺陷等,以及混凝土材料的非弹性问题(收缩徐变以及疲劳等),将继续作充分的研究,使能正确控制结构的受力和变形。至于碳纤维塑料等在桥梁上的广泛应用,还必须在降低成本以后才有可能。 设计方面 在桥梁勘察设计方面,随着交通事业的迅速发展,大跨度或复杂的桥型将不断涌现。高速公路的发展,对桥梁设计亦将提出新的要求。在桥式方案设计中,将有可能利用结构优化设计理论,借助电子计算机选出最佳方案。 在结构设计计算中,采用空间理论来分析桥梁整体受力已成为可能;以概率统计理论为基础的极限状态设计理论,将进一步反映在桥涵设计规范中,使桥梁设计的安全度得到科学合理的保证。桥梁美学作为时代、民族的文化在某些方面的反映,将愈来愈受到人们的重视:桥梁的面貌将蔚为大观。 施工方面 在桥梁施工方面,对施工组织将充分利用电子计算机进行经济有效的管理。在施工技术中,将不断引用新技术和高效率、高功能的机具设备,借以提高质量、缩短工期、降低造价。如采用激光测量控制结构的精确定位;引用自升式水上平台克服深水基础的困难;利用遥控

混凝土结构耐久性研究

混凝土结构耐久性 1.1 混凝土结构耐久性问题的重要性 钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,造价较低,且一直被认为是一种非常耐久性的结构形式,其应用范围非常广泛。 然而,从混凝土应用于建筑工程至今的150年间,大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效,达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的,有的是由于使用荷载的不利变化造成的,但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海及近海地区的混凝土结构,由于海洋环境对混凝土的腐蚀,尤其是钢筋的锈蚀而造成结构的早期损坏,丧失了结构的耐久性能,已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强,甚至造成停工停产的巨大经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。 国内外统计资料表明,由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的,并且耐久性问题越来越严重。结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性,即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元,那么就意味着:发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元;混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元;严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。 因此,钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题,通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究,一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测,以选择对其正确的处理方法;另一方面可对新建项目进行耐久性设计,揭示影响结构寿命的内部与外部因素,从而提高工程的设计水平和施工质量。因此,它既有服务于服役结构的现实意义,又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义,同时,对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。 正因为混凝土结构耐久性的问题如此重要,近年来世界各国均越来越重视混凝土结构的耐久性问题,众多的研究者对混凝土结构耐久性展开了研究,取得了系列研究成果,而材料层面的成果尤为显著。迄今为止,已经形成了混凝土结构耐久性研究框架,如图1-1所示。本章将着重介绍混凝土结构耐久性研究中成熟的相关研究成果。 图1-1 混凝土结构耐久性研究框架 ?????????????????????????????????????????????????耐久性评估耐久性设计结构层次构件承载力的变化粘结性能衰退模型混凝土锈胀开裂模型构件层次钢筋锈蚀碱-集料反应冻融破坏氯盐腐蚀混凝土碳化材料层次工业环境土壤环境海洋环境大气环境环境层次混凝土结构耐久性

桥梁设计存在的主要问题

桥梁设计存在的主要问题 桥梁设计存在的主要问题 现在,国内的结构设计过程中,有这样的倾向:设计中考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态而不重视使用极限状态,而结构在整个生命周期中最重要 。 的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等;也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题,更是对桥梁安全造成致命的损害。 而大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时,出现了影响正常使用的病害与劣化;特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题,这也与施工质量低下有重要关系,典型的问题有钢筋保护层不足及目前

广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题(主要原因包括:水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等)。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响,但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。 2)设计理论和结构构造体系不够完善 在承认施工存在问题的同时,也不可否认,在桥梁设计领域,特别是关于 和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此,合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外,还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。 需要改进和努力的方向

1)应该更加重视结构的耐久性问题 桥梁在建造和使用过程中,一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀,并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用,同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化,从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域,国内从上世纪80年代以来,修建了大量的斜拉桥;虽然迄今为止出现倒塌或 强调使结构易于检查、维修,以保证桥梁的安全使用、尽可能地减少维修费用,取得了较好的综合经济效益。实际上,国内外的研究和实践都表明,结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。 2)重视对疲劳损伤的研究 桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载,会在结构内产生循环变

桥梁结构设计中的耐久性设计

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/2d4585306.html, 桥梁结构设计中的耐久性设计 作者:张振华 来源:《科学与技术》2018年第13期 摘要:随着城市规模的不断扩大,城市布局错综复杂,为了是人们的出行更方便,城市中的桥梁建设越来越多,桥梁负荷越来越重,这就使得混凝土结构桥梁的耐久性大大降低。在目前的混凝土结构桥梁设计中还存在不少问题,这些严重影响了桥梁的使用寿命。因此,对混凝土结构桥梁耐久性设计进行研究,就显得十分有必要了。本文对桥梁结构设计中的耐久性设计进行了探讨。 关键词:桥梁结构设计;耐久性设计;措施 耐久性是桥梁工程结构设计的重要内容之一,其会受到设计问題和超载问题等因素影响。所以要保证桥梁工程结构设计整体质量,就应在优选结构设计材料的基础上,重视结构冗余设计和桥梁构造设计,确保可以增强其耐久性。 1桥梁结构耐久性的概念与重要作用 桥梁结构设计过程中必须考虑其结构耐久性,为了更有助于相关设计人员采用有效合理的设计方案来保证桥梁的耐久性要求,首先有必要对结构耐久性加以充分仔细的了解,完全掌握领会其含义要求,所谓结构耐久性,是指结构所具备的在有限的使用寿命和维护措施的前提下,针对外界荷载、环境变化以及材料等因素可能受到的各种力的作用,能够有效抵御恶劣影响的能力,而这种能力,无论对于提升桥梁的安全运行效率、经济营收效益,还是促进社会交通秩序发展、百姓日常出行的便利都具有着无比重要的作用,这不再是某个人或某个企业为追求经济利润所做出的工程业绩,而是国家的公共交通基础设施建设的巨大需要,所以其作用意义是深远的。 2影响桥梁耐久性的因素 2.1结构构造与设计体系存在缺陷 桥梁结构的耐久性设计是桥梁设计领域急需解决的一个重要问题。在实际操作过程中,桥梁工程设计人员很容易只重视桥梁结构强度,用结构强度满足工程安全性的需求,而忽视溺寸过程和施工过程中的人为错误,因为人为错误极易使结构耐久性降低。当桥梁工程计算标准不明确、设计标准较低、混凝土强度较低时,会给结构的耐久性带来一定的影响。与此同时,按照工程的使用条件和使用环境的不同,对体系的设计要求也有所不同。要保证桥梁结构具有较强的可靠性,设计过程中一定要严格依据设计规范进御蜀十,确保设计人员深刻了解桥梁结构的本性,仔细判断设计结构是否真正科学合理日。 2.2设计规范存有不足

桥梁设计中的安全性和耐久性(2021版)

( 安全管理 ) 单位:_________________________ 姓名:_________________________ 日期:_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 桥梁设计中的安全性和耐久性 (2021版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process

桥梁设计中的安全性和耐久性(2021版) 国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、安全、美观,这些要求基本上包含了人们关心的所有重要问题。 具体的设计过程按承载能力和正常使用两种极限状态来进行。前者是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力、设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值,必须小于或等于结构抗力的设计值。利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备,是一个半概率的极限状态设计法。可以认为是对安全性要求的保证。后者控制结构在正常使用状态时应力、裂缝和变形小于一定的限值,对应于适用性的要求。 暂且不论这些控制方程和计算理论是否完全合理,它们至少从定性和定量的形式上保证了安全性和适用性两项要求,而对于经济、美观的要求则没有具体的指标进行衡量。当然,在方案设计和评审

阶段会考虑到经济和美观的要求(中小桥梁主要关注经济性,而大型和特大型桥梁对美观问题越来越重视);但需要指出的是该阶段对经济性的评估往往是只注重考虑建设成本,而对于后期的养护、维修等的长期综合成本缺乏考虑,因此这种评估经常是比较片面的。一个典型的例子是斜拉桥的换索问题。由于目前技术水平的限制,斜拉桥拉索的平均使用寿命在20年到30年之间,也就是在其服役期期间至少要进行一次换索,如果考虑到后期换索的巨大投入,那么在跨度1000米以下的桥型竞争中,悬索桥与斜拉桥在经济性方面的差距将大大减小。 现在,国内的结构设计过程中,有这样的倾向:设计中考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态而不重视使用极限状态,而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现;重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上,目前的桥梁设计中,对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注,既没有明确提出使用年限的要求,也没有进行专门的耐久性设计(从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性,并明确声明在何种维护和使用条件下,

【混凝土】结构耐久性研究现状

混凝土结构耐久性研究现状 由于钢筋混凝土结构结合了钢筋抗拉与混凝土抗压的优点,表现出良好的受力性能,成为应用最普遍最广泛的结构形式,近年对水工结构、港工结构、桥梁结构、建筑结构的大量工程调查显示,钢筋混凝土结构表现出了严重的耐久性问题,许多既有钢筋混凝土结构工程往往达不到设计使用年限就需要进行加固修复,其中耐久性的降低是一大影响因素。钢筋混凝土结构耐久性问题的日益突出,引起了世界各国对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视。 耐久性是指在确定的环境和维修、使用条件下,构件在设计使用年限内保持适用性、安全性的能力。钢筋混凝土结构在其使用过程中经常会受到各种各样的腐蚀和损伤,降低了构件的耐久性和结构的可靠度,导致工程的实际使用寿命往往短于设计使用年限。 影响耐久性的因素,混凝土的碳化,钢筋锈蚀,混凝土的冻融,碱-骨料反应等。 我国在钢筋混凝土耐久性问题上尚缺少全国性的系统资料,但从一些调查资料和发表的有关文献来看,钢筋混凝土耐久性问题也是极其严重的。中国建筑科学研究院的调查表明,我国现役工业建筑物损坏严重,其结构的使用寿命一般不能保证50年,多数在25-30年左右就必须进行大修或加固。1994年铁路部门的统计表明,我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥2675座,其中的722座发生裂损;仅使用20年的北京西直门立交桥,由于长期在冬季使用化冰盐,部分梁柱锈蚀严重,现己拆除重建。从发达国家所取得的经验来看,钢筋混凝土耐久性问题造成的损失己是惊人的。美国标准局(NBS)1975年的调查表明,美国每年因腐蚀造成的各种损失为700多亿美元,蚀破坏的修复费,1998年度就需要2500亿美元。英国为解决海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀与防护问题和修复已损伤的钢筋混凝土结构,每年耗资将近200亿英镑,而日本引以为自豪的新干线,在运行10年后也出现大面积的混凝土开裂、剥蚀现象,日本运输省曾检查了其103座混凝土港口码头,发现使用20年以上的都有大量的顺筋裂缝,目前日本每年用于房屋结构维修的费用就达400亿日元。 混凝土结构耐久性降低首先起源于材料性能劣化,继而引起混凝土构件强度、刚度衰减,最后影响整个结构安全。由于客观条件,很多研究基于一般假设,如先钢筋锈蚀后加载试验,忽略荷载对混凝土力学性能劣化影响。在实际工程中绝大多数混凝土结构经受荷载和环境因素同时作用,混凝土在承受荷载时,混凝土本身力学性能退化;同时对钢筋保护作用降低,加速钢筋锈蚀,有效钢筋截面面积减小致使构件承载力降低,钢筋与混凝土黏结性能退化使得钢筋塑性不能充分发挥,降低结构延性。混凝土结构经受荷载和环境因素共同作用,荷载与环境等各因素产生的交互作用使得实际服役混凝土结构破坏过程复杂。研究荷载与环境综合作用下混凝土结构耐久性问题对实际工程更具有意义。 混凝土结构在荷载与一般大气环境综合作用下,荷载对混凝土碳化影响不容忽视,混凝土碳化与荷载大小(应力水平)和荷载形式(拉、压应力)等有关。当荷载应力抑制混凝土内部微裂缝发展时,混凝土碳化减缓; 而当荷载应力扩展混凝土内部微裂缝时,混凝土碳化加速。 荷载与特定大气环境( 如人工气候环境、盐雾大气环境、海洋大气环境等) 综合作用下构件耐久性研究成果甚少。张俊芝等试验研究了人工气候环境下承受荷载作用混凝土梁受压

桥梁结构设计问题

桥梁结构设计问题探讨 摘要:近年来,随着科学技术的发展,桥梁结构设计也得到了相应的发展,但是我国的桥梁设计理论和结构构造体系仍不够完善。本文通过桥梁结构设计中应注意事项,对桥梁结构设计的理论及设计问题进行探讨。 关键词:桥梁结构;设计问题;分析 abstract: in recent years, with the development of science and technology, the bridge structure design also got the corresponding development, but china’’s bridge design theory and structure system is still not perfect. this article through the bridge structure design should note, bridge structure design theory and design issues were discussed. keywords: bridge structure; design problems; analysis 中图分类号:u443文献标识码:a 文章编号: 一、桥梁结构设计现状 目前的桥梁设计中,对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注,既没有明确提出使用年限的要求,也没有进行专门的耐久性设计。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果,也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背,也不符合结构动态和综合经济性的要求。

桥梁上部结构施工安全措施(最新版)

Safety is the goal, prevention is the means, and achieving or realizing the goal of safety is the basic connotation of safety prevention. (安全管理) 单位:___________________ 姓名:___________________ 日期:___________________ 桥梁上部结构施工安全措施(最 新版)

桥梁上部结构施工安全措施(最新版)导语:做好准备和保护,以应付攻击或者避免受害,从而使被保护对象处于没有危险、不受侵害、不出现事故的安全状态。显而易见,安全是目的,防范是手段,通过防范的手段达到或实现安全的目的,就是安全防范的基本内涵。 一、工程概况 我部施工的桥梁共有6座,即xx大桥、xx中桥、xx立交主线桥、秀山互通A匝道桥和两座车行天桥。其中xx大桥和xx桥的梁为预制,其它桥梁的梁为现浇。本运梁、存梁、架梁安全措施适用于xx大桥和xx桥。 二、运梁、存梁、架梁具体方案 起梁、移梁、拖梁、存梁均采用卷扬机和滑轮组牵引,梁的架设安装采用拔杆吊装(又称“双钩吊鱼法”)方案。 三、安全保证措施 1、一般安全要求 ⑴、起梁、移梁、拖梁、存梁、架梁前应对施工人员进行安全教育和技术交底,作业人员必须严格按照公路桥涵施工规范进行操作,现场设置专职安全员进行全过程监督; ⑵、起梁、移梁、拖梁、存梁、架梁时应有统-的指挥信号,信号

应鲜明准确,操作人员听从指挥; ⑶、所有作业人员必须戴好安全帽,不允许穿不防滑的鞋子,高空作业人员必须系好安全带,携带好工具袋,安全带不得挂在主索、扣索、缆风绳等上面; ⑷、严禁无关人员进入作业区域,并设立明显禁区。架梁时地面操作人员不得在正在吊装的构件下停留或通过; ⑸、遇有六级以上大风,下雨、夜间无充分照明设备时,不得进行起梁、移梁、拖梁、存梁、架梁等作业; ⑹、在操作过程中,应随时防止钢丝绳与电焊线接触和接近电缆线,以免发生事故,平时注意滑车和钢丝绳的加油保养; ⑺、在高空作业时要平稳摆放工具,防止高空中物体下落伤人。 2、起梁、移梁、拖梁、存梁、架梁安全要求 ⑴、正式作业前应经吊载试运行后方可正式作业; ⑵、正式作业前应检查相关机具设备,检查吊具卡环的螺丝是否拧紧,检查各种设备、工具的性能完好程度,各种工具、绞车绳索不能有损伤。 ⑶、梁在移位或临时堆放时,其搁置的支承点应在支座中心线附近,而且其所在地面也应平整坚实;

西南交通大学研究生混凝土耐久性考试答案2

1试述耐久性极限状态标志及耐久性极限状态的可靠指标取值 答: 混凝土结构发生耐久性破坏可近似认为是当混凝土发开裂到一定程度时混凝土与钢筋之间的粘结力发生破坏从而不能满足受力要求,我国《混凝土结构耐久性设计规》中将混凝土结构构件的耐久性极限状态分为三种:钢筋开始发生锈蚀的极限状态,钢筋发生适量锈蚀的极限状态和混凝土表面发生轻微损伤的极限状态,然而这个破坏程度很难定量描述,同时可知,氯离子浓度是影响钢筋锈蚀的主要因素,所以可以通过对氯离子浓度的定量描述来反映混凝土结构的耐久性能。 在对氯离子侵蚀环境下的混凝土结构进行寿命预测时,保护层内部钢筋表面 的氯离子浓度达到使钢筋开始锈蚀的临界浓度时,即认为结构开始进入失效状态,所以可近似将钢筋表面氯离子浓度达到临界值作为耐久性极限状态的标志。 2.论述混凝土产生裂缝原因及防止方法 混凝土产生裂缝的主要原因可以分为内部材料原因和外部环境作用原因。 1)内部材料原因: 材料原因引起的裂缝各类包括有: 干缩裂缝、中性化伴随钢筋腐蚀产生裂缝、氧化物使钢筋腐蚀产生裂缝、碱集料反应产生裂缝、水泥水化热产生裂缝。 2)外部环境作用原因: 外部环境作用原因引起的裂缝各类包括有:冻融循环作用、干湿交替、盐结晶、施工原因引起的混凝土裂缝、养护条件不当引起的裂缝,结构设计不当引起的裂缝以及建筑物沉降不均引起的裂缝等。 防止措施: 1)合理选择混凝土原材料和配合比,例如骨料品种、水泥品种等。 2)在混凝土中掺加外加剂,提高混凝土的密实度,或配置成高性能混凝土。 3)控制混凝土的搅拌质量和加强混凝土的早期养护条件以及合理的混凝土保护层厚度。4)优化结构设计,加强施工质量。 3.为什么在有盐环境及有干湿交替时耐久性环境等级较差? 答:混凝土是一种多孔材料,内部结构比较复杂,孔洞、微裂缝的分布和形态等对微观特征对混凝土的硫酸盐侵蚀有很大影响,干湿循环对混凝土产生疲劳破坏,干燥状态下水份蒸发,混凝土毛细孔内的硫酸钠溶液浓度上升,溶液过饱和产生析晶,体积膨胀使毛细孔内壁产生微裂缝,降低混凝土试件的抗渗透性;另一方面毛细孔内盐溶液的浓度增大促进了化学反应的速度,侵蚀产物生长速度加快,侵蚀产物富集体积膨胀微裂缝开展,也进一步降低混凝土的抗渗透性。 1)在干湿交替的条件下,潮湿时侵入混凝土孔隙中的盐溶液当环境转为干燥后因过饱和而结晶,还会产生极大的结晶压力使混凝土破坏。 2)盐在混凝土内部孔隙中形成的盐溶液浓度不同,导致渗透压不同,从而在混凝土内部

公路桥梁耐久性设计研究

公路桥梁耐久性设计研究 为了有效解决桥梁耐久性方面存在的问题,选择公路交通中常用的混凝土桥梁为对象,通过现场调查和资料查阅确定病害发生的主要部位,分析了产生原因,并提出了耐久设计的主要内容和具体的应对措施,设计时材料和结构相结合不能仅仅从材料优化方面来考虑混凝土桥梁的耐久性。 标签:桥梁;耐久性设计;结构;混凝土 前言 桥梁作为道路跨越天然或人工障碍物的建筑物,在交通连接中发挥着重要的作用。然而,由于所处环境的特殊性及受力的复杂性,大多数桥梁并没有达到预期的效果,在寿命周期内出现大量的病害类型,导致强度降低、寿命缩短、经济损失严重。上述问题的出现,除了与设计、施工、环境因素及车辆荷载等因素有关外,更主要的是由于结构的耐久性不足引起的。随着我国西部大开发战略的不断推进,交通基础设施建设将迎来全面发展的时期,由于西部地区地理、地质等条件的限制,桥梁在道路中比重会有所提高,因此加强对桥梁结构耐久性方面的研究就显得十分必要和更有意义。 1 公路桥梁耐久性 资料显示,世界上大多数国家和地区采用的桥梁结构,混凝土桥占有很大的比重,其中欧洲混凝土桥梁的比例为70%,美国混凝土桥梁比重为52%,我国的混凝土桥梁占80%以上,结合国内外实际,以下仅以混凝土桥梁为例来说明桥梁的耐久性设计。通过对某地现役混凝土桥梁调查发现,混凝土桥梁以下部位容易产生病害现象,制定措施时要根据部位特点采取合理的方法,混凝土桥梁的上部主体结构和桥面系为病害发生的主要部位,基础和附属结构发生病害的概率并不是很高,只占到26.0%,但也应引起足够的重视。 对于混凝土桥梁而言,影响结构耐久性的主要问题有:冻融循环、钢筋锈蚀、碱集料反应、结构构造、施工周期及结构维护等,这些问题涉及桥梁结构的设计、施工、养护、管理及使用等方面。 2 桥梁耐久性设计 查阅文献发现,目前关于桥梁结构耐久性的研究大多是从材料方面来考虑,而对结构设计改善混凝土桥梁耐久性的研究比较少。在桥梁设计阶段,设计者往往只重视结构强度是否满足规范要求,很少从结构方面来考虑桥梁的耐久性,结果导致桥梁在服役期内出现大量的病害,这也再次印证材料和结构设计的重要性,仅仅从材料角度来改善桥梁的耐久性是行不通,需重视混凝土桥梁的结构设计。

桥梁结构的安全度和耐久性

桥梁结构的安全度和耐久性问题 摘要近年来桥梁结构的安全度和耐久性问题日益被人们所重视。本文论述了桥梁结构安全度和耐久性的内涵,综述了国内外桥梁结构安全度和耐久性问题应关注的有关问题及研究趋势,提出了相关对策措施。以期引起人们对此问题的高度重视,促进我国桥梁建设事业的发展。 1 引言 国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、安全、美观,这些要求基本上包含了人们关心的所有重要问题。 具体的设计过程按承载能力和正常使用两种极限状态来进行。前者是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力、设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值,必须小于或等于结构抗力的设计值。利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备,是一个半概率的极限状态设计法。可以认为是对安全性要求的保证。后者控制结构在正常使用状态时应力、裂缝和变形小于一定的限值,对应于适用性的要求。 暂且不论这些控制方程和计算理论是否完全合理,它们至少从定性和定量的形式上保证了安全性和适用性两项要求,而对于经济、美观的要求则没有具体的指标进行衡量。当然,在方案设计和评审阶段会考虑到经济和美观的要求(中小桥梁主要关注经济性,而大型和特大型桥梁对美观问题越来越重视);但需要指出的是该阶段对经济性的评估往往是只注重考虑建设成本,而对于后期的养护、维修等的长期综合成本缺乏考虑,因此这种评估经常是比较片面的。一个典型的例子是斜拉桥的换索问题。由于目前技术水平的限制,斜拉桥拉索的平均使用寿命在20年到30年之间,也就是在其服役期期间至少要进行一次换索,如果考

虑到后期换索的巨大投入,那么在跨度1000米以下的桥型竞争中,悬索桥与斜拉桥在经济性方面的差距将大大减小。 现在,国内的结构设计过程中,有这样的倾向:设计中考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态而不重视使用极限状态,而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现;重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上,目前的桥梁设计中,对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注,既没有明确提出使用年限的要求,也没有进行专门的耐久性设计(从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性,并明确声明在何种维护和使用条件下,桥梁具有哪种程度的耐久性)。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果;也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背;也不符合结构动态和综合经济性(考虑结构建设、使用、维护等整个周期的费用)的要求。 人类进入二十一世纪后,世界各地纷纷建造大规模的桥梁(特别是大跨径桥梁和立交桥梁),随着我国现代化进程的加快,桥梁建设进入新的发展阶段。桥梁做为建桥所在地城市景观的重要组成部分,依其工程寿命将存在相当长的时间。因此桥梁结构的安全度和耐久性问题已引起人们的高度重视。近年来国内外发生不少桥梁倒塌事故,很多是属于非正常设计和非正常施工造成的,其中包含着工程建设出现的腐败现象(如重庆綦江虹桥倒塌事故),亟需加强法治,严格执行基建程序,确保工程质量。国外专家曾说过:“规范的超载系数,绝不可能达到足以防备设计可能的大错误,但是许许多多的中小错误都可以用规范的超载系数来防备。”“规范是分析、设计和偏于安全的思路的结合。”桥梁结构的安全度与耐久性是一对孪生兄弟,需慎重研究,统筹考虑。近些年我们面临的情况是:

桥梁结构涉及的安全性问题

桥梁结构涉及的安全性问题 笔者一直在从事桥梁施工的安全工作,在施工过程中,发现影响桥梁使用安全性、耐久性方面存在着若干问题,原因涉及到设计、施工和监理等方方面面。本文仅从设计方面的若干问题进行分析,并提出一些对策措施。 一、具体细节的设计方面 设计人员没有结合桥梁所在地区的材料实际供应情况。在乡镇,优质的砂石子材料一般不多,如果设计高强度混凝土(如预应力空心梁混凝土设计为C50),将可能给施工造成很大困难。因此,在乡镇地区,桥梁混凝土抗压强度设计为C40为妥。而在市区,预应力空心梁混凝土抗压强度设计为C40或C50均可,因市区一般都有商品混凝土基地,砂石材料供应质量有保障。 设计人员对乡镇地区洪水位了解不详,经常导致设计时桩基系梁位置较低,施工困难,造成系梁结构质量不易保证。监理单位应该协调设计单位,适当提高系梁标高。 构造设计存在漏洞。典型问题是伸缩缝处仅设普通橡胶支座。应改为橡胶活动支座,否则在汽车荷载作用下伸缩缝处易拉裂,普通橡胶支座变形,极大地影响结构安全和耐久性。监理人员应及时发现问题,建议业主要求设计单位进行支座变更。 桥面没有设计整体钢筋网,没有考虑汽车超载问题。超载现象在我国公路运输中较为普遍,汽车超载营运,会对桥梁结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响,因此除了交管部门要加强管理外,设计时也需要对超载带来的后果进行研究、分析。 伸缩缝处空心梁预埋数量不足,监理及施工单位必须事先做好复查工作。桩基主筋保护层与建筑制图不一致,施工及监理单位必须十分注意这一问题,否则桩基主盘保护层难以达到设计要求。 二、结构的耐久性设计问题 桥梁在建造和使用过程中,一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀,并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用,同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化,从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。 在大跨度桥梁领域,国内从上世纪80年代以来,建造了大量的斜拉桥。虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少,但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索,既影响了使用,又带来了经济损失。 需要指出的是,很多这类问题与没有进行合理的耐久安全性设计有关,这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。大量的病害实例也证明,除了施工和材料方面的原因,影响结构耐久性的根本因素是来自构造设计上的缺陷。 国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久安全性的研究,也取得了不少成果。而这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的,对如何从结构和设计的角度来改善桥梁耐久安全性却很少有人研究。而且,长期以来,人们一直偏重于结构计算方法的研究,却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。因此,需要努力将耐久安全性的研究从定性分析向定量分析发展。

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