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混凝土桥梁下部结构病害分析与加固发布时间：2022-08-30T03:25:10.613Z 来源：《工程建设标准化》2022年第37卷第8期作者：杨芬[导读] 下部结构是混凝土桥梁的重要组成结构，决定了桥梁的整体稳定性及传荷能力。
杨芬(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉430051)摘要：下部结构是混凝土桥梁的重要组成结构，决定了桥梁的整体稳定性及传荷能力。
根据下部结构的常见形式对病害类型及产生机理进行分析。
以武汉某桥梁为研究对象，通过对该桥梁进行定期检查，确定桥梁下部结构存在病害类型及部位，对该桥梁技术状况进行评分计算为66分，属于3类桥梁，需要对下部结构进行加固处置。
采用粘贴钢板法以及套箍加固法对下部结构进行加固，提高了桥梁下部结构的耐久性。
关键词：混凝土桥梁，下部结构，病害分析，加固措施1 引言随着我国公路工程建设的不断发展，我国已经建成的公路桥梁总数超过35万座[1]。
虽然公路桥梁建设的速度快、数量多，但是由于桥梁建设较早有些桥梁已经出现了一些病害，影响了桥梁的整体性及耐久性[2]。
下部结构是桥梁主要的承重结构，包括桥墩、桥台以及基础组成，下部结构材料多为钢筋混凝土材料，在车辆活载和桥跨恒载的共同作用下，导致桥梁结构在使用过程中出现大量病害，严重降低耐久性[3]。
由于桥梁结构组成复杂，下部结构病害产生的原因较多，且产生机理复杂，因此需要对桥梁下部结构病害产生机理及加固方式进行研究[4]。
本文以武汉某桥梁为例，根据桥梁下部结构的组成及分类，研究下部结构病害存在的类型及部位，确定下部结构病害产生的机理。
通过对该桥下部结构进行定期检查，确定该桥梁的病害类型及数量，根据调查结果对该桥梁下部结构进行技术状况评定，依据评定结果，针对相应病害提出该桥梁下部结构加固措施。
2 混凝土桥梁下部结构病害及产生机理混凝土桥梁下部结构病害的产生主要包括两方面原因。
一方面是内因，主要由于混凝土桥梁在勘察设计以及施工方面存在问题导致桥梁下部结构提前出现病害，需要进行加固处理。
一、桥涵水文基础知识跨水域桥梁，满足洪水宣泄要求。
桥梁基本尺寸，包括桥孔长度、桥面标高、基础埋深等的确定，必须考虑设计使用年限内可能发生的最大洪水，包括其流量、流速及水位等因素。
1大、中桥设计流量推算设计流量的推算，要按《公路工程水文勘测设计规范》的要求，根据所掌握的资料情况，选择适当的计算方法。
对于大、中河流，具有足够的实测流量资料时，主要采用水文统计法。
而缺乏实测流量资料时，则多采用间接方法或经验公式计算。
计算时要注意水文断面与桥位的关系，正确推算桥位处的设计流量和设计水位。
2小桥涵设计流量推算桥涵一般都缺乏观测资料。
因此相关部门制定了各种小流域流量计算公式和相应的图表作参考，设计时，应以多种计算方法予以比较。
常用的方法：形态调查法、暴雨推理法和直接类比法。
暴雨推理公式是直接根据设计规定频率P推求出对应的洪峰流量Qp，此方法计算出的Qp即是拟建小桥涵处设计流量。
形态调查法和直接类比法仅推出了形态断面处或原有小桥涵位处的流量Q‘p故须向拟建小桥涵位处折算成设计洪峰流量Qp。
在条件许可情况下，宜用几种方法计算互相核对比较，并通过加强调查研究、积累资料、进行科学实验，找出适合本地区的计算方法，结合实际情况确定计算公式和有关的参数。
3桥位选择的一般规定（1）调查和勘测。
对复杂的大桥、特大桥应进行物探和钻探；考虑现状，征求有关部门的意见，经全面分析认证，确定推荐方案。
（2）在整体布局上与铁路、水力、航运、城建等方面规划互相协调配合；保护文物、环境和军事设施等；照顾群众利益，少占良田，少拆迁。
（3）高速公路、一级公路的特大、大、中桥桥位线形应符合路线布设要求。
原则上应服从路线走向；桥、路综合考虑；注意位于弯、坡、斜处的桥梁设计和施工的难度。
（4）对水文、工程地质和技术复杂的特大桥位、应在已定路线大方向的前提下、根据河流的形态特征、水文、工程地质、通航要求和施工条件以及地方工农业发展规划等，在较大范围内作全面的技术、经济比较确定。
桥梁下部结构选型与设计作者：吴鹏飞来源：《山东工业技术》2015年第10期摘要：桥梁下部结构是桥梁整体的重要组成部分，因此，下部结构的选型与设计直接关系到整个桥梁工程的造价、周期和质量。
为了充分保障通行车辆人员的安全，需要选择合理的下部结构形式，并在设计上下功夫。
关键词：桥梁；下部结构；选型；设计0 前言随着经济建设力度的加大，桥梁建设规模也越来越大，并在交通运输中发挥重要的作用，在整个桥梁工程中，下部结构起着重要的支撑作用，因此，其结构选型与设计到位与否，直接关系到桥梁的稳定性和正常使用。
本文将简单叙述几种常见的桥梁下部结构，并在此基础上其选型与设计重点。
1 桥梁下部结构选型桥梁下部结构指上部结构与地基之间的连接部分，负责传递由上至下的负荷，在下部结构选型与设计过程中，首先需要考虑的问题就是地质结构、水文流速、河床性质等因素对下部结构的影响，桥梁下部结构选型的主要依据即是上述影响因素。
1.1 桥台桥台结构形式分为轻型桥台、埋置式桥台、钢筋混凝土薄壁桥台三种。
轻型桥台台身为直立的薄壁墙，两侧有挡墙，其最大的特点是体积小，比较适合小跨径桥梁，可与轻型桥墩搭配使用，常见的稳定方法是在桥台下部设置钢筋混凝土支撑梁，利用锚栓连接上部结构与桥台，形成一个四铰框架系统。
埋置式桥台主体所承受的土压最小，台身由混凝土和片石组成，适用于路基填土高度大于5m的桥梁，可以将台身埋进锥形护坡内来增强稳定性[1]。
钢筋混凝土薄壁桥台构造最为复杂，施工难度也最大，钢筋用量较多，适用于填土较低或河床较窄的软底地基，一般通过在竖直小墙和扶壁之间设置台顶，并将其作为桥梁支撑结构。
1.2 桥墩桥墩结构形式分为轻型桥墩和重力式桥墩两种，轻型桥墩又可分为构架式桥墩、空心桥墩、桩柱式桥墩、薄壁式桥墩四种，这四种轻型桥墩的最大特点是基础工作量小，施工进度较快，但是适用的桥梁类型不同。
构架式桥墩对地基的要求较小，适合的范围也较宽，空心桥墩表面与重力桥墩类似，是一种中空的桥墩种类，主要适用于高桥梁建设，桩柱式桥墩为就地灌注混凝土而成，施工难度较小，薄壁式桥墩借助桥跨结构来连接刚性桥墩与柔性桥墩，并以此形成一种相对静定的结构，此时的刚性桥墩能够承受大部分的水平力，并改善柔性桥墩的受力。
桥梁下部结构设计0 前言随着经济不断发展，桥梁建设得到了飞速发展，它已从最开始的方便人们过河、跨海之用，已广泛应用于各种场合，它的用途不断多样化，它的形式也在最基本的三种受力体系上逐渐多样化，不仅从功能上、规模上，还从美观上、经济效益上，逐渐与时代发展相协调。
所以桥梁建筑已不仅是交通线上的重要载体，也是一道美丽的风景被人津津乐道。
面对着新工艺、新挑战，原有的桥梁建设正面对历史的考验，当代建设者肩负着光荣而又艰巨的任务，为明天创造历史。
本设计说明书所编写的是沈阳至阜新公路桥的下部设计方案。
通过上部荷载传力，拟定桥墩尺寸，以确定相应的尺寸是否满足要求，配置以合适的钢筋，使提高桥墩的承载力，使达到桥梁的耐久性要求。
在桥梁的使用期内，完成桥梁墩台的使命。
通过本次设计，我基本上掌握了桥梁下部设计的基本内容，从选截面尺寸，到配置钢筋，每一个细节都是经过多次考虑，通过反复验算，使桥梁墩台满足要求，且以经济合理的材料用量完成。
所以下部设计是要求桥梁设计者，从上部得到内力组合后，设计以适应下部使用的尺寸结构进行验算。
本次设计旨在使我巩固、加深本科期间所学理论知识，使自己具备在以后工作中利用知识解决问题的的能力。
1 桥型方案比选沈阳至阜新公路桥，桥孔布置为5×35m的预应力混凝土箱型简支梁桥，桥梁全长175m。
本桥上部为预应力混凝土箱型梁，下部结构为钻孔灌注桩墩台。
1.1 技术设计标准1．桥面净宽：4×3.75m+0.5m=15.5m；2．荷载等级：公路-Ⅰ级荷载；3．设计洪水频率：1/100；4．环境类别：Ⅱ类环境；5．设计安全等级：二级，结构重要性系数01.0γ=。
1.2 主要设计依据1．《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)2．《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）3．《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）4．《公路桥涵设计手册-墩台与基础》5．沈阳至阜新公路桥设计资料1.3 工程地质资料根据地质勘察，揭露的地层岩性主要为素黏土、砾石、亚砂土、粉砂、泥岩。
目录第一局部工程概况及根本设计资料1 1.1 工程概况11.2 技术标准与设计规11.3 根本计算资料1第二局部上部构造设计依据3 2.1 概况及根本数据32.1.1 技术标准与设计规32.1.2 技术指标32.1.3 设计要点42.2 T梁构造尺寸及预应力配筋42.2.1 T梁横断面42.2.2 T梁预应力束52.2.3 罗望线T梁构造配筋与部颁图比拟52.3 构造分析计算52.3.1 活载横向分布系数与汽车冲击系数52.3.2 预应力筋计算参数52.3.3 温度效应及支座沉降62.3.4 有限元软件建立模型计算分析6第三局部桥梁墩柱设计及计算73.1 计算模型的拟定73.2 桥墩计算分析73.2.1 纵向水平力的计算73.2.2 竖直力的计算83.2.3 纵、横向风力93.2.4 桥墩计算偏心距的增大系数 103.2.5 墩柱正截面抗压承载力计算113.2.6 裂缝宽度验算123.3 20米T梁墩柱计算123.3.1 计算模型的选取123.3.2 15米墩高计算133.3.3 30米墩高计算173.4 30米T梁墩柱计算223.4.1 计算模型的选取223.4.2 15米墩高计算223.4.3 30米墩高计算273.4.4 40米墩高计算313.5 40米T梁墩柱计算353.5.1 计算模型的选取353.5.2 15米墩高计算363.5.3 30米墩高计算40第四局部桥梁抗震设计464.1 主要计算参数取值464.2 计算分析464.2.1 抗震计算模型464.2.2 动力特性特征值计算结果47 4.2.3 E1地震作用验算结果49 4.2.4 E2地震作用验算结果49 4.2.5 延性构造细节设计504.3 抗震构造措施53第一局部工程概况及根本设计资料1.1 工程概况省余庆至安龙高速公路罗甸至望谟段，主线全长77.4公里，工程地形起伏大，山高坡陡，地质、水文条件复杂，桥梁工程规模大，高墩大跨径桥梁较多，通过综合比选，考虑技术、经济、构造耐久、施工方便、维修便利及施工标准化等因素。
4. 下部结构设计计算4.1基本概况4.1.1设计资料盖梁采用C40混凝土；墩柱采用C30混凝土，基桩、承台、台身采用C25混凝土钢筋：主筋采用HRB400钢筋其余的采用R235钢筋抗拉强度标准值f=400MPask=330MPa抗拉强度设计值fsd=2.0×105MPa弹性模量Es=20.1MPaC30混凝土抗压强度标准值fck=13.8MPa抗压强度设计值fcd抗拉强度标准值f=2.01MPatk=1.39MPa抗拉强度设计值ftd=3×104MPa弹性模量Ec4.1.2盖梁，墩柱尺寸墩柱尺寸见图4－1图2-1 桥墩尺寸 (尺寸:)4.2盖梁的计算4.2.1荷载计算4.2.1.1上部构造恒载表4-1 上部结构恒载表4.2.1.2 盖梁自重及内力计算见表4－2尺寸见图4－2图4-2 盖梁截面表4－2 盖梁自重及内力计算表12345q q q q q 230++++=4.2.1.3 活载计算活载横向分布系数计算单列车时，对称布置，采用杠杆法(见图4－3)()1625340010.050.950.52h h h h h h ======?=号梁号梁图4-3 单，双列车对称布置.2045.7955.8181.3864号梁.9505.175.825.725双列车，对称布置，采用杠杆原理法（见图4－3）()16253010.7250.0.3625210.2750.8250.1750.63752h h h h h ====?=?+=单列车，非对称布置，采用刚性横梁法（见图4－4）2123456n 6,e 4.35,a 701 4.3550.47746701 4.3530.35316701 4.3510.22886700.10460.01910.1440h h h h h h ===´=-=´=-=´=-==-=-=-å双列车，非对称布置，采用刚性横梁法（见图4－4）2123456n 6,e 2.8,a 701 2.850.36676701 2.830.28676701 2.810.20676700.12670.04670.0333h h h h h h ===´=-=´=-=´=-====å图4-4 单，双列车非对称布置4.2.1.4 求支座活载反力车辆荷载：考虑到支点外布置荷载，并以车轮顺桥向着地宽度边缘为限，布载长度l 为：39.5l m = 单孔荷载单列车时 B 316.6439.5210.52731.39kN =+创?二列车时 2B 731.3921462.78kN ??双孔荷载单列车时 B 39.510.5316.64524.02kN =?= 二列车时 2B 1048.03kN ?4.2.1.5 活载横向支点反力（公式为i i R B h =）活载横向分布后各点支点反力（公式为i i R B h =）见表4－3表4－3 活载横向分布后各点支点反力表4.2.1.6各梁恒载、活载反力组合见表4－4其中均取用各梁的最大值计算见表，表中均取用各梁的最大值，其中冲击系数为1+µ=1.146表4－4 各梁永久荷载，可变荷载基本组合计算表4.2.1.7 双柱反力G的计算表4－5 双柱反力G计算表由表可知，偏在右边的立柱反力最大，并由组合⑧1+3+4组合控制设计，此时1G 4487.93k N= 4.2.2 内力计算恒载加活载作用下的内力⑴．弯矩计算（见图4－6）为求最大弯矩值，支点负弯矩取用非对称布置时的数值，跨中弯矩取用对称布置的数值。
弯矩计算式为1122133144110,0.5,1.3,20.7M M R M R M R G ----==-?=-?=-??551231531 3.7M R R R G -=-????图4-6 双柱反力计算其计算结果见表4－6表4－6 弯矩计算值表⑵.剪力计算 其计算式为：截面1-1 1Q 0Q R ==-左右， 截面2-2 1Q Q R ==-左右 截面3-3 111Q R Q G R =-=-左右， 截面4-4 11112Q G R Q G R R =-=--左右，截面5-5 1121123Q G R R Q G R R R 左右，=--=---计算结果见表4－7表4－7 剪力计算值⑶..盖梁内力汇总见表表4－8 盖梁内力表4.2.3、截面配筋设计与承载力校核采用40C 号混凝土，主筋采用40022HRB F ，保护层用50mm （钢筋中心至混凝土边缘）。
18.4,330,cd sd f MPa f MPa == 4.2.3.1 弯矩作用时配筋设计和承载力复核各截面所需纵向钢筋量，见表4－9表4－9 纵向钢筋量表00(/2)d cd sd S cd cd S sdM f bx h x f A f bx f bx A f g ?==以下取5-5截面做配筋设计,其他截面雷同,不做详细计算已知:bh=1600×1100mm,M d =5602.48KN.m,取0g =1.0, 0h =1100-50=1050mm,所以:62525602.481018.41600105022100 3.806100200.3518.41600200.3517873.65330sd sa x x x x x mmf bx As mm f ⨯骣÷ç矗创?÷ç÷ç桫-+==创===以用22Φ钢筋,其根数117873.6547.02380.1s s A n A ===,实际选用50根, 配筋率 3.80150100%1.13%160105⨯r =?´该截面实际承载力Mu 为:0200.35(/2)330380.150104025957.5602.48.sd S Mu f A h x KN m KN m骣÷ç=-=创?÷ç÷ç桫=>就正截面承载能力与配筋而言,配筋设计满足”公预规”要求,其他截面的配筋设计算如表4-94.2.3.3剪力作用时配筋设计和承载力复核：按《公预规》5.2.10条要求，当截面符合：30200.510d td V f bh g a -４可不进行斜截面抗剪承载力计算，仅需按各截面主拉应力计算，在盖梁悬臂部分变高度区间主拉应力的计算式为《公预规》9.3.13条构造要求配置箍筋。
式中：α2－预应力提高系数，取td f ＝1.74 对于①-①截面：33200.5100.510 1.0 1.7416007501044td f bh a --?创创?对于②-②截面—⑤－⑤截面：33200.5100.510 1.0 1.7416010501461.6td f bh a --?创创?按《公预规》5.2.10条要求，当截面符合：000.51100.5110160010505418.88d V g --４=创?对照表4－8可按构造要求设置斜筋与箍筋，见施工图。
4.3.1荷载计算 4.3.1.1 荷载计算⑴、上部结构恒载，一孔重5623.17kN ⑵、盖梁自重(半根梁盖)230kN ⑶、横系梁重10.7625105kN 创?⑷、墩柱自重23.140.77.925304.03kN 创?恒载垂直力15623.17304.033115.622N KN =⨯+=恒 4.3.1.2 活载布置及行驶情况汽车荷载：单孔荷载：1212B 0,B 524.02kN,B B 524.02kN ==+=T =524.02´2´0.1=104.81KN>90KN双孔荷载：：12B 207.37kN,B 524.02kN ==12B B 731.39+=kN相应制动力: T 146.28kN 90kN =>kN,故取146.28 kN.0图4-7 顺桥向汽车荷载移动情况4.3.1.3.双柱反力横向分布的计算汽车荷载单列车时：124.35 3.71.088,11.0880.0881.4h h +===-=- 双列车时：122.883.70.878,10.8780.1227.4h h +===-=4.1.3.4 荷载组合⑴ 最大最小垂直反力时，计算见表4-11表4-11 可变荷载组合垂直反力计算表（双孔）注：冲击系数为1.146双列车单列车图4-9 双柱反力横向分布⑵、最大弯矩时计算见表4-12表4-12 可变荷载组合最大弯矩计算（单孔）4.3.2截面配筋计算及承载力验算 4.3.2.1、作用与墩柱顶的外力⑴、垂直力最大垂直力：max N 2926.591471.834398.42kN =+= 最小垂直力: min N 2926.591054.523981.11kN +== ⑵ 水平力：H=52.4kN⑶ 弯矩：max M 263.6359.74323.37kN.m +==4.3.2.2,作用与墩柱底的外力max min max N 4398.42304.034702.45kN N 3981.11304.034285.14kN M 323.3752.47.9737.33kNm+++⨯======4.3.2.3截面配筋计算与承载力校核采用C30混凝土，主筋采用HRB335，净保护层用4cm （钢筋外缘至混凝土边缘）。
⑴ 配筋计算已知墩柱用30号混凝土，[]c 18400kpa s =，选用16根直径为16的HRB335钢筋[]c 280000kpa s =，2g A 201.1163217.6mm ⨯==，由于l/d 27.5/1.4 5.367=?<，不计偏心弯矩的增大系数，即1.00h j == 1).双孔荷载，按最大垂直反力时，墩柱顶按轴心受压构件验算，根据《公预规》5.3.1条：06200.90.91010d cd cd S cd cd S d N f f f f N φ（A+`A `）φ（A+`A `）＝0.91（11.5 1.539+28024.13）＝16536.73〉＝5170.38g g £创创创 满足规范要求2)单孔荷载，最大弯矩时，墩柱按小偏心受压构件验算：d N 4746.18kN =；d 256.39kN.m M =0max min de M /N 256.39/4746.180.0540m 0.1167m 6===<= l/d 27.5/1.4 5.367=?<故η＝1.0，η0e ＝54mm根据《公预规》5.3.9条偏心受压构件承载力计算应符合下列规定：220330030220`e ``e `0.88,`11.50.764e 11.50.868d cd sd d cdsdcd sdcd sd cd sd N Ar f C r f N Br f D r f Bf D r f rAr f C r f g f f B DrA Cρρg ρg ρ设＝，代入,ρ后，经整理得：g g ??+=++=+按《公预规》提供的附录C 表C.0.2“圆形截面钢筋混凝土偏压构件正截面抗压承载力计算系数”表，经试算查的各系数A,B,C,D 为：设ξ＝0.86，A=2.3047,B=0.5304,C=1.8766,D=0.9639,代入后：011.50.76411.50.53040.7640.9639e 0.2411.50.86811.5 2.30470.868 1.8786B D r AC +??=+??＝＝（m ）2220`11.5 1.87660.24700cd sd d Ar f C r f N ρ＝（2.3407）＝26600KN>＝5170.38g +?创33340'(0.530411.50.96390.88280)7008.3610(.)cd sd d Br f D r f KN m N ρg ＝5170.38g +=?创?=?墩柱承载力满足规范要求。
