常规桥梁耐久性设计施工关键技术探讨研究

发布时间:2024-06-18 09:26:47   来源:火狐体育官网首页

  “常规桥梁耐久性设计施工关键技术研究” 通过厅验收。该技术依托多项工程,采用现场调查、统计归纳、对比分析等方法揭示了常规桥梁上部、下部、附属设施病害的类型及产生原因;提出了预制标准梁体等细节构造设计,防漏、防水、排水三位一体的水环境管理措施,支座精确安装等施工控制技术,提升了常规桥梁的耐久性;建立了使用状态与设计状态一致的常维修部位决策机制,形成了系统的耐久性管养制度;编制了常规桥梁耐久性设计施工关键技术指南。

  结构耐久性是指结构在设计的基本要求的常规使用的寿命周期内、常规的维护条件下,材料和结构对所有设计效应(包括设计荷载效应和环境效应等)的承载能力,并且结构的适应性不发生明显改变。

  从20世纪70年代开始,桥梁的耐久性开始受到普遍关注。西方发达国家通常在设计和施工等环节注重提高每一个构件自身的耐腐的能力,注重改善构造细节,提高构件连接处的抗侵蚀的能力,重视检查和维修,同时全寿命成本最低的设计理念指导之下,运用风险分析等方法,对项目的立项、设计、建设、运营及维修进行科学的管理。从我国工程实践反馈的信息,我国桥梁耐久性的情况十分严峻,桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了沉重的负担。因此,提高桥梁的耐久性是迫在眉睫的任务,不但可以降低桥梁全寿命周期成本,促进资金的合理使用,而且也能为使用者提供优质服务,产生良好的社会效益。

  提高桥梁结构的耐久性是实现桥梁不断技术进步的重要方法之一。本项目立足全寿命周期的思想,以实现全寿命周期成本最小为目标,以占桥梁总数约70%的常规桥梁为研究对象,重点从材料使用、构造细节优化、施工工艺改善、桥梁检验测试维修等方面入手,提高桥梁耐久性,提升桥梁品质。在实际运用领域,针对我省应用限制范围最广的常规钢筋混凝土和预应力混凝土梁桥设计和施工中耐久性的薄弱环节,依托广元—南充高速公路的常规桥梁,采用现场调查、试验研究和理论分析等办法来进行研究,不仅使桥梁每一个构件具有非常好的耐久性,且桥梁具有可接近性、可检性、可换性、可修性、可控性、可强性和可持续性,从设计、施工、管养等环节系统地提高桥梁的耐久性。

  本项目研究分为4个子课题:①常规桥梁耐久性缺陷调查研究;②常规桥梁结构的耐久性设计细节研究,提升桥梁耐久性的施工改进技术与质量操控方法研究;③桥梁养护技术探讨研究;④常规桥梁耐久性技术指南。

  我国桥梁常见的耐久性病害有:①桥面铺装破坏。在车辆的长期作用下,尚未达到预期年限的桥面板常常会出现凸凹不平或网状开裂等破坏现象。②桥头跳车。桥梁运营一段时间后,都会存在台后填土下沉,从而造成桥头跳车。③混凝土开裂。在混凝土结构中这一现象较为普遍,发生的部位有混凝土梁体、墩身等构件开裂。④钢筋锈蚀。⑤桥梁附属设施的病害。主要是一些短寿命构件的病害,如:伸缩缝、支座等。

  本项目对常见的桥梁耐久性病害进行了较为系统、全面的调查,形成耐久性调查专项报告,在对桥梁上部构造、下部构造、附属设施、间接隐患等多方面调查的基础上,分析总结了病害产生的原因。

  在桥梁设计中,细节设计和结构分析同样重要。在耐久性设计中,细节设计的作用有:首先,好的细节设计更易于施工,桥梁质量更为可靠,并且在运营期间容易检查,容易维护。其次,水环境管理需要通过细节设计来实现。针对目前我国桥梁细节设计研究不足,本项目总结了细节构造的一般规律,为通过细节设计提高桥梁耐久性提供参考。

  细节构造要求大多数表现在以下几个方面:①美观。桥梁要获得和保持良好的外观需要其外观应统一,外形简洁,合理引导水流,少用伸缩缝,合理布置施工缝,高质量施工。②安全健康。包括从事桥梁建设、使用、维护的个人和企业和周边有关人员的安全健康。在设计、施工、检查和维护、调整(如加宽等)和销毁等阶段,均有必要进行安全健康风险分析,并建立相关制度来保障。③便于施工。设计人员应充分认识到劳动力成本和制作成本重要性,合理的标准化细节可以最大限度提高模板等施工设备的重复利用率,以此来降低造价。④耐久性。提高桥梁耐久性一定要做好水环境管理,水环境管理的重要手段包括排水和防水措施。桥梁的排水设施应保证桥梁范围内的水尽快排出桥梁范围以外,避免积水,同时桥梁应有多道水的防线。⑤易检查和易维护。设计人员准备检修手册时,需将施工中出现的问题加以考虑。针对结构的特殊性,为检查和维护提出建议;提出更换构件时的建议施工步骤及相应的通道。

  水在混凝土劣化中扮演重要角色,水环境管理采用防水、排水、混凝土表面涂层和表面憎水处理以及各种各样的形式的密封止水等措施,通过易于施工且可靠的细节构造来实现。钢筋保护层密实且厚度足够可以使水和有害溶液不易到达钢筋表面,增加锈蚀第一阶段的时间,延缓锈蚀,因此也可以认为是水环境管理的措施。在水环境管理时,需注意以下问题:①水环境管理的效果是由系统中最薄弱环节决定;②水环境管理的薄弱环节往往是都在边界。

  水环境管理需要科研、设计、施工和管养共同努力才能收到好的效果。目前,已有一些混凝土防腐措施的研究成果能够适用于实际工程,但构造细节的研究非常少,这方面需要有更大的投入。好的水环境管理设计还需要认真细致的施工和严格的监理来实现,现在的施工状况有待提升。水环境管理的长期工作性能需要有科学的管养来保证。在检查和维护时,需要采用水环境分析方法追根溯源,找出问题的根源和所影响的所有的环节,将问题逐一解决。

  对比分析国内外常用的预制标准梁桥,讨论预制标准梁体、横向连接构造和连续构造等,对比和总结细节构造,为设计提供参考。

  我国中、小跨径桥梁常用装配式梁桥,而英国多采用组合式桥梁。装配式预应力混凝土预制T梁通常用于单跨跨径在25米到40米的桥梁上。因其结构相对比较简单、受力明确、造价较低、架设方便等优点,预制T梁在我国和世界多国得以广泛使用。但是在国内的实际运用中,这种结构暴露出一些问题,如预制梁体间横向连接困难和支座调平不易等,值得反思。从上个世纪60年代开始,英国先张预应力混凝土预制梁体的组合式梁桥逐步取代了现浇的上部结构,在公路上得到普遍使用。经过50余年的发展,组合式桥梁设计和建造技术已日渐成熟,其经验可以让我们学习和借鉴。英国U梁是组合式桥梁常用的预制梁体,适用跨径为13米到34米。对比分析我国的预制T梁桥和英国的组合式U梁桥,有助于我国桥梁工程师了解英国的组合式桥梁技术,并为改进我国桥梁设计提供参考。

  本项目从预制梁体、横向连接、连续构造、桥面铺装以及梁体架设等方面对比分析了这两种桥梁的构造设计。

  鉴于我国桥台存在的问题,建议通过构造设计和水环境管理,使桥台易检、可修,提高其耐侵蚀的能力,从而使桥台及周边构件更耐久。桥台检修的重点在支座和伸缩缝。桥台检修通道、台前检修平台和台帽顶面的支承构造的合理布置为检修提供了方便。通过对伸缩缝周边以及台背的水环境管理使桥台更耐久。该问题的研究可为改进桥台构造设计提供参考。

  设伸缩缝桥墩处的水环境管理构造由防漏构造、排水构造和防水构造三部分所组成。伸缩缝的橡胶密封条是第一级防漏措施,伸缩缝下设置有集水槽为二级防漏措施。在盖梁顶面顺桥向设置外侧向盖梁中心的坡度,收集排水。中心向外的坡度也可以将水排出,但是水会污染盖梁外侧混凝土,影响美观,所以应避免。盖梁顶面横桥向也设置坡度,将水引至指定位置排出。防水构造由混凝土防水和梁端下缘滴水槽构成。梁端下缘滴水槽可以阻断水沿梁流动,污染梁体下缘和影响支座。

  主要从倒角、滴水槽、防水密封、防水外凸倒角、横断面横坡及防水层布置、桥面排水、沥青下层排水、密封及防水等方面做了分析研究。

  在安装钢筋时,需要防止钢筋偏位。如没有特别说明,实际的保护层厚度不小于名义保护层厚度-5mm。

  在构件中,名义保护层厚度通常是针对箍筋而言的,在模板和箍筋之间的距离应保持相同,都等于名义保护层厚度。

  保证钢筋准确定位的保护层垫块应该尽可能小,固定时应该牢固,避免浇筑混凝土时垫块偏转。混凝土垫块由最大骨料直径为10mm的混凝土制作而成,其强度与相邻的混凝土相同。将固定垫块所使用的绑扎丝应该在合同中进行规定,暴露表面垫块的金属丝可采取不锈钢绑扎丝。

  不得采用木质、金属、陶瓷以及可渗透材料的垫块。绑扎丝和定位夹的端部不得伸入到混凝土保护层中。

  预应力管道定位准确、且固定牢固,避免混凝土浇筑时发生管道移位;加强锚下混凝土土振捣,确保锚下混凝土浇筑密实。

  支座调平钢板定位安装准确,施工时确保支座水平放置,避免后期支座脱空和剪切破坏;桥梁支座位置预留空间应满足设计的基本要求,以保证支座更换的顺利进行。

  伸缩缝的安装应满足规范要求,防止施工和运营期伸缩缝渗漏;梁端防水涂层、挡水板等施工应满足规范要求;梁端混凝土应振捣均匀密实,保证梁端混凝土质量;后张法混凝土梁封锚混凝土应浇筑密实、减少收缩,提高封锚混凝土施工质量。

  桥梁养护应遵循预防为主、防治结合的原则,以桥面养护为中心,承重部位为重点,全面养护,要做到先进养护、科学养护,强化养护设备应用。

  在管养过程中,日常巡查是保养最重要、最有效的手段,根据日常巡查现状,确定按时进行检查、保养的周期,重视桥梁排水构造的可靠性和通畅性。保养必须要格外注意控制车辆载重量、控制重车行驶路线、控制重车极端天气行驶数量,加强吊索、主缆、斜拉索、支座、伸缩缝的检查。维修必须要格外注意运用桥面维修技术,做好低寿命结构的更换与维修。

  常规桥梁一般指中小跨径的桥梁,中小跨径桥梁对于双向四车道,如果三轴以上载重的货车并行行驶,将造成桥梁超出原有设计荷载,因此,中小跨径桥梁的行驶荷载管理非常重要。

  冬季积雪与长大纵坡耦合,桥梁行车状态更为复杂,桥梁工作环境恶化,材料承载性能更差,但荷载更加集中和恶劣,桥梁不堪重负。

  桥面施工平整度差,冲击系数常常高于规范规定最高限制,同时,桥面铺装出现坑凼,冲击系数高达1.9,远超于规范计算数据。

  支座出现开裂而丧失弹性、支座材料弹性差而无回复能力、支座脱空由面支撑变为线支撑、支座压碎而无法变形等病害,直接改变了主梁受力状态,使主梁计算内力成倍增加,主梁处于极不利受力状态。

  主梁伸缩缝安装精度差、伸缩缝破坏,造成冲击系数高达3.2,远高于规范计算冲击系数1.2,因此,主梁、桥墩等构件受力十分恶劣,特别是小跨度轻型桥梁,其冲击系数对主梁受力状况影响十分显著。

  根据常规桥梁调查与管养总结,对于中小跨度桥梁,为了使主梁、桥墩等主要受力构件受力与计算状态一致,对行驶货车车道进行管控、桥面铺装进行全方位检查与及时维修、支座及时检查与更换、伸缩缝及时检测与修改,保证中小跨度桥梁使用状态与设计状态一致,是中小跨度桥梁管养的第一个任务和关键技术,是决策者应着重关注的内容。

  桥梁桥面、盖梁、支座、伸缩缝、悬臂端及基础等部位,不能出现积水、不能出现堵塞等情况,应确保桥梁及桥梁周边排水通畅,同时,排水不能冲击桥梁构件、基础和对环境造成污染,保证桥梁排水契合设计与规范要求。

  本项目为四川省交通科技项目,由四川省交通运输厅公路规划勘察设计院完成,现已通过评审验收。项目以依托工程广元—南充高速公路的常规桥梁为研究对象,结合国内外耐久性的先进经验,进一步总结有关技术,以全寿命周期成本最小为指导思想,从设计细节、施工方法、实施工程质量操控方法和维护等环节系统地提高桥梁的耐久性,提高桥梁的设计质量、实施工程质量,为科学管理养护提供参考,研究成果总体达到国内领先水平。

  在项目研究的基础上,编制了《常规桥梁耐久性设计、实施工程技术指南》1部,申请实用新型专利技术1项(《预制梁体支座调平结构及预制梁体成型模具》,专利号:ZL5.2,2012年4月),发表学术论文4篇。

  根据四川省公路工程咨询监理事务所出具的应用证明,本项目的研究成果已推广应用于广元—南充高速公路全线座桥梁,经过多次检查,技术成果应用取得的效果非常明显,根据初步测算,节约建设与管养经费至少400万元。