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已建大跨径桥长期下挠的对策研究
时间 :
2023年2月3日
分类 :工程百科
| 1.任务来源 | |||
| 广东省交通厅科技项目，编号2007-17 | |||
| 2.应用领域和技术原理 | |||
| 1、应用领域： 已建大跨径预应力混凝土梁桥。 2、技术原理： 研究全面分析了大跨径预应力混凝土梁桥长期过量下挠及开裂的各种影响因素，基于现有的预应力混凝土桥梁设计理论，提出了这一病害发生和发展的机理。 建立和开发了基于应力释放原理的在役混凝土桥梁应力状态测试方法、基于位移影响线测试的桥梁实际刚度识别方法、基于动态称重系统的梁桥承载能力全概率评价方法、利用空间有限元方法分析混凝土梁裂缝的简化方法等在役桥梁状态评估方法和技术。 提出了过量下挠预应力混凝土梁桥加固技术，并进行了工程应用；从而形成了已建大跨径预应力混凝土梁桥下挠控制的成套技术。在技术上取得了创新性的突破，圆满完成了计划项目合同的技术指标。 |
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| 3.性能指标 | |||
| 1）基于现有的预应力混凝土桥梁设计理论，提出了这一病害发生和发展的机理：从理论上看，预应力反向弯矩与荷载弯矩不匹配必然造成混凝土梁桥的长期变形；过量下挠的主要原因是由于恒载超重和预应力过量损失，徐变的存在使之形成了“变形-预应力损失-变形-再预应力损失”的循环链，且试验也表明徐变系数将随应力水平的提高而增加；当预应力不能抵消外荷载产生的拉应力时，梁体将出现裂缝，裂缝的出现将加剧下挠量。 2）开发了基于应力释放原理的在役混凝土桥梁应力状态测试方法，可用于判定已建桥梁混凝土的应力状况。 3）开发了基于位移影响线测试的桥梁实际刚度识别方法，可用于对在役混凝土桥梁的抗弯刚度及分布特点作出定量评估，并由此推断截面的裂缝情况。 4）建立了基于动态称重系统的梁桥承载能力全概率评价方法，研究了目前国内高速公路车辆荷载特性，为修正我国公路桥梁的荷载模型提供了基础。 5）探索了利用空间有限元方法分析混凝土梁裂缝的简化方法，可以对开裂过程引起结构内力重分布过程进行模拟，提供了一种实用桥梁状态评估方法。 6）在对大跨径预应力混凝土梁桥长期过量下挠与开裂机理分析的基础上，提出了相应的加固对策、原则，并给出了病害处治的流程。 7）明确了箱内施加体外预应力、箱外施加体外预应力、增加斜拉索、置换主梁跨中梁段、后期桥面铺装采用轻质混凝土减载等加固方法及其组合方案的有效性。 8）建立的成套技术在背景工程汾江大桥、潭州大桥的病害处治、状态评估和加固中得到系统应用。 |
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| 4.成果关键技术介绍 | |||
| 研究全面分析了大跨径预应力混凝土梁桥长期过量下挠及开裂的各种影响因素，基于现有的预应力混凝土桥梁设计理论，提出了这一病害发生和发展的机理。建立和开发了基于应力释放原理的在役混凝土桥梁应力状态测试方法、基于位移影响线测试的桥梁实际刚度识别方法、基于动态称重系统的梁桥承载能力全概率评价方法、利用空间有限元方法分析混凝土梁裂缝的简化方法等在役桥梁状态评估方法和技术。提出了过量下挠预应力混凝土梁桥加固技术，并进行了工程应用；从而形成了已建大跨径预应力混凝土梁桥下挠控制的成套技术。 | |||
| 5.与国内外同类技术比较 | |||
| 1）对大跨径预应力混凝土梁桥过量下挠以及开裂问题进行了系统研究，首次基于现有的预应力混凝土桥梁设计理论，揭示了该类桥梁过量下挠及开裂病害发生的过程与机理，对此类桥梁病害处治及设计优化具有重要的指导意义。 2）建立和开发了基于应力释放原理的在役混凝土桥梁应力状态测试方法、基于位移影响线测试的桥梁实际刚度识别方法、基于动态称重系统的梁桥承载能力全概率评价方法、利用空间有限元方法分析混凝土梁裂缝等方法和技术，丰富了桥梁病害处治的技术手段，提升了在役桥梁状态评估和决策水平。 3）在对大跨径预应力混凝土梁桥长期过量下挠与开裂机理分析的基础上，提出了相应的加固对策、原则，并给出了病害处治的流程。研究了箱内施加体外预应力、箱外施加体外预应力、增加斜拉索、置换主梁跨中梁段、后期桥面铺装采用轻质混凝土减载等加固方法及其组合方案的有效性。 4）研究形成的在役大跨径预应力混凝土桥梁过量下挠及开裂病害处治成套技术具有显著的集成和创新性。 |
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| 6.成果的创造性、先进性 | |||
| 一、项目基于现有预应力混凝土桥梁设计理论和混凝土梁构件长期性能试验，系统地揭示了该类桥梁过量下挠及开裂病害发生的过程与机理，对此类桥梁设计优化、病害处治和加固具有重要的指导意义。 （1）揭示了该类桥梁以恒载与预应力效应不相匹配引起的徐变变形为起因，预应力长期损失为主导，混凝土开裂与梁体变形耦合作用导致的长期下挠机理。 （2）发现了在高应力状态下混凝土梁长期变形试验值和预应力损失试验值都大于现行规范计算结果的基本规律。应力越高混凝土结构其长期下挠试验值与规范计算值偏差越大，即使在应力不超过0.5 倍标准值的情况下，仍表现出非线性特征。 二、项目结合在役汾江大桥和潭洲大桥，对已建大跨度梁桥过量下挠和开裂的病害，建立和开发了一套较完善、实用的桥梁损伤识别、状态评估和健康诊断的方法和手段，主要包括： （1）首次研发了基于位移影响线测试的桥梁实际刚度识别方法，可用于对在役混凝土桥梁的抗弯刚度及分布特点作出定量评估，并由此推断截面的裂缝情况。 （2）建立了利用空间有限元分析混凝土梁桥裂缝开展的简化模型，模拟了开裂引起的结构内力重分布，提出了实用的桥梁状态评估方法。 （3）独立开发了基于应力释放原理的在役混凝土桥梁应力状态测试技术，已用于判定已建桥梁混凝土的应力状况。 （4）率先建立了基于动态称重系统的梁桥承载能力全概率评价方法，研究了目前国内高速公路车辆荷载特性，为我国公路桥梁的荷载模型的修正提供了依据。 三、系统地建立起长期过量下挠大跨度梁桥的加固对策、原则和流程，提出了增设体外预应力+桥面铺装采用轻质混凝土减载的组合加固方法，加固效率高、实用性强、性价比高。 该项目研究形成的针对过量下挠和开裂的大跨径预应力混凝土梁桥状态评估和加固系列技术，成功的应用于汾江大桥和潭洲大桥加固工程。研究成果具有创新性和实用性。
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| 7.作用意义 | |||
| 由于大跨径连续梁桥的长期下挠、开裂等因素相互作用，形成恶性循环，严重的影响桥梁的正常使用和使用寿命，并且导致后期加固养护的难度提高、费用大幅增加。通过本项目的研究，为佛开高速公路的建设和管养提供前沿技术支持。在明确大跨径预应力混凝土连续梁桥长期下挠和开裂的机理的基础上，从设计、施工、成桥后（主动性）监测等源头上解决下挠和开裂问题，并最终形成丰富、主动和有效的解决方案。从而，提高佛开高速公路同类桥梁的使用性能和安全性；减少建设管理单位成桥后长期的管养难度和成本。 | |||
| 8.推广应用前景与措施 | |||
| 研究明确了大跨径预应力混凝土连续梁桥长期下挠和开裂的机理，从设计、施工、成桥运营等环节解决下挠和开裂问题，并形成了丰富、主动和有效的解决方案。成果可为高速公路同类桥梁的使用性能和安全性；减少建设管理单位成桥后长期的管养难度和成本；延长桥梁使用寿命和使用效率；并有助于及我国同类公路桥梁建设水平的阶段性提高。 |
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