刚架拱桥的检测与加固技术研究
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摘要
随着国民经济的迅速发展,道路交通量和车辆荷载的大幅度增加,上个世纪六、七十年代甚至更早修建的桥梁已经产生不同程度的破坏,成为阻碍交通运输的瓶颈所在。拱桥具有外形美观、桥身结构坚固、承载能力强、取材方便、造价及养护费用低等优点,在旧桥中占据了相当大的数量。对现有桥梁采取相应的补强加固措施,可以节省大量的基建投资,从而改善我国基本建设资金严重不足的状况,具有良好的经济效益和社会效益。因此,桥梁结构的检测及维修加固成为我国桥梁工程中一项重要任务。
本文以怀化湖天大桥(50(钢筋混凝土刚架拱桥)+17×16米(预应力钢筋混凝土空心板))为对象,通过现场检测试验和有限元模型分析,对该桥的检测、有限元模型分析以及加大截面加固法和外贴碳纤维布加固法进行了研究。主要工作和研究内容如下：
1.归纳总结了拱桥的病害及破坏特征,并对造成病害的原因以及破坏的特点进行分析。总结出拱桥病害的检测方法及针对这些病害的加固方法。
2.介绍了旧桥加固的几种常用方法,并简要介绍各种加固方法的设计和施工工艺,阐明各加固方法的优缺点及其使用范围。详述了增大截面法和外贴碳纤维布法的理论和施工方法,并对这些方法进行了对比研究,同时对桥梁加固的后评价体系进行了简单的介绍。
3.对怀化湖天大桥进行了外观、静载和动载检测,并依据湖天大桥实际构造情况,应用大型有限元软件ANSYS建立大桥的有限元模型,进行大桥工作状态的仿真分析。综合分析实际检测结果和理论分析结果,提出大桥病害所在,为大桥的加固提供依据。
4.根据实验和理论分析结果,确定湖天大桥的加固设计方案,并用有限元软件ANSYS分析加固后该桥的力学性能,对加固后桥梁的工作状态进行评价。
Along with rapid development of our economy, the road traffic volume and load increasing in large scale, bridges constructed in the 1960s-70s have damaged in various degree, which becomes an obstacle of transportation in China. The arch bridge is with good-looking, solid bridge construction, strong bearing capacity, convenience in drawing materials and low cost in construction and maintenance, the number of which is large in old bridges. The existing bridges reinforcement will not only reap significant economic benefits, but also result in good social benefits by saving a large amount of construction investment, which improves the situation of a serious insufficiency of construction funds for a long time. Therefore, the detection and reinforcement of the bridge is important for the bridge engineering.
This thesis takes the Hutian bridge in Huaihua, Hunan, a reinforced concrete rigid frame arch bridge with 50+17×16m pre-stressed reinforced concrete hollow slab as an object. Through the on-site test and the finite element model analysis to study the results of detection and the FE model analysis, the enlarging section method and the externally bonded CFRP composites method are studied. The main contents of research are as follows:
1. Some kinds of diseases and their characteristics are summarized, and detection and reinforcement methods against these diseases by analyzing of the causes are introduced.
2. Some commonly used methods of reinforcement of old bridges are described, including the design method, the construction techniques, the merits and demerits and the application range. Then, some comparisons are made from the theory and construction methods between the enlarging section method and the externally bonded CFRP. The evaluation system after reinforcement is briefly introduced.
3. The detection of the Hutian Bridge from the appearance, the static and dynamic loads is completed. Based on the structure characteritics of the Hutian Bridge, the working model of the bridge is established by using the ANSYS software, and its working state is conducted a simulation analysis. The results both in-situ detection and theoretical analysis are showed compressively, and the diseases are pointed out, which offers reasons for the reinforcement.
4. On the ground of the test and theoretical analysis results, a reinforcement design is proposed for the Hutian Bridge. Subsequently, the mechanic properties of the bridge are analyzed by the ANSYS, and the appraisal of the working condition after reinforcement is followed. KEYWORDS arch bridge diseases, detection, the enlarging section method, the externally bonded CFRP composites, FEM
本文以怀化湖天大桥(50(钢筋混凝土刚架拱桥)+17×16米(预应力钢筋混凝土空心板))为对象,通过现场检测试验和有限元模型分析,对该桥的检测、有限元模型分析以及加大截面加固法和外贴碳纤维布加固法进行了研究。主要工作和研究内容如下：
1.归纳总结了拱桥的病害及破坏特征,并对造成病害的原因以及破坏的特点进行分析。总结出拱桥病害的检测方法及针对这些病害的加固方法。
2.介绍了旧桥加固的几种常用方法,并简要介绍各种加固方法的设计和施工工艺,阐明各加固方法的优缺点及其使用范围。详述了增大截面法和外贴碳纤维布法的理论和施工方法,并对这些方法进行了对比研究,同时对桥梁加固的后评价体系进行了简单的介绍。
3.对怀化湖天大桥进行了外观、静载和动载检测,并依据湖天大桥实际构造情况,应用大型有限元软件ANSYS建立大桥的有限元模型,进行大桥工作状态的仿真分析。综合分析实际检测结果和理论分析结果,提出大桥病害所在,为大桥的加固提供依据。
4.根据实验和理论分析结果,确定湖天大桥的加固设计方案,并用有限元软件ANSYS分析加固后该桥的力学性能,对加固后桥梁的工作状态进行评价。
Along with rapid development of our economy, the road traffic volume and load increasing in large scale, bridges constructed in the 1960s-70s have damaged in various degree, which becomes an obstacle of transportation in China. The arch bridge is with good-looking, solid bridge construction, strong bearing capacity, convenience in drawing materials and low cost in construction and maintenance, the number of which is large in old bridges. The existing bridges reinforcement will not only reap significant economic benefits, but also result in good social benefits by saving a large amount of construction investment, which improves the situation of a serious insufficiency of construction funds for a long time. Therefore, the detection and reinforcement of the bridge is important for the bridge engineering.
This thesis takes the Hutian bridge in Huaihua, Hunan, a reinforced concrete rigid frame arch bridge with 50+17×16m pre-stressed reinforced concrete hollow slab as an object. Through the on-site test and the finite element model analysis to study the results of detection and the FE model analysis, the enlarging section method and the externally bonded CFRP composites method are studied. The main contents of research are as follows:
1. Some kinds of diseases and their characteristics are summarized, and detection and reinforcement methods against these diseases by analyzing of the causes are introduced.
2. Some commonly used methods of reinforcement of old bridges are described, including the design method, the construction techniques, the merits and demerits and the application range. Then, some comparisons are made from the theory and construction methods between the enlarging section method and the externally bonded CFRP. The evaluation system after reinforcement is briefly introduced.
3. The detection of the Hutian Bridge from the appearance, the static and dynamic loads is completed. Based on the structure characteritics of the Hutian Bridge, the working model of the bridge is established by using the ANSYS software, and its working state is conducted a simulation analysis. The results both in-situ detection and theoretical analysis are showed compressively, and the diseases are pointed out, which offers reasons for the reinforcement.
4. On the ground of the test and theoretical analysis results, a reinforcement design is proposed for the Hutian Bridge. Subsequently, the mechanic properties of the bridge are analyzed by the ANSYS, and the appraisal of the working condition after reinforcement is followed. KEYWORDS arch bridge diseases, detection, the enlarging section method, the externally bonded CFRP composites, FEM
引文
[1]交通部公布的全国公路桥梁情况统计.特种结构,2002,19(1)：57-57
[2]周履.桥梁耐久性发展的历史与现状[J].桥梁建设,2000(4)：58-61
[3]交通部公路科学研究所.旧桥加固技术与桥梁调查[M].1985
[4]张树仁,王宗林.桥梁病害诊断与改造加固设计[M].人民交通出版社,2006
[5]廖卫东,王蒂,许汉铮,黄平明.武黄高速公路桥梁病害特征及加固方法分析.武汉理工大学学报[J].2003,25(12)：9-12
[6]Washer, Gle.n A.Developments for the non-destruction evaluation of highway bridges in the USA[J].NDT&E International.1998, (31):245-249
[7]于大涛,廖朝华编译.欧洲现有桥梁的评估.中外公路.2001.5：35-37
[8]FIBTaskGrouPg.3.ExternallybondedFRPreinforeementforRCstruetures.FIBteehnic alrePort, July,2001
[9]Housner G W,Bergman L A,Caughey T K,et al.Structural control:Past, present, andfuture(J), Journalof Engineering Mechanics,1997,123(9):897-971
[10]王永维.我国建筑物鉴定与加固改造技术现状与展望[M].桂林.第2届建筑物鉴定与加议.1993.1-6
[11]孙浩,钢筋混凝土拱桥检测与加固技术研究[D].合肥工业大学,2006
[12]卓尚木,季直昌,卓昌志.钢筋混凝土结构事故分析与加固[M].北京：中国建筑工业出版社,1997
[13]郭永琛,叶见曙.桥梁技术改造[M].北京：人民交通出版社,1991
[14]王有志等.桥梁的可靠性评估与加固(M).中国水利水电出版社,2002
[15]吴鹏来等.桥梁加固的几种措施(J).交通标准化,2003年总113期：32-34
[16]交通部科学技术情报研究所,旧桥监测、评价、加固技术应用[M].人民交通出版社,1990Part B31(2000)445-452
[17]杨文渊,徐犇.桥梁维修与加固[M].人民交通出版社,1989
[18]邵旭东.桥梁工程[M].人民交通出版社2003
[19]柳炳康,吴胜兴,周安.工程结构鉴定与加固[M].北京.中国建筑工业出版社.2000
[20]张俊平,周建宾.桥梁检测与维修加固[M].人民交通出版社,2006
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[22]中交公路规划设计院.公路圬工桥涵设计规范(JTG D61-2005)[M].人民交通出版社,2005
[23]中交公路规划设计院.公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)[M].人民交通出版社,2004
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[31]张维然,樊兴良.高速公路项目经济后评价模式的探讨.中国市政工程.1993.1：1-7
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[36]陈光强,韦立林.刚架拱桥裂缝成因分析研究[J].广西电力工程.2000(2)：41-42
[37]潘艺.水泥混凝土拱桥裂缝治理方法研究[J].福建建材.2006(3)：83-85
[38]魏霞,墩台水平位移和拱轴线变形对主拱圈的影响.硕士学位论文,东南大学.2004(3)：49-56
[39]江元盛.钢筋混凝土结构增大截面加固法的几点体会.安徽建筑.2008(2)：115-116
[40]Y.K.Cheung,A.K.H.Kwan and X.L.Lu. Large scale model tests of reinforced concrete slit shear walls,International Journal of Structures[M].14(2). July-Dec.1994
[41]熊学玉.体外预应力结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2005
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[44]岳清瑞.我国碳纤维增强塑料(FRP)加固修复土木建筑结构技术研究应用的现状与发展[A].见：中国纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会论文集[C]. 北京：2000,21-26
[45]吴智深.FRP复合材料在基础工程设施的增强和加固方面的现状与发展[A].见：中国纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会论文集[C],北京：2000年6月,5-20
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[47]柴战平.公路双曲拱桥加固技术研究[D].上海：同济大学.2003
[48]张旭鲲.双曲拱桥加固及加固后分析方法研究.中国高新技术产业.2008(15)：189-189
[49]JGJ/T23-2001.中华人民共和国行业标准,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].2001
[50]张欣.拱桥加固技术研究与实践[D].重庆大学,2005
[51]张云,公路双曲拱桥加固方法的研究[D].广西大学,2006(6)：41-43
[52]胡钊芳,胡玉泉,上官兵,加大截面综合法加固提载刚架拱桥分析研究,南昌大学学报(工科版),2002(6)：62-65
[53]刘云川,刘建民,王志辉.刚架拱桥病害特点与防治对策[J].山东交通学院学报.2006,14(2)：26-37
[54]刘中伏,郑兴泉.浅析混凝土增大截面加固法[J].国防交通工程与技术.2006(4)：68-70
[55]吴国雄,王东,等.锚喷与碳纤维布在双曲拱桥加固中的应用研究,公路2001(8)：33-36
[56]李尉光,谌润水,陈水生.刚架拱桥外包混凝土加固后效果及影响分析.公路交通科技(应用技术版)[J].2003,25(12)：9-12
[57]赵彤,谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津：天津大学出版社,2001
[58]吴智深.FRP复合材料在基础工程设施的增强和加固方面的现状和发展[A].北京：中国首届纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会论文集[C],2000.6
[59]邱佑宗,朱国栋.“九二一”震后桥梁与明隧道之修复工程—碳纤维贴片补强混凝土桥梁及隧道技术应用研究[J].高科技纤维与应用,2001,27(6)：18-24
[60]朱国栋,邱佑宗.“九二一”震后学校建筑物之修复工程—碳纤维贴片补强学校建筑技术实例[J].高科技纤维与应用,2001,26(2)：25-32
[61]CECS146：2003.中国工程建设标准化协会标准,碳纤片材维加固混凝土结构技术标准[S].2003
[62]姜宁.桥梁结构碳纤维加固技术的研究(D).上海：同济大学,2003
[63]李有丰、林安彦.桥梁检测评估与补强[M).机械工业出版社,2003
[64]梅来彬,王波.浅析ANSYS在桥梁拓扑优化设计中的应用[J].科技创新导报.2008(27)：104-105
[65]孙泽世,王锋.ANSYS子模型技术在桥梁分析上的应用.山西建筑[J].2007(20)：313-315
[66]中交公路规划设计院.公路桥梁加固设计规范(JTG/TJ22-2008)[M].人民交通出版社,2008
[67]谢慧才,刘金伟,熊光晶.钢筋混凝土修补梁实验研究和有限元分析[A].见：第五届全国建筑物鉴定与加固改造学术论文集[C].北京：中国建材工业出版社,2001,240-245
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