变高度预应力混凝土箱梁底板崩裂破坏桥梁修复施工技术研究

摘要

目前，大跨径预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥横截面绝大部分为箱形截面，且以单箱单室截面居多。近年来为满足通行量的需要，箱梁截面越来越宽，为满足通航净空、美观功能以及符合受力等要求，跨线、跨河桥箱梁设计成变高度形式，梁底的线形为圆曲线、抛物线、半立方抛物线等，所以变高度宽箱梁桥也因此带来了诸多问题，在箱梁主跨跨中，为抵抗恒载和活载产生的正弯矩，在跨中、合拢段随着箱梁底板的线型布置了底板预应力束，垂直平面内具有一定的曲率，张拉底板预应力束后，产生向下的附加径向荷载，加之截面较宽，容易诱发箱梁底板崩裂、开裂。近几年在桥梁施工中出现了多起这样的事故，为此本文以南京、无锡两座底板崩裂桥梁为背景，研究底板崩裂及开裂破坏的原因、影响因素、修复设计、修复施工方案设计、修复施工工艺设计、修复施工监测和修复成桥的动静载试验等问题，为避免和修复此类事故桥梁提供参考和建议。主要研究内容为： 针对变高度混凝土箱梁桥张拉预应力束过程中出现的底板崩裂现象，应用大型ANSYS软件建立空间模型，设计预应力作用的模拟方法，分析底板预应力束张拉后的空间效应，研究变高度箱梁桥在预应力和自重状态下箱梁底板的应力分布规律，其中箱梁底板的竖向、横向应力过大是导致底板崩裂破坏的主要原因，并分析了引起变高度箱梁底板竖向、横向应力过大的原因主要为：径向力、孔道偏差、节段之间高差、非预应力筋设置等，由此提出了改进设计措施。同时结合空间模型和计算分析，研究了跨中底板预应力束的布置形式、变高度梁底线形分析、跨中加设横隔板和加厚底板、以及波纹管最小施工净间距对箱梁底板的内力影响，在此基础上提出了变高度箱梁的设计建议、设计流程和构造改进措施，提出了最小波纹管间距计算公式。 为快速、安全地修复底板破坏箱梁的桥梁，提出了修复设计建议，提出了放张已张拉完成的底板预应力束，切除箱梁破坏的底板，重新浇筑新底板的修复总体施工方案。应用改进的有限元软件ANSYS建立空间模型，以底板崩裂破坏的无锡某桥为背景，对总体修复施工过程进行了仿真模拟分析，分析研究修复底板崩裂桥梁的三种修复实施施工方案，根据分析的保留腹板、底板的应力分布特点，最终确定了合龙段切开、再切除底板、对腹板进行吊拉的修复实施方案。并设计了相应的施工工艺和严格的施工顺序，制定了各施工过程的注意事项和具体措施。 底板破坏箱梁修复工程新浇混凝土结合面位于保留箱梁腹板之下、新浇混凝土的上表面(这种情况本文定义为逆向浇筑新老混凝土结合面)，由于新浇混凝土的表面泌水、振捣后灰浆上浮、初凝前的塑性沉陷，严重影响结合面的混凝土的整体性和抗剪能力，所以针对逆向浇筑腹板与底板新老混凝土结合面问题，提出了符合底板修复技术要求的混凝土施工方案。在分析混凝土收缩、泌水、沉陷的影响因素和优选原材料的基础上，提出了低收缩、低泌水、低沉陷混凝土的理念和配合比设计思想及方法，并推导了计算公式。在研究混凝土拌合料和混凝土收缩性能基础上，设计了满足这种特殊结合面要求的最优混凝土配合比：提出了腹板老混凝土的界面处理方案；设计了腹板混凝土界面的新颖的空间齿型；根据逆向浇筑混凝土的特点，设计了新老混凝土结合面喇叭口形支模以及底模吊拉方法，结合优化的混凝土配合比设计，解决了结合面新浇混凝土的塑性沉陷问题。 为了验证按照本文提出的修复施工方案完成的逆向浇筑新老混凝土结合面的抗剪能力是否满足设计和规范要求，根据本文研究设计的混凝土施工方案，设计、制作了多组二维Z型直剪试件和新颖的三维z型箱梁实体试件，并设计了大吨位的加载方案，进行了抗剪能力对比试验，研究逆向浇筑混凝土结合面抗剪性能。模拟施工工况的有筋有槽试件和箱梁实体模拟试件研究结果表明，逆向浇筑的新老混凝土结合面无气泡、无孔隙、无缝隙，混凝土整体性良好，模型试件的抗剪承载能力满足设计要求。根据研究结果和相关资料提出有筋有槽的新老混凝土结合面的开裂前承载能力计算公式。 在修复施工过程中，结构受力和变形较为复杂，为保证施工过程中整个桥梁的安全，研究设计了严密的监测方案，根据修复施工方案的工况和工序，全程测试修复施工过程中箱梁应力、挠度数据，及时分析、处理，实现了信息化施工。测试结果表明，施工过程中箱梁监控截面内力和挠度变形，均在预控范围内。 为了对采用本文提出的修复加固方案完成的桥梁进行承载力的评定，检测桥梁整体受力性能是否满足设计和规范要求，根据修复完成桥梁的结构特点和修复施工过程设计了静动载试验方案，重点对修复底板破坏节段的箱梁加载进行试验研究，同时考虑主桥中跨破坏和修复过程中对整个桥梁承载能力的影响，对边跨的箱梁截面也进行了试验研究，并对试验数据、试验结果进行了科学的分析。修复施工过程中的施工监测数据和成桥静动载试验的数据分析结果表明，修复后桥梁的结构性能符合设计和使用要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1箱形结构桥概述

1.1.1箱形结构的特点

1.1.2箱形结构桥的应用

1.2混凝土箱梁桥的研究

1.2.1薄壁箱梁单箱单室

1.2.2薄壁箱梁空间受力分析方法

1.3变高度箱梁施工阶段底板开裂、崩裂问题研究现状

1.3.1箱梁底板崩裂、开裂的原因研究

1.3.2新老混凝土结合面研究

1.3.3存在的问题分析

1.4本文研究的内容

本章参考文献

第二章箱梁底板崩裂成因分析研究

2.1工程事故实例简介

2.2计算分析

2.2.1有限元模型

2.2.2计算分析结果

2.3底板崩裂成因分析

2.3.1径向力作用

2.3.2孔道偏差

2.3.3合拢段高差影响

2.3.4 非预应力钢筋构造

2.3.5设计方法

2.3.6其它影响因素

2.4本章小结

本章参考文献

第三章箱梁桥防止底板崩裂设计与构造改进方法研究

3.1底板纵向预应力筋优化布置

3.1.1底板纵向预应力束布置

3.1.2合理布置建议

3.2两种降低拉应力的方法比较

3.2.1底板和横隔板

3.2.2计算比较

3.3梁底线形参数

3.4预应力波纹管净间距的建议

3.4.1计算分析

3.4.2工程计算实例

3.5箱梁桥宽与宽跨比

3.6本章小结

第四章底板崩裂破坏箱梁桥加固修复方案设计研究

4.1左半幅修复施工方案设计研究

4.1.1施工过程的计算机仿真分析研究

4.1.2施工过程的仿真计算分析

4.1.3右半幅加固方案设计

4.2逆向浇筑新老混凝土结合面施工方案研究

4.2.1概述

4.2.2.低收缩、低泌水、低塑性沉陷高性能混凝土配合比设计研究

4.2.3新老混凝土结合面设计研究

4.2.4.结合面混凝土浇筑模板设计

4.2.5.混凝土施工工艺设计

4.3本章小结

本章参考文献

第五章逆浇新老混凝土结合面抗剪承载能力试验研究

5.1概述

5.2逆浇混凝土结合面剪切能力试验研究

5.2.1试验方法

5.2.2试验结果

5.2.3试验过程描述

5.2.4试验研究总结

5.2.5有关有筋新老混凝土结合面的抗剪承载力公式的讨论

5.3崩裂底板修复逆向浇筑新老混凝土结合面实体模拟试验研究

5.3.1概述

5.3.2实体模拟试件设计、制作

5.3.3加载及测试

5.3.4试验结果及分析

5.3.5新老混凝土结合检查

5.3.6试验结论

5.4.本章小结

本章参考文献

第六章底板崩裂破坏箱梁桥修复施工工艺与监控技术研究

6.1底板修复施工工艺设计

6.1.1施工工艺过程设计

6.1.2施工注意事项

6.1.3新老混凝土结合

6.2修复施工过程监测方案设计与测试结果分析

6.2.1概述

6.2.2修复施工监测方案设计

6.2.3修复施工过程监测结果及分析

6.2.4施工过程监控测试总结

6.3本章小结

第七章底板崩裂箱梁桥修复后静动载试验研究

7.1试验目的

7.2竣工桥梁实际状况检测

7.2.1实际状况监测内容

7.2.2桥梁实际状况检测结果整理

7.3静载试验

7.3.1静载试验方案设计

7.3.2试验过程设计

7.3.3静载试验成果整理及分析

7.4动载试验

7.4.1动载试验方案设计

7.4.2动载试验数据与分析

7.4.3车辆激励试验

7.4.4动载试验结果与分析

7.5试验结论

7.6本章小结

第八章全文总结

8.1论文主要研究结论

8.2论文研究的创新点

8.3有待进一步研究的问题

8.4结语

致谢

作者简介

附录