基于给定结构寿命的混凝土系杆拱桥设计及养护策略研究.pdf

2 0 1 2 年 2 月第 2 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 1 0 3 基于给定结构寿命的混凝土系杆拱桥设计 及养护策略研究 李毅 ， 韦华 ， 郭忠 ， 陈宝春 ， 项 贻强 1 ． 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院， 浙江杭州 3 1 0 0 1 4 ； 2 ．福州大学 ， 福建福州 3 5 0 1 0 8 ； 3 ． 浙江大学， 浙江杭州 3 1 5 8 摘要 针对混凝土系杆拱桥的病害及养护策略问题 ， 从给定结构寿命的设计及养护的理念出发 ， 提出根据系杆拱桥各构件 的等级与易损性分析结果， 寻找出结构中既关键又易损的构件， 在桥梁设计及养护排序选择时， 优先及重点关注这些构件， 实 现针对性的养护， 同时在安全性和经济性之间进行权衡 ， 从而达到降低维护成本 ， 有效地延长桥梁使用寿命的目的。 关键词 系杆拱桥 ； 易损性 ； 全寿命； 养护策略 ； 能力需求 中圈分 类号 U 4 4 7 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 9 7 7 1 6 2 0 1 2 0 2 0 1 0 3 0 5 0 引言 随着 混凝土拱桥建设跨度 的不断增 大 ，拱脚 水平推力变得很大， 对地基的要求变得很高， 于是 产生了无推力拱的设想 ，系杆拱桥便是在这种需 求 下产 生的。 同时在各种桥 型中 ， 混凝土系杆拱桥 以其 自重轻 、 造形美观、 适宜跨度范围广等优势， 在我国南方 软土地基地 区及 城市景观桥梁建设 中 得 到了较快 的发展 。 但 是 ，近年来相 当一部分混凝 土系杆 拱桥在 建成后一段时间内便出现了严重损伤 ，不得不提 前维修或更换 ， 甚至导致桥面倒塌 、 断裂或损毁， 事故不仅引起了公众舆论的密切关注 ，也使政府 和科研机构意识到，对在建或已建成的混凝土系 杆拱桥进行检测及加固，并对潜在的危险进行预 测 和加强养 护管理已经刻 不容缓 。 本 文通过对混凝土系杆拱 的坍塌事 故及 维修 加固情况的调查 ，从给定结构寿命的设计及维护 理念 出发 ，提出了寻找出系杆拱桥结构 中既关 键 又易损 的构件 ， 在设计及养护排序选择时 ， 优 先及 重点关注这些构件 ，实现有针对性的预测式养护 策略。 从而在 安全性和经济性 的权衡 中， 有效地延 长桥梁的使用寿命 ， 保障人民生命财产的安全。 1 系杆拱桥的发展及存在的问题 1 ． 1系杆 拱桥 的发展 近年来 ，系杆拱桥的发展无论是从跨越 能力 的提高、结构形式的组合化趋势以及各种新型材 料的应用和合理组合配置等多方面都有了充分的 发展 。 在 国内 ， 已建成多座百米 以上跨 径的混凝土 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 3 0 作者简介 李毅 1 9 8 2 一 ， 男， 浙江杭州人 ， 博士后 ， 从事大跨度桥 梁空间分析、 振动测试及桥梁健康监测研究工作。 系杆拱桥 。 系杆拱桥与斜拉桥、悬索桥一样都是典型的 三元结构， 即由活载分布构件、 传递构件及承重构 件组成， 较之一般类型的拱桥在结构上更为复杂。 在系杆拱桥中， 拱肋是主要承重构件， 且主要承受 压力 ； 系杆 梁 则起到将内力的水平分力可以部 分或完全平衡拱肋产生的水平推力 ；吊杆则是前 两者联系的传递构件 ，主要是将桥面荷载传递给 拱肋， 同时吊杆 、 系杆作为系杆拱桥的预应力承力 结构 ， 其可靠性、 耐久性 、 适应性直接关系到桥梁 的安全和使用寿命。在实际工程应用中，由于施 工、 运营 、 及养护等多方面的原因， 混凝土系杆拱 桥的安全问题尤为突出，我国已有多座混凝土系 杆拱桥坍塌， 见图 1 ～图 4 。 图 1 四川宜宾南门大桥主梁断裂 2 o o l - 1 1 7 c ’ 图2 江苏常州运河大桥倒塌 2 0 0 7 5 - 1 3 [ 2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 4 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 图 3 福建 武夷 山公馆 大桥倒 塌 2 0 1 1 - 7 1 4 [ 3 1 图 4 安徽 省合肥 市寿 春路 系杆拱桥 吊杆 锈蚀 [4 】 1 ． 2 桥梁 的维护加 固情 况 在 目前发现的系杆拱桥病害中，吊杆病害占 绝大部分。由于传统吊杆在锚固体系、 索体结构、 防腐方案等方面的缺陷 ， 使得 吊杆在腐蚀和应力 作用下出现开裂、 断丝等问题 ， 导致 吊杆力学性 能退化， 耐久性降低， 使用寿命严重减少。据表 1 的不 完全统计 ，我 国近年来 投入 了大量 的人力 、 物力 、 财力针对系杆拱桥吊杆腐蚀 、 系杆断裂等 问题 ， 进行检测 、 监测 、 以及维修加 固。不难看 出， 尽管 目前拱桥给定的设计寿命一般为 5 0 1 0 0 a ， 但我国系杆拱桥吊杆的寿命基本不超过 1 5 a ， 基 于“ 破损安全” 原则， 考察系杆拱桥体系存在的危 险 一根失效 ， 殃及全桥 ， 拆换不易， 费用很高『5 j。 因此 ，如何对在建或 已建成的系杆拱桥进行检 测， 确保桥梁寿命期 内的安全 ， 以及有针对性 的 对系杆拱桥的不同类型、 部位的构件进行全寿命 的设计及维护等将成为重要的研究课题I6 】 。 2 给定结构的寿命的设计及维护新理念 目前新的设计理念的突出变化是在桥梁寿命 周期 中引入 时间参数 ， 即在设计 阶段将决 策考虑 的时间域扩展到桥梁结构的整个寿命周期。对于 桥梁结构来说 ， 在设计初期将获得一个预期的寿 命， 此后相关的所有配置与规划， 如结构设计、 材 料性 能 、 构造 细节 、 施 工方 法 、 管 养计划 等 ， 都针 对这一给定的寿命展开。 2 ． 1 桥梁整体 建议设计使用寿命 根据美 国及欧洲等发达 国家半个多世纪 的桥 梁运 营及养护 的经验和数据 ， 总结 出 了桥梁 规模 与建议使用寿命的关系， 见表 2 。 这里的桥梁使用 寿命是指桥梁主体结构的总体使用年限， 部分构 件不一定达到与主体结构相同的使用寿命【5 ]。 结合整个桥梁的建议使用寿命及构件功能及 材料性能的不同， 在我国目前桥梁结构具体的设 计及维护管理中，可以将桥梁构件分为四类 ， 见 表 3 。 2 ． 2 基 于给定结构寿命的预测式维护理念 桥梁病 害本 身的不确定性决定 了桥梁养护管 理的动态原理 ， 即桥梁养护管理的每一个步骤都 离不开动态调 节。随着桥梁生命周期 的理念 和新 型检测技术的结合， 使得桥梁部门能够充分利用 表 1 近 几年 我国部 分 系杆 拱桥 法人加 固情 况 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 2月第 2 期 城 市道桥 与防 洪 科技研究 1 0 5 表2桥 梁建 议 设计 使用寿 命【 单 位 a 可控制部件 ， 即确定结构的可检性、 可换性 、 可 修性 、 可控性、 可持续性 、 可强性 ， 并确定合适的 设 计要 求 和维 护 策 略 ， 取 得 质量 、 时 间 、 投资 上 的最佳平衡点， 见图 5 d 。 构件类型 维护方式 寿命特征 性能 水 久构件 ， 不 司替换 ， 且不 可检同桥 梁整体设计使 ‘ 查或维护 用寿命 永久构件， 不可更换 ， 但可检查 同桥梁整体设计使 一 和维护 用寿命 Ⅲ 篓 星 冀 ⋯约 Ⅲ 用 寿 命 较 长 ，在 整 个 寿 命 周 期 ⋯ ⋯ ⋯ 中需要进行 l 2 次修补或更换 ～ o I V 寿命期较短， 在整个寿命周期 ⋯ ⋯ ⋯ 中需要进行多次修补或更换 Ⅲ 现代检测技术跟踪监测桥梁的状态 ，并综合考虑 技术 、经 济和工程 因素 ，制定 出最合适 的预测式 维护策略则 ，实现 “ 在最佳的时间对合适的桥梁 结构状态采取有效的措施”[7 1 。 2 0 世纪 9 0年代中后期，为了解决大量在役 桥梁集 中维 修造成 的养护部 门资金压 力 的问 题 ， F r a n g o p o l [] 等学者提出基于概率方法 、 通过 建立桥梁 材料性能 退化函数 ， 以及维修工作 效力函数的方法 ，对各种可能的维修方案进行 分析并预测其效果 ；通过费用一效益比较选择 最优方案的研究思路 ，开启了桥梁 的全寿命研 究与预测式养护的分析方法。图 5为基于给定 结构寿命理念的预测式维护的概念模型。整个 桥梁管养的 目标就是将桥梁运营期 的使用功能 维持在需求的水准之上 ，并延长桥梁的使用 寿 命 ， 见 图 5 a 。基于桥梁整体的的使用寿命和 构件的使用寿命的区别 ，将组成桥梁的构件划 分 为 可更换 构 件 和不 可更换 构 件 ，形成 对各 种 构件 使用寿命预测 和更换 维修周期 的合 理规 划 ， 见 图 5 b 。目前全寿命的理念在 国内的应 用还仅处于尝试应用阶段 ，尚未对桥梁预测式 养 护对 策 的选 择进 行 过 系统 的研究 。范立 础等 国内学者首先 明确提出在进行桥梁结构设计 、 施工设计时 ， 要从“ 全寿命期 ” 的角度出发 ， 见 图 5 c ， 进行多灾害分析 ， 分析各部件在静 、 动荷 载作用下的易损性 ，确定结构中重要传力构件 与次要传力构件 、 可更换部件与不可更换部件 、 可加固部件与不可加固部件 、可控制部件与不 性能 性能 性能 桥梁 孳 茬 最 低 性 能 要 求 ＼ ＼ ￡ 堪 住 程 ＼ ＼ ＼＼、 ＼ ＼、 a 桥 梁使用 寿命的概 念模 型 时间 桥梁 最低性能要求 ＼ ＼＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ’ 、 时间 b 维护对桥梁寿命影响的概念模型 预测式维修 预测式维修 桥梁 、 、 、 ～ ＼ ＼ 最低性能要求 、、 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ～ ＼ 时间 c 给 定结构 寿命维护 的概念模型 桥梁苗 ， 时间 d 预测式维护的概念模型 图5 给定结构寿命的维护策略工作效力的概念模型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 科技研究 城 市道桥 与防 洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 3 系杆拱桥构件的维护策略研究 结合本文所研究的竖直吊杆体系混凝土系杆 拱桥， 其构件的组成 、 材料特性可将各个构件的维 护的等级划分见表 4 。 上述研究方法 的研究对象是混凝土系杆拱桥 的拓扑结构f 10 】 ， 反映了构件的位置 、 寿命以及构件 间的连接方式，从出发点上讲都是对结构整体刚 度 的分析 ，这种 构件易损性 的分析方法忽略 了一 个重要因素，那就是作用在结构体系上的荷载作 用。 由于荷载的不同， 各构件的相对易损性也会不 同。因此， 必须补充对构件的能力需求分析。 这里引用地震易损性中的分析方法一需求能力 比⋯z J， 可以定义构件的易损性系数 V V u l n e r a b il it y I n d e x 为构件在特殊 ／ 预期荷载和环境作用下的 能力f c a p a c it y 与需求 d e m a n d 的比例系数 V i r l C 叼 T o -i 式 中 为 结构第 i 根杆 件在 完整 正 常工作 的实际应力 ； [ Or i] 为结构第 根杆件的容许应力 ； 叼 为环境修正系数； 为构件设计重要性系数。 当 c ／ D c a p a c i t y ／ d e ma n d 大 于 1 ． 0 ， 说 明构 件 在荷载作用下将会发生破坏 ，因此有必要其进行 加固。 根据 C ／ D确定的易损性系数愈大， 说明结构 的抵抗能力愈差， 从力学角度上看， 其安全储备较 小 ， 在运营过程中越 容易发生损伤 。当然 ， 桥梁 结 构是处 于各种不 同的环境 当中 ，需要根据环境 的 不同， 对能力需求关系进行环境影响修正， 依据其 腐蚀 、 意外破坏 、 正常磨损的可能性确定 叼， 主要 包括以下几点内容 侵蚀环境中的暴露 ／ 保护程 度 ； 温度 ，日照导致的结构老化问题 ； 化学作用 ， 水侵蚀 ／ 湿度导致的腐蚀；在表观检查中被识别 的可能性 ／ 可行性 。 根据可维护构件的易损性指数 ，在桥梁设计 及养护的过程中，应当重点保护或加强即结构体 系中易损性较高的构件，并保证此类构件在突发 事件下不发生初始破坏，同时可根据构件维护等 级和易损构件在整个结构体系的短期和长期荷载 作用下的相对风险程度和恶化程度来选择维护的 等级和检测的频率。 4结论 本文通过对混凝土系杆拱的坍塌事故及维修 加固情况的调查分析，从给定结构寿命的设计及 维护的角度， 将构件分级与易损性分析相结合 ， 对 系杆拱桥的预测性维护策略进行了探讨 ，得出了 以下结论 1 近年来相 当一部分混 凝土 系杆拱桥 在建 成后一段 时间内便 出现 了严重损伤 ，甚至 出现桥 面倒塌 、 断裂或损毁的事故 ， 如何对在建或已建成 的系杆拱桥进行设计及加固，确保桥梁寿命期内 的安全 ，并对潜在的危险进行预测和加强养护管 理 已经刻不容缓 。 2 根 据西方 发达 国家半 个多世 纪 的桥 梁设 计及养护的经验和数据， 本文结合整个桥梁的给 定使用寿命及构件功能及材料性能的不同， 将系 表4 系杆拱桥体系主要构件的维护分类 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 城 市道桥 与 防洪 科技研究 1 0 7 杆拱桥的各构件在具体的维护管理中进行了分 级 。 3 目前的桥梁的设计及维护策略是基于传 统 的人工检查桥梁养护方法， 本文引入构件易损 性 的概念及计算方法 ， 对系杆拱桥各构件在环境 及 荷载 作用下 的易损性进 行 了量 化 ， 更好 的为各 构件 的预测性维 护提供科 学 的依 据 。 本文的研究成果可对系杆拱桥寿命期内的设 计 、 检测、 监测和维护策略的合理安排提供有益的 参 考。 参考 文献 [ 1 】 王冰． 四川宜宾南门大桥断裂事故[ E R ／ O L J ．h t t p ／ ／ n e w s ． e n o r t h ． c o rn． c n ／s y s t e m／ 2 0 01 ／ 1 1 ／ 21 ／ 0 0 01 8 7 0 4 9． s h t ml ， 2 0 0 1 -1 1 - 21 ， 【 2 】 金凝． 江苏常州公路大桥突然倒塌【 E B ／ O L ] ． h t t p I l w w w ． j y e n e t ． c n ， h e w ／ b h i n a ，2 0 0 7 0 5 ／ n e w 一1 1 5 3 6 9． s h t ml ， 2 0 0 7 5 1 4． 【 3 】 徐超． 福建武夷 山公馆大桥发生坍塌事故[ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ n e w s ． 1 6 3 ． c o rn／ 1 1 ／ 0 7 1 4 ／ 1 0 ／ 7 8 T S 7 V KQ 0 0 0 1 4 J B 5 ． h t m l ， 2 0 1 1 - 7 - 1 4 ． 【 4 】 上海同吉预应力工程有 限公司． 安徽省合肥市寿春路桥拱桥 上接 第 9 4页 构特点 ，联络通道开挖掘进采取分区分层方式进 行 。在上部通道结构施工完毕 ， 强度达到 6 0 ％后 ， 再进行泵房的开挖 ， 除去泵房处开挖， 通道及泵站 的施工顺序见 图 5 。 图 5 联 络 通道 开挖顺 序 图 由于土体采用冻结法加固， 冻土强度较高， 冻 结帷幕承载能力大 ， 因而开挖时 除喇叭口处侧墙 和拱顶外 可以采用全断面一次开挖， 开挖步距为 0 ． 5 1 1 3 左右 ， 最大不超过 0 ． 8 m。开挖 断面超挖不 大于 3 0 m m， 开挖 中心线偏差不大于 2 0 mm。 本联络通道在泵房开挖过程中将出现部分冻 结管被暴露 ， 为确保安全， 根据冻结孔布置图孔位 布置特征 ， 跟班技术员跟踪监测开挖面深度 ， 当开 吊 杆 更 换 【 E B ／ O L] ． h t t p I l ww w． t j p e c ． e o m ／ j _ g u ／ i c o n 0 6 ／ 0 6 _ s c ． h t m， 2 0 09 0 9 2 0． [ 5 】 国家电力公司华东勘测设计研究院． 叶青兜桥裂缝 、 吊杆损伤 及索 力测试 报告 【 R 】 ． 2 0 0 3 ． 【 6 】 王福敏， 吕庆丰， 宋琼瑶． 结合桥梁寿命期成本论武隆乌江二桥 旧桥改造方案的决策[ J ] ． 公路交通技术， 2 0 0 5 ， 2 2 1 8 4 - 8 6 ． 【 7 】 陈艾荣． 基于给定结构寿命的桥梁设计过程【 M】 ． 北京 人民交 通 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 8 】K o n g J S ， F r a n g o p o l D M． L if e - c y c l e r e l i a b i l i t y - b a s e d ma i n t e n a n c e c o s t o p t i mi z a t i o n o f d e t e r i o r a t i n g s t r u c t u r e s wi t h e mp h asis o n b ri d g e s【 J 】 ． J o u r n a l o f S tr u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 1 2 9 6 8 1 8 8 2 8． [ 9 1 M o r i Y ,E l l i n g w o o d B 1 L Ma i n ta i n i n g r e l i abi l i t y of c o n c r e t e s t r u c t u r e s ． I I o p ti m u m i n s p e c ti o n ／r e p a i r [ J ] ． J o u rnal of S t r u c t u r a l E n gin e e ri n g ， 1 9 9 4 ， l 2 O 3 8 4 6 8 6 2 ． 【 1 O 】 柳承茂． 结构易损性问题研究【 D 】 ． 北京 清华大学博士论文， 2 o o 5 ． 【 1 l 】 杜鹏． 钢筋混凝土桥梁的地震易损性分析[ J ] ． 工程抗震与加 固改造 ， 2 0 0 7 ， 2 9 1 8 9 9 3 ． [ 1 2 ] 谷音． 基于结构易损性的斜拉桥多灾害防治问题研究f D ] ． 上 海 同济大学博士后工作报告， 2 0 0 9 ． 挖面距离泵房内冻结管约 5 1 0 c m时， 关闭该组 冻结管的去 、回路阀门，等该组冻结管全部暴露 后，再打开原先关闭的阀门，恢复冻结。待泵房 2 5 0 m m厚的 临时支护层施 工结束后 ， 在防水层施 工之前 ， 即可将 泵房内暴露 的冻结管割 除 ， 再进行 防水层及永久结构的施工。 7 结论 与 总结 目前五里河站 ～ 奥体中心站区间隧道的联络 通道施工已顺利完成，实践证明，冷冻法加固地 层， 矿山法开发构筑隧道的施工工艺 ， 即有效的保 证了通道施 工的施工安全 ，又保证 了工程 的质量 和进度 。 随着我 国轨道交通 的迅猛发展 ， 冷冻法的 施工工艺必 然在地铁工程 中得到越来越广泛的应 用 。 参考 文献 【 1 】 施仲衡． 地下铁道设计于施 E [ M I ． 陕西科学技术出版社， 1 9 9 7 ． 【 2 】 G B 5 0 1 5 7 2 0 0 3 ， 地铁设计规范【 s 】 ． 中国计划出版， 2 0 0 3 ． [ 3 1 北京城建设计研究总院有限责任公司． 沈阳市地铁 2号线工 程施工图设计五里河站 一奥体中心站区间隧道联络通道 结构图【 z 】 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m