快速施工桥梁-李国平.doc

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1、, 土木工程研究进展与研究方法读书报告题 目：快速施工桥梁指导老师：李国平老师姓 名：学 号：2017年11月26日近年来，我国国民经济发展和国家政策也不断的改变，现代化建设快速发展，国民对于生活质量的要求也大大地提高了。当前城市桥梁结构设计正面临的主要挑战之一就是业主和居民除了要求桥梁结构安全和耐久以外，还要求通过快速施工来减少对周围交通的干扰、缩短阻塞时间、降低运输车辆和施工中产生的各种噪声等。这些要求的提出促进了快速施工桥梁在城市桥梁建造中的应用。此外，巨大的跨海峡桥梁工程，有限的海上施工平台空间和海上复杂的气候条件等因素的限制，也促进快速施工桥梁的应用。本文结合李国平老师讲座及个人抗震

2、方向进行了一些调查工作。快速施工桥梁，英文全称为Accelerated Bridge Construction（ABC），主要目的在于加快桥梁建设速度，降低工程总造价，最大程度地减少对既有交通的不利影响。快速施工桥梁相当于装配式桥梁，ABC 桥梁与传统现场施工的桥梁相比，主要具有以下几点优势：（1）由于大量采用预制构件，运输到施工现场进行快速拼装，最大程度地减小桥梁施工对现有交通的影响及交通管制引起的巨大费用。（2）快速施工桥梁的总造价取决于预制装配化的程度。结构的预制装配化程度越高，桥梁的总造价就越低。当综合考虑除桥梁结构以外的工程造价和后期使用阶段的养护维修费用，快速施工桥梁的经济性更佳。

3、（3）快速施工桥梁可最大程度地减少工人现场施工的工作量，增加施工现场的安全性。（4）减少重型施工机械的数量和重型施工机械在施工现场停留的时间，保护自然环境。（5）工业化的生产模式，提升结构构件和成桥的整体施工质量，同时对损坏的构件进行替换更为简便。1 快速施工桥梁的组成快速施工桥梁的组成包括上部结构、下部结构以及连接系统。预制构件在工厂预制生产，一般可按上下部结构将其划分成基础、桥墩或台身（单个或多个节段）、盖梁、主梁及桥面系等预制构件，通过连接构造或连接件进行拼装。1.1 上部结构1.1.1 主梁预制主梁有板梁、多室小箱梁、混凝土倒T 梁、双T梁、组合式T形梁、预应力混凝土马蹄形T 梁等几种

4、形式。（a）预制实心板梁(b)预制空心板梁(c)预制T梁(d)预制双T（）梁(e)预制组合式T梁图1 预制主梁形式（1）预制实心板梁。实心板梁适用于跨径 20 m的小跨径桥梁，通常用于三跨以下的桥梁。在浇筑铺装层前将板梁的表面凿毛，以利于两者之间的粘结。桥梁的纵向用剪力键连接，不张拉预应力。为了防止横向和纵向发生梁体的滑移，在梁端设横向和纵向防滑块。（2）预制空心板梁。空心板梁可用的跨径范围比较大，但是它有纵向接缝，相对成本更高。这种主梁不用现浇混凝土面板，但是为了减轻纵向接缝的泄漏和耐久性问题，可以浇筑铺装层和张拉横向预应力钢束。小箱梁的纵向也可以张拉预应力，以用于更大跨径的桥梁。（3）预制

5、倒T梁。倒T 梁的横截面是底部带有翼缘的矩形截面，翼缘起着支架作用。2 片倒T 梁并排在一起，翼缘形成通道。2 片主梁伸出来的弯起钢筋在通道里发生交叉，在通道中放置钢筋笼后进行现浇。虽然这种主梁可以大大提高施工速度，但是实心截面不能充分利用混凝土。（4）预制多T梁。根据梁体宽度的需要，将梁预制成截面为双T梁、三T 梁甚至是四T 梁的形式。德州的多T 梁通过焊接锚板加灌浆进行连接。美国东北PCI 的标准，对主梁翼缘伸出的蘑菇头加强钢筋位置进行灌浆，实现相邻主梁的连接。（5）钢混组合梁。钢混组合梁在美国运用较多，由预制好的钢梁和混凝土面板组成，混凝土面板在施工现场通过高性能混凝土来完成横向和纵向连

6、接。当混凝土面板与钢梁共同作用后，再进行纵向预应力钢束的张拉。1.1.2 预制桥面板预制桥面板的主要类型有：全高预制桥面系、半高预制桥面系、钢混组和桥面系、纤维聚合物混凝土桥面板、钢质开口格构式桥面系、木质桥面系。（1）全高预制桥面系。为传递板单元的剪力和弯矩，相邻两预制板单元在强度方向设置一个早强现浇铰接缝即可；在分布方向，则采用灌浆剪力键和纵向预应力。桥面板和钢梁或混凝土主梁的连接，通过剪力连接件来实现。（2）半高预制桥面系。在预制桥面板搭设后，需现浇一层混凝土。两者之间通过预制面板凿毛即可连接。为让桥面板和钢梁或混凝土梁作为一个整体工作，两预制板单元的间隙设置焊接剪力钉，在浇筑顶层混凝土

7、时完成混凝土的缝隙填充。（3）钢混组和桥面系。钢混组合桥面系分成部分填充格构桥面和Exodermic桥面2 种。部分填充格构桥面板在钢格构桥面放置后，在其上半部分浇筑混凝土。Exodermic 桥面钢格构上的混凝土是预先放置的。桥面板之间通过螺栓或焊接连接，和主梁的连接与全高预制桥面板相似。（4）纤维聚合物混凝土桥面板。纤维聚合混凝土桥面板常用的纤维有玻璃纤维和碳纤维。纤维聚合物的弹性模量相对较低，但满足桥面板要求。桥面板单元之间的连接通过剪力键连接，既通过焊接剪力钉或螺栓与钢梁连接, 又采用高强环氧胶结剂连接。（5）钢质开口格构式桥面系。钢质开口格构式桥面板常用于需要轻质桥面系的可移动桥或者

8、悬索桥。这种桥面系是一个框架体系，由搭在梁之间的主杆单元和平行于梁方向的横向交叉单元组成。相邻预制桥面板、桥面板与主梁的连接通过螺栓或现场焊接进行连接。（6）木质桥面系。预制的木质桥面板用胶覆膜工艺生产，木质桥面板的防腐通过压实来实现，板单元间的连接采用防水的胶结剂。木桥面板间的连接通过在中间板厚处设置钢销钉，并在主梁间设置传力梁。为了防止上覆盖层出现反射裂缝，在铺装层和桥面板间设置一层土工织物。1.2 下部结构( 1) 桥墩盖梁。盖梁的截面形式主要有两种，分别为矩形与倒T 型。如果桥梁宽度较大，或者是吊装能力相对较弱，则可将盖梁预制成多个分段，然后进行分别连接。对于盖梁和墩身立柱之间的连接，

9、通常会选取机械耦合连接器; 盖梁和钢排架桩墩之间的连接通常选取焊接方式; 盖梁和排架空心管桩之间的连接，需要把钢筋设置在预留孔道当中，然后通过混凝土浇筑完成连接; 盖梁和混凝土排架桩墩之间的连接，需要先在盖梁上预留一定空间，然后在连接完成后进行混凝土浇筑。( 2) 墩柱。快速施工桥梁墩柱一般预制成全高或者是分段形式拼装，截面的形式较为多样，主要包括矩形、圆形与工字型等。墩柱的连接方式主要有三种: 其一为将墩柱嵌入至墩帽当中；其二为借助灌浆耦合器；其三为采取预应力筋连接。为确保盖梁和墩柱连接牢靠，应根据现场实际情况选取最佳的连接方式，可选方式有: 承插式连接，灌浆套管以及波纹管连接等。对于墩柱和

10、承台之间的连接，大多会运用现浇连接法。在海洋工程当中，应结合高桩采用有效措施保证连接可靠性。( 3) 桥台悬臂桥台。按挡墙高度可将桥台分为两种类型，即为高挡墙与低挡墙。其中，低挡墙桥台主要安装于路堤上端，长度相对较小，用于阻挡上部土壤。而高挡墙桥台主要安装于高路基边坡，桥台和承台之间存在凹槽，在凹槽处完成桥台和承台之间的连接。预制埋置桥台。运用这种桥台可大幅降低土压力，若不考虑结构物所处位置，则预制埋置桥台与桥墩是较为相似的。此外，在之前提到的墩柱连接方式也可在此桥台中使用。( 4) 基础。相比之下，混凝土空心桩有着很好的经济性特点，但其整段长度较大，会受到运输条件等方面的影响，因此在实际情况

11、中可将其分为多个节段再进行拼装。1.3 连接系统( 1) 灌浆套管。灌浆套管为全新的钢结构连接方式，其原理为在套筒和被连接钢材之间的环形间隙中填充一定量的灌浆料，进而实现钢材连接。为有效提升黏结强度，减少重叠距离，可适时采取改进措施，如预应力灌浆等。( 2) 机械耦合器。机械耦合器的使用十分广泛，其类型也较为多样，常用的有: 扣压连接器、剪力螺栓耦合器等。3) 金属波纹管。构件当中预先埋置了相应的金属波纹管，在完成钢筋穿束以后实施灌浆，从而实现和预制构件的连接。金属波纹管连接对于锚固长度的要求较为严格，虽然这种连接方式存在一定局限性，但它的结构十分简单，且成本低廉，在实际建设过程中有着广泛的应

12、用。（4）承插式连接通过将预制桥墩的钢筋伸入预制盖梁的钢管内，或者将预制墩柱整体伸入预制盖梁钢管内，之后浇注混凝土使桥墩和盖梁连接成整体。该方法也可用于桥墩与承台的连接以及预制承台与桩的连接。（a）灌浆套管（b）钢筋锚固（c）桥墩与承台承插式连接（d）预制承台与桩连接图2 连接方式2 快速施工桥梁发展2.1 新材料的应用（1）高性能混凝土(HPC)。高性能混凝土由于其抗弯拉压强度高、耐久性好等优点，应用于快速施工桥梁中提高桥梁结构的整体质量、降低预制构件和系统的重量。其次，各种轻质高强混凝土（LWC）在快速施工桥梁也有所应用。（2）纤维增强聚合物(FRP)。抗腐蚀性与抗疲劳性提高的轻质复合材料

13、，是目前结构工程应用中非常需要的。经过十余年的创新桥梁研究与施工方案，FRP 复合材料技术已经成功运用在桥梁结构中。FRP 复合材料应用于预制桥面板或桥面铺装，改善桥面系及铺装的性能，避免桥面裂缝的出现，提高结构的耐久性。（3）形状记忆合金。形状记忆合金在墩柱塑性铰区竖向钢筋中使用，可提升墩柱抗震能力。通过试验对比发现，这种材料可从本质上提高结构抗震水平，并能降低永久残余位移，有着很好的推广与使用价值。2.2 存在的问题2.2.1 试验研究中发现的问题（1）截面破坏形态改变。破坏裂缝形成方式随接缝和荷载位置而变化，且剪切破坏可能以竖缝的形态出现，因而箍筋可能不起抗剪作用。（2）裂缝宽度控制问题

14、。混凝土开裂控制及裂缝宽度估算及控制尚不完善。（3）接缝截面抗裂和耐久性能下降。接缝无骨料贯穿，砂浆层强度低于混凝土，易拉脱；接缝截面的碳化系数、氯离子扩散系数均明显大于无接缝部位；被认为耐久性能相对较好环氧胶接缝，没有显示更好的耐久性能。2.2.2 全桥使用过程维护快速施工桥梁的预制构件按照仿真设计准则设计，这意味着快速施工桥梁的使用性能和传统的现浇混凝土桥梁几乎相同。对于桥面系而言，只要设计施工合理，除了进行传统桥梁的检查维护，其使用过程中无需额外维修。快速施工桥梁很少出现问题，但检查和维护依旧重要。尤其对于结构的连接部位，比如受到湿气和盐分侵蚀的承台与桥墩的连接处，长期作用下很容易发生性

15、能退化。因此，对于这些比较重要的连接部位，需要定期监测，一旦发现问题，及时维护。2.2.3 接头疲劳测试快速施工桥梁的建设中存在大量接头，在某些连接薄弱或缺陷部位容易产生应力集中，导致接头处的疲劳破坏。接头处的可靠程度直接影响快速施工桥梁的耐久性和使用寿命。对接头处的受力分析，进行有限元软件模拟以及必要的破坏实验，研究接头处的受力特性，从而创造或改进接头处的构造，具有十分重大的意义。3 快速施工桥梁抗震性能研究进展桥梁上部结构的震害主要有自身震害，一般为钢结构的局部屈曲破坏；移位震害，即在设置伸缩缝处出现纵向、横向及扭转移位；碰撞震害，桥梁在地震中碰撞产生的震害。对于混凝土连续梁桥，上部结构自

16、身发生破坏的现象较为少见。震害资料表明，墩柱的弯曲破坏和剪切破坏在地震中极为常见。墩柱弯曲破坏是延性的，主要是由于约束箍筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢引起墩柱的延性能力不足；墩柱剪切破坏是脆性的，往往造成墩柱及上部结构的倒塌。故对快速施工桥梁抗震性能的分析主要针对桥墩进行。快速施工桥梁钢筋混凝桥墩的理论分析方法有解析方法、纤维模型、钢筋混凝土实体有限元模型三类，其中解析方法只能从宏观上反映结构在弹性和极限状态时的性能；纤维模型分析方法也只能从宏观上反映结构的变形发展过程和构件中混凝土的开裂压碎及钢筋的屈服。而实体有限元方法除了具有上述两种方法的功能外，还可以反映构件细部的受力变形过程，特

17、别是描述混凝土裂缝的形成和扩展，适合较复杂的结构的受力分析，但是该方法目前存在的问题较多，如计算效率较低，算法不稳定等，仍需进一步研究。对于采用十接缝和胶接缝连接的节段拼装墩进行理论分析的难点主要是预应力筋和接缝区域力学特性的模拟。（1）解析方法解析方法是指通过公式推导得到重力和水平地震荷载作用下，墩顶荷载一位移骨架曲线的方法。该方法突出的优点是可以直接用于设计公式的确定。推导时采用的假设包括：平面变形假设，预应力筋保持弹性，不考虑可能产生的钢筋黏结锚固失效等。（2）纤维模型法纤维单元模型早期是基于力法，现在一般基于位移法的弹塑性纤维梁单元。弹塑性纤维梁单元的基本假定有：小变形假定、平截面假定

18、、同一弹甥性纤维梁单元中截面形状和材料均相同、钢筋与混凝土之间的粘结滑移忽略不计。（3）实体单元法钢筋混凝土实体有限元发展已有40多年的历史，理论上该分析方法可充分考虑混凝土的非线性、预应力筋的作用和节缝的力学特征。采用实体有限单元法进行钢筋混凝土结构的分析，需要对混凝土的应力应变关系和破坏理论以及骨料咬合、钢筋和混凝土之间的黏结滑移关系等作出基本假定。我国目前对节段拼装预应力混凝土桥墩的抗震性能尚缺乏系统研究，应对影响节段拼装预应力混凝土桥墩抗震性能的各种因素，如接缝构造特点、预应力筋的布置形式、数量、预应力的大小、潜在塑性区域的约束构造等开展系统的试验和理论分析研究。其次节段拼装预应力混凝土桥墩结构尚未遭受实际地震的考验，其抗震性能为何，震后的损伤情况，自复位能力怎样还没有得到直接的验证，因此，尚需开展大比例尺节段拼装预应力混凝土结构的实时拟动力试验和振动台试验研究。最后，感谢李老师的精彩讲座！