公路在用桥梁检测评定与维修加固成套技术

2017-05-10 22:58:57      点击:

  公路在用梁检测评定与维修加固成套技术

  完成单位:交通部公路科学研究所,长沙理工大学,长安大学,东南大学,重庆交通大学,江西省公路管理局,广东省公路管理局,四川省交通厅公路局,广西壮族自治区公路管理局,河南省交通厅公路管理局

  主要完成人:张劲泉,李万恒,周建庭,徐岳,任红伟,何玉珊,叶见曙,张建仁,周志祥,宿建,胡钊芳,程寿山,王国亮,郑晓华,王来永

  立项背景

  随着交通运输事业发展,交通运输量大幅度增长,行车密度及车辆载重越来越大,尤其是拖挂运输、集装箱运输、载重货物运输等重型车辆不断增多,特种工程车如矿山运载车、大型平板车亦不时出现。现有公路梁中相当一部分,特别是年代较远低等级梁,已远远不能满足使用上要求。因而,加强梁养护、维修及病危加固,力求充分利用,延长其使用寿命,以满足交通运输发展需要,成为当前国际梁界研究热点。

  开展梁检测评定与维修加固,是保证梁安全服役、促进公路运输科学发展重要举措。正确掌握既有道路上所有结构形式、力学性能、现有状态、潜在能力、安全储备是很必要:一则依可支配资金合理分配,及早进行健康诊治;二则依交通流增长,发展并适时安排后续工程;三则可以应对突发事件(重型超设计载荷、地震、风灾、洪水、车辆船舶撞击等),采取措施及时处理。为此,建立一整套现有梁管理系统,掌握现有梁性能,进行现代化管理显得尤为必要。

  梁检测评定与维修加固面临诸多世界性难题,近十年来,我国和一些发达国家都在致力于无损检测技术,智能检测装置、梁耐久性与承载力评定方法及加固技术研究。上述内容在我国被列为交通部行业科技攻关重大项目课题进行研究。交通部公路科学研究所为课题工程主要依托单位。

  项目开展情况

  “公路在用梁检测评定与维修加固成套技术”项目根据我国公路实际需求,围绕在用梁技术状况与使用功能评价、耐久性状况与承载力评定加固改造、试验检测技术及其关键设备等主要技术内容,组织20多家科研、高校和养管单位,从1983年起,分四个阶段,依托十多个国家级、省部级科研项目和800多座梁进行了系列研究。

  第一阶段(1983—1986年),重点研究了荷载试验方法、试验设备与中小跨径梁进行加固方法;第二阶段(1987—1992年),主要研制了承载力试验鉴定方法、梁技术状况和使用功能评定方法,研发了梁养护管理系统,系统引进了国外无损检测技术并进行了应用方法及其设备国产化开发研究;第三阶段(1993—2000年),着重开展了梁耐久性状况和承载力检测评定方法、大跨径梁加固新材料应用等研究;第四阶段(2001—2005年),依托交通部西部交通建设科技项目,以理论提升、重点突破、集成创新和体系完善为目标,采用产、学、研相结合方式,通过联合攻关与工程示范应用,形成了我国公路养护管理亟需在用梁检测评定与维修加固成套支撑技术。

  研究成果在全国进行了重点推广应用,培训技术骨干1800多人,培育并装备梁检测、加固与养护队伍38个,检测评定和加固改造梁2600多座,节约养护改造资金近26亿元,实现年均新增产值近8000万元。主要成果被纳入《公路涵养护规范》《公路梁加固设计规范》和《公路梁承载能力检测评定规程》等6部标准规范,对提高我国公路梁养护管理水平,推动行业科技进步作出了巨大贡献,具有广阔应用前景。

  2.创建了公路混凝土耐久性检测评价指标体系与评定方法,制定了混凝土材质状况与耐久性检测评定技术指南,研发了具有自主知识产权关键监测、检测与试验设备。

  (1)公路混凝土耐久性检测评价指标体系、评定方法及材质状况与耐久性检测评定指南:以混凝土强度、内部缺陷、表层损伤、电阻率、氯离子含量、碳化深度以及钢筋锈蚀电位、钢筋分布和保护层厚度为主要指标,系统建立了我国混凝土材质状况与耐久性检测评价体系。依据试验对比测试和实体工程验证,通过影响因素试验研究和测试数据归纳分析,研制了各主要指标检测方法、判定标准和耐久性状况评定标度。采用模糊数学评估理论,建立了各主要检测评定指标权重理论模型,在计入环境影响系数基础上,构建了梁部(构)件耐久性状况等级评估方法,并将结构视为由部(构)件组成“串联”系统,基于梁部(构)件权重理论模型和部(构)件耐久性状况等级评估值,创建了结构耐久性综合评价方法,编制了公路混凝土材质状况及耐久性检测

  评定指南。

  (2)关键监测、检测与试验设备:通过引进消化再创新,研制了具有自主知识产权仪器设备8台(套),解决了主要无损检测设备智能化,梁现场荷载试验测试系统车载集成化,在用梁检测平台经济便捷化和混凝土梁裂缝监测仿生化等核心技术。

  3.完善了梁加固设计理论与方法,建立了梁加固质量检评标准和后评估方法,研发了多点弹性支撑、钢筋混凝土套箍和横张预应力加固新技术,制定了公路旧加固成套技术应用指南。

  (1)公路旧加固设计理论与方法、加固质量检评标准和后评估方法:通过总结研究国内外梁加固技术与工程实践经验,首次对旧加固设计内容、步骤与要求进行了明确界定,提出了梁加固基本原则和工作程序。以宏观经济理论与微观经济分析方法为基础,建立了梁加固技术经济指标体系与分析方法。基于效益、技术、影响、发展等因子,构建了梁加固费用与加固寿命系数计算函数模型和梁加固后评价体系,提出了采用加固费用与加固寿命两系数进行梁加固后评价方法,建立了加固工程质量检验评定方法与标准。针对适合梁加固22种方法,从技术特点、适用条件、附力,影响、材料要求、力学特点、设计计算、施工工序和构造措施等方面进行了理论、方法完善与构造、工序和工艺定型研究,制定了《公路旧加固成套技术应用指南》,并在十多个省区166座在用梁上进行了重点示范应用与工程验证。

  (2)多点弹性支撑加固坦拱技术:以新增支承改变原主拱结构最不利截面弯矩影响线、减少原主拱结构最不利截创新点与科技成就项目研究在公路运输管理技术、涵工程、公路运输安全工程等领域完成了一系列重大创新,获得发明专利2项、实用新型专利9项;出版专著7部;发表论文193篇,其中SCI收录2篇,EI收录24篇;培养博士、硕士336名。主要研究成果获第一届(2003年)中国技术市场协会金奖、2006年中国公路学会科学技术一等奖、2008年重庆市科技进步一等奖。1.创建了在用梁承载力检测评定方法、标准与体系,构建了梁承载力评定参数理论模型与计算法,提出了在用梁技术状况和使用功能评价方法,制定了公路梁承载力检测评定和检算分析指南。

  (1)在用梁承载力检测评定方法、标准与体系,评定参数理论模型与计算方法:基于结构影响因素敏感分析,从梁部(构)件缺损状况、结构固有模态参数、材质与耐久性参数和运营车辆荷载等四方面,研制了可检测梁承载力评定指标体系,并首次采用旧检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数和活载影响修正系数,作为梁承载力评定指标表征性评定参数,基于结构设计近似概率理论,创建了梁承载力检测评定方法。

  (2)梁技术状况与使用功能评定方法:基于梁部(构)件缺损形式和发生部位量化评分,采用评定标度以累加评分方式叠加修正缺损程度、缺损对使用功能影响程度和缺损发展变化状况,确定结构部(构)件缺损状况等级评定值;依据梁部(构)件重要程度,采用专家评估和层次分析等方法,建立权重分析模型;以梁部(构)件缺损状况等级评定值及相应权重为函数变量,按照结构组成部(构)件为“串联”系统,构建了梁技术状况综合评定计算模型。

  (3)公路旧检算分析方法:在总结研究已有成果、成功经验和分析研究近360座实检测与荷载试验分析资料基础上,研究制定了在用结构有限元分析在计算图式简化、单元划分、边界条件处理和力学行为模拟等方面相关规定;提出了面铺装参与结构组合、公路旧“温度影响力”和“基础变位影响力”计算原则和计算方法;建立了在用梁板和拱荷载横向分布系数计算原则与方法;制定了考虑拱上建筑联合作用、开裂引起结构内力重分布和连拱效应检算原则与方法;提出了斜拉、悬索和行车道板检算原则与方法;制定了梁墩台与基础检算要点和检算方法,编制了“公路旧结构检算分析指南”。

  面弯矩和偏心矩为出发点,设计构造了保证新、旧结构共同工作预应力弹性支撑结构,提出了基于原主拱结构最不利控制截面影响线函数交叉影响确定支撑区域和最佳支撑位置、结合内力变化情况确定最佳支撑角度多点弹性支撑体系加固大跨度坦拱设计方法,并依托重庆市璧山县三元等加固工程研发了预应力弹性支撑结构安装工艺和多点弹性支撑加固坦拱施工工艺。

  研制多点弹性支撑加固坦拱技术为国内外首创,可提高梁承载力15%以上,较常规加固技术缩短工期近1/3,节约工程造价约15%。

  (3)钢筋混凝土套箍加固圬工拱技术:基于截面增大、套箍效应理论和断裂力学原理,通过试验研究提出了采用钢筋砼套箍封闭主拱圈加固后强度、刚度提高指标和裂缝改善指标,建立了套箍效应系数与套箍厚度之间相关关系式,提出了钢筋混凝土套箍加固拱设计理论与方法,并依托12座梁加固工程进行试验验证,研发了钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱施工工艺。研制钢筋混凝土套箍加固圬工拱技术为国内外首创,可提高梁承载力30%以上,较常规加固方法降低工程造价10%~30%。

  (4)横张预应力加固技术:在自主研发了索夹、张拉杆与可调锚固器组成体外预应力束横张装置基础上,基于梁、索、杆有限位移与变形协调理论,提出了横张点位置设置、张拉杆倾斜度、体外束拉力和砼获得预应力设计计算方法,研发了横张预应力加固梁构造细节,并通过在四川滎经大等加固工程试验研究与示范应用,建立了混凝土横张

  预应力加固体系与方法。

  研制横张预应力加固方法为国内外首创,克服了传统体外束加固因增设转向决而降低梁负载和转向摩阻问题,降低了体外预应力加固对张拉设备、空间位置及张拉工艺要求;节约工程造价约30%,技术经济优势明显。

  2005年交通部科教司组织业内专家对该成果进行了鉴定,专家一致认为:首次采用旧检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数和活载影响修正系数,构建了旧承载力评定方法、标准与体系,创建了公路混凝土耐久性评价指标体系与评定方法;首次对旧加固设计内容、步骤与要求进行了明确界定,提出了梁加固基本原则,形成了一套完整梁加固后评价体系;研制相关监测、检测与试验设备具有自主知识产权,性能达到当前国际上同类产品先进水平;制订检算分析指南,为开展旧承载力检算分析工作提供了技术支撑;编制技术指南与示范工程实例能够全面指导梁检测评定加固生产实践;成果成功应用于全国10多个省市近130座旧,产生了显著经济效益和社会效益,总体上达到了国际领先水平。

  成果推广与应用

  项目采用在研究中推广和在推广中研究方式,先后在参研单位所在10多个省区进行了技术推广应用,完成了2600多座实检测评定与加固技术改造工作。2006年起,项目作为交通部西部交通建设科技项目重点推广项目在全国进行了技术推广应用,节约梁养护资金近26亿元。推广期间,编著了4本公路旧检测评定与加固技术丛书,举办了30多期技术培训班、培训技术骨干1800多名培育并装备38个梁检测、加固与养护队伍,为4个专业检测机构装备了荷载试验测试车,销售了轻型可移动拼装式梁检测工作架、混凝土超声波检测装置、智能钢筋保护层测量装置和钢筋锈蚀综合检测装置等200多台(套)。近五年为项目承担单位创造了约4亿元直接经济效益。

  项目主要研究成果已被纳入了《公路养护技术规范》《公路涵养护规范》《公路梁加固设计规范》《公路梁加固施工技术规范》《公路梁承载能力检测评定规程》(报批稿)和《公路梁技术状况评定标准》(报批稿),促进了公路在用梁检测评定与维修加固成套技术在我国公路行业普及与推广应用,有力地推动了公路行业科学技术进步。截至2008年底,我国公路已有57万多座在用梁,其中约有10%梁由于环境和荷载等因素作用,其耐久性与安全性有所下降,急需开展检测评定与加固改造工作,本项目成果为开展这一工作提供了强有力技术支撑,应用前景广阔。从2004年起,本项目成果被交通部列为西部干部培训计划。

  社会效益

  维修与改造是近年来各省公路养护管理部门重点工作,该技术为这项工作提供了强有力支持,促进了旧检测评定工作规范化,加固改造技术成套化;在消除梁安全隐患,延长梁使用年限,节约梁建设资金,保证公路畅通方面发挥了非常积极作用。

  项目为公路行业提供了成套实用技术,主要成果纳入了梁养护、检测评定与加固等技术规范,推动了行业科技进步。通过推广提高了梁养护管理和加固改造水平与质量,维护了梁安全运营,延长了使用寿命,保障了路网畅通与安全,为人民群众安全便捷出行和巩固国防建设起到了支撑作用;实现了梁养护投资、维修加固科学决策,降低了养护成本,保护了生态环境;培养了大批技术人员,提高了从业人员科技素质,社会效益显著。