高速公路改扩建既有桥梁综合利用技术.pdf

1、陈艾荣陈艾荣 教授教授同济大学土木工程学院同济大学土木工程学院高速公路改扩建既有桥梁综合利用技术主要内容绪论1桥梁景观营造与提升53结语改造方案决策方法与关键构造4改建结构性能分析、监测及评估技术2主要内容绪论1桥梁景观营造与提升53结语改造方案决策方法与关键构造4改建结构性能分析、监测及评估技术2绪论 根据2017年交通运输行业发展统计公报统计，截至2017年末，全国公路桥梁达83.25万座，其中特大桥梁和大桥合计96423座，占11.6%，其余的88.4%都是中小跨径桥梁，占据了绝大多数。这些中小跨径桥梁目前面临着各种问题：设计荷载等级难以适应目前的车辆荷载 与（特）大桥相比，管养工作相对

2、不足 已有较长服役期，出现各种耐久性问题 中小跨径桥梁“体型小”，但“数量多”，对其性能状态的关注和提升将促进整个桥梁行业的健康持续发展绪论常见方式：拆除新建拆除新建拆除拆除新建新建环境影响缺环境影响缺乏乏定量评价定量评价弯剪理论值弯剪理论值不满足不满足现行现行规范规范现状现状车辆荷车辆荷载水平载水平未知未知梁板梁板剩余寿剩余寿命命未知未知绪论拆除新建存在多个弊端应合理利用既有桥梁，减少浪费浪费资源浪费资源增加造价增加造价延误工期延误工期污染污染环境环境拆桥的弊端如何避免或减少拆除？桥梁综合桥梁综合利用技术利用技术充分利用既有桥梁旧桥拼旧桥拼宽利用宽利用绪论在交通强国战略和美丽中国建设的大背景

3、下的桥梁改扩建的新思考 桥梁改扩建后的景观需求与提升方法？绿色发展理念下的既有桥梁结构如何有效地综合利用？从结构安全和耐久角度如何确保既有结构与新建结构性能的协调？如何进行利用既有结构改造的新桥性能分析、监测和评估？如何形成公路桥梁改扩建的新标准和新规范？主要内容绪论1桥梁景观营造与提升53结语改造方案决策方法与关键构造研究4改建结构性能分析、监测及评估技术2桥梁景观营造与提升以当今的审美需求来看，早期建设的高速公路中小跨径桥梁在景观方面存在着较大的提升空间；结合旧桥改扩建进行桥梁景观质量提升正逢其时。桥梁景观营造与提升 在特定环境，例如山谷地形，保持相同的梁体高度能有效保证主梁线形的视觉流畅

4、 根据桥墩的高度调整主梁跨度，保证较好的景观效果达到桥梁和环境和谐统一的目的！达到桥梁和环境和谐统一的目的！桥梁景观营造与提升 景观协调的等梁高梁桥的桥墩顺桥向宽度与梁体高度的比值要求：采用实体护栏时宜为1/41/2 采用通透护栏时宜为1/22/3实体护栏梁桥通透护栏梁桥桥梁景观营造与提升 不同情况下的桥台适宜布置图示 露出地面较少的情况（0.5d）对于露出地面较多的桥台，宜消减桥台的视觉体量。桥台体量削减对比示意线面分割处理材质处理 桥台的视觉体量宜与梁体视觉体量相协调桥梁景观营造与提升桥台视觉体量较大桥台视觉体量适中 护栏的形态选择应综合考虑梁体视觉高度及视觉体量需求梁体视觉高度及视觉体量

5、最大减小梁体视觉高度及视觉体量的方法桥梁景观营造与提升公路桥梁景观设计规范中华人民共和国行业推荐性标准Guidelines for Landscape Design of Highway BridgesJTGT 3360-03-2018JTG 主要内容绪论1桥梁景观营造与提升53结语改造方案决策方法与关键构造4改建结构性能分析、监测及评估技术2改造方案决策方法与关键构造荷载荷载等级等级试验试验研究研究数值数值分析分析经济经济分析分析确定采用现有规范的哪种荷载旧桥目前的状态如何设计计算具体实施方案改造改造方案方案人文生态成本改造方案的决策流程改造方案决策方法与关键构造要保证选用的荷载等级符合旧桥

6、实际的交通流量，即“既有中小跨径旧桥部分荷载适应性”实际车辆荷载模型建立实际车辆荷载模型建立 现场调查车辆荷载数据 现状车辆荷载模型建立 100年设计基准期车辆荷载模型建立车辆荷载适应性评价车辆荷载适应性评价 现状车辆荷载标准值效应对比分析 100年设计基准期车辆荷载标准值效应对比分析 车辆荷载适应性评价改造方案决策方法与关键构造 如何选择荷载：以济青高速公路汽车荷载适应性研究为例采用淄博高速收费口2015年全年的数据，有效样本2188185辆。车型车型总重（总重（t）标准值（现状）标准值（现状）标准值（标准值（100100年设计基准期）年设计基准期）样本最大值样本最大值2 2轴车轴车7.47

7、.417.417.428.33 3轴车轴车25.425.434.334.346.64 4轴车轴车38.638.646.446.458.45 5轴车轴车46.546.552.752.773.46 6轴及以上车轴及以上车55.155.161.561.598.2备注：标准值取荷载模型概率分布备注：标准值取荷载模型概率分布0 0.9595分位值分位值，样板最大值取实测汽车最大重量样板最大值取实测汽车最大重量。不同轴数汽车荷载的标准值和样本最大值改造方案决策方法与关键构造根据荷载效应计算和对比，选择最合适的荷载等级：公路公路I I级级汽车荷载模型汽车荷载模型与公路与公路I级荷载效应对比级荷载效应对比支点

8、剪力支点剪力跨中弯矩跨中弯矩现状现状0.450.450.650.650.50.50.60.6100100年设计基准期年设计基准期0.750.751.251.25备注：备注：100100年设计基准期的效应比值年设计基准期的效应比值小于车道荷载分项系数小于车道荷载分项系数1 1.4 4。不同跨径简支梁桥跨中弯矩不同跨径简支梁桥支点剪力100年设计基准期汽车荷载效应对比 如何选择荷载：以济青高速公路汽车荷载适应性研究为例改造方案决策方法与关键构造 通过试验确定旧桥当前的性能状态 现场实桥试验 构件室内试验 材料性能试验等材料性能试验 混凝土及钢筋技术状况单板承载力试验 极限抗弯承载力 破坏形态现场实

9、桥试验 整体与单板关系 横向联结性能改造方案决策方法与关键构造 根据交通量需求和既有桥梁现状，初步选择改造方案 增设整体化层 拼接拓宽：单幅？双幅？新建双向4车道+双向4车道旧桥=8车道松浦大桥：旧桥拓宽为6车道增设整体化层改造方案决策方法与关键构造 进行必要的有限元分析，预测每种改造方案的预期效果 针对济青高速公路改扩建中采用的整体层改造方案整体化层厚度（cm）铰缝状态0，8，1，12，15完好、部分损失、完全损失分析不同整体化层厚度的效果功能安全舒适耐久成本建设成本养护成本寿命期成本生态材料能源环境文化景观风俗历史 合理的方案还需要考虑：综合上述各种因素，对改造方案做出决策改造方案决策方法

10、与关键构造 对比有限元计算，优化加固改造结构计算模型 案例：整体化层加固后空心板梁横向分布计算方法不考虑整体化层铰接传力模型考虑整体化层铰接考虑整体化层刚接传力模型考虑全桥刚接传力模型整体化层受力的不同计算假定1#横向分布系数4#横向分布系数6#横向分布系数2#横向分布系数有限元模型 与 假定计算模型加加固固改改造造结结构构计计算算修修正正方方法法改造方案决策方法与关键构造 进行构件试验，对比改造方案效果与结构失效模式预测 分析不同整体化层厚度对铰缝抗剪抗弯承载能力的影响铰缝抗弯试验铰缝抗剪试验不同厚度 抗剪开裂荷载与极限荷载不同厚度 抗弯开裂荷载与极限荷载不同厚度 抗弯失效模式改造方案决策方

11、法与关键构造 进行关键机理试验，优化加固改造技术细节 分析不同构造条件，整体化层工作机理与连接性能连接机理试验高精度试验测试手段（DIC技术）交接面失效机理（场域位移捕捉）012345024681012破坏荷载Vmax(t)拉毛深度H(mm)连接性能参数回归主要内容绪论1桥梁景观营造与提升53结语改造方案决策方法与关键构造研究4改建结构性能分析、监测及评估技术2改建结构性能分析、监测及评估技术改扩建桥梁涉及既有梁板结构的安全性和耐久性、拼宽构造可靠性、下部结构变形协调以及加固措施长期有效性等问题，应建立相应的性能分析方法。应用既有梁板改扩建新桥的设计使用年限确定 既有梁板的安全性和耐久性分析方

12、法 拼宽构造的长期性能分析方法 新旧桥梁下部结构长期变形性能分析方法 加固措施长期性能分析方法改建结构性能分析、监测及评估技术改建旧桥的长期性能应通过有效的监测数据来验证其理论分析方法的正确性。中小跨径桥梁常见监测内容和位置 可直接测量的项目：采用常规传感器，直接获得数据并进行后续分析中小跨径桥梁常见监测内容改建结构性能分析、监测及评估技术中小跨径桥梁非接触式监测新技术例：车辆荷载的监测与（特）大型桥梁不同，中小跨径桥梁受管养成本的限制，一般不会安装WIM等车重实施监测设备 如何解决？根据效应反推荷载！基本思想：车辆荷载对桥梁造成的效应是可以直接获取的 从“效应荷载”，需要一个事先训练好的人工

13、神经网络模型 该模型可根据大量已知的“荷载效应”数据反复训练得到效应算法荷载改建结构性能分析、监测及评估技术 采用“计算机视觉+深度学习”的方案 先“教会”计算机如何判断什么是车，是哪一种车 而后计算机将从视频中自动识别出车辆、车速、轨迹改建结构性能分析、监测及评估技术有了监测数据，如何评估改造后桥梁的性能状态，并建立与之相适应的一系列标准和规范？针对既有桥梁改造的桥梁性能状态评估标准化流程作用结构效应性态指标目标新的荷载等级新的结构形式监测数据指标的要求性态的表征新的结构行为改建结构性能分析、监测及评估技术全寿命智能化信息协同管理为改扩建桥梁管养提供支撑桥梁要素数据全生命周期标准化基于BIM+GIS的桥梁全寿命智能化信息协同管理云平台主要内容绪论1桥梁景观营造与提升53结语改造方案决策方法与关键构造研究4改建结构性能分析、监测及评估技术2结语济青高速改扩建工程已经开展了一系列的有益实践；结合改扩建提升公路桥梁景观，促进美丽公路建设大有可为；考虑绿色发展理念，宜对既有桥梁结构进行综合利用；从结构安全到耐久，既有桥梁结构、构件与新建结构的有效衔接，需要研究可靠的新结构与新构造；对于利用既有结构或构件改造的公路桥梁应建立有效的监测与评估方法，以获得实际车辆荷载、结构性能状况，并实现有效预警；为指导后续公路桥梁改扩建，应建立相应的标准和规范。