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细节决定寿命——设计和结构细节为桥梁寿命与养护带来的影响 ... ...

2020-5-22 09:46
原作者: 桥梁杂志 来自: 桥梁杂志 收藏 分享 邀请

【52监测网讯】任何暴露在室外、历经各种气候洗礼的建筑物,都不免会受到风吹雨打、冷热交替的影响,悬崖峭壁就是典型的例子。

英国克里夫顿悬索桥

任何暴露在室外、历经各种气候洗礼的建筑物,都不免会受到风吹雨打、冷热交替的影响,悬崖峭壁就是典型的例子。导致岩石结构损坏的过程一般为:被风力驱动的雨水会穿透岩石或渗入多孔伸缩缝,冻结并使石头碎裂。建于公元1092年的杜伦大教堂(Durham Cathedral)就是典型的例子。据说,这座古建筑的养护史至少已有50多年,当局采用脚手架在其周围进行修复,这可能是多数大型古建筑最终需要面临的局面。那些没有得到持续性养护的结构,由于年久失修,一部分甚至已沦为废墟。

结构基础的性能,必须被视为结构使用寿命的决定性因素之一。无论是扩展式基础还是桩基础,设计的坚固性通常可以避免基础的破坏,但地面条件本身可能导致材料失效。在将土壤力学理论应用于基础之前,结构是否可以直立需反复试验。人们对软土地基、岩石及桩基础的了解主要基于局部知识,而非理论。通常在有沼泽的情况下会使用桩。桩最易损坏的部分是靠近表面的一小部分,该部分对润湿和干燥最为敏感,因此,只要对其进行保护,就能延长桩的寿命。

图1 杜伦高架桥

英国过去曾使用另外一些天然材料“柳条绳索垫和绵羊毛”。英国的铁路建设时代需修建大量高架桥,这些高架桥通常用岩石、砖头或二者混合建造。在沼泽丛生的环境下,以柳枝编织垫子,铺上羊毛作为撑挡,并在此基础上建立拱结构较为常见。杜伦高架桥(图1)位于伦敦至爱丁堡的主干线上,便是以这样的基础结构为人所熟知,这座铁路桥从1856年就开始投入使用,历经150多年,仍然在见证干线火车的交替往来。

桥梁的寿命取决于什么?

如果我们将同一理论延伸至桥梁,那么近代最古老的桥梁当属铁路桥。铁路桥通常是由砖或石头建成的拱形结构,或用锻铁、铸铁制成的梁桥和桁架结构。

拱桥的寿命

拱桥的本质是基础牢固。不幸的是,英国和世界上其他地区铁路繁荣时期所兴建的铁路桥,并未满足这些条件。英国的铁路主要在1840年至20世纪初建造,用来连接各大工业城市,路线上的建材可能会发生变化,因此基础的沉降导致拱变形,从而降低了拱的承载能力,并导致拱顶变形失效。

在那个年代,拱桥由工匠建造,在很大程度上没有使用现代工程学的标准设计。拱的尺寸由泥瓦匠估算,这些泥瓦匠在没有理论基础的情况下,处理了制图员准备的图纸。

已有研究表明,砖石拱和现代混凝土材料在性能方面持久可靠。

金属桥的顽症

随着铸铁和锻铁技术的进步,能够承受拉力的钢也应运而生。

随着铁路负荷的变化,那些当年未按照现代水平设计的桥梁,都开始依照现代规范进行评估,许多桥梁的评估结果远低于现代标准。评估的主要内容是检查桥梁的整体状况。

检查发现,这些桥梁经常在相似的部位出现腐蚀。发生腐蚀最严重的情况通常位于支座处(该处剪力达到最高),或位于最大翼缘张力点的中跨处。梁和桁架的细节构造中,几乎总能发现存积水、树叶或其他碎屑的角落。通常,这种情况发生在垂直加劲肋和底部凸缘的交界处,或在桁架构件汇合处。

此类腐蚀带来的经验教训是,如果对这些地方进行定期和频繁的清洁,则可延长桥梁的使用寿命。

桥梁寿命终结的定义

一旦更换成本小于维修成本,我们就可以认为,某个结构已经达到其使用寿命。

更换的替代方法是减少桥梁的功能,比如把公路桥改为人行天桥,这样,旧桥的使用意义就得以继续存在。

腐蚀是决定钢桥使用寿命的关键因素。关键区域的断面通常很难修复,从理论上讲,它们承受的压力很大,而缓解压力却不易,这使得更换桥面成为佳选。

现代桥梁的问题

然而,现代材料结构的设计和细化是在高速公路扩建早期进行的,当时人们对现代材料结构的长期特性知之甚少,也不清楚它们会如何变质。

混凝土曾经被认为性能达到永久性,已经经历了碱-二氧化硅反应、碳化、氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀和高岭土侵蚀,这些只是较为常见的例子。

钢结构的损坏有多种方式,而这些方式通常无法通过肉眼立即检测到。因此,必须使用仪器对桥梁进行监控。应变片可以检测应力状态,染料渗透可以检测焊缝中的裂缝,疲劳裂缝的程度可以通过使用声发射监测(AEM)感应,其中每次产生裂缝程度应力的反向可以通过“连续的监测被听到”。对于难以入内的封闭结构,其状况可以通过空气采样确定。使用远程光学或视频记录仪器通过孔口查看,也可观测封闭结构的状况。

大多数现代桥梁在其结构中,均采用混凝土作为支撑,桥面由钢筋混凝土或预应力混凝土或钢-混凝土制成。人们普遍认为,桥面伸缩缝是充分密封的,因此,没有尝试保护梁座或支座架上的混凝土材料。

由于机动车的增加,越来越多更现代化、驾驶速度更快的汽车问世,在道路上撒盐、防止冬天路面结冰的做法愈加普及,盐中的氯离子转移至钢筋中,改变了其化学环境,导致钢腐蚀,并破坏混凝土表层。

我们以英格兰中部地区一座高架道路的上梁作为案例。试验时,我们对现有平顶上梁进行改进,方法是在顶面上添加砂浆层,顶面落下,使积水得以流出。通过计算得知,修复成本非常高。但结果表明,上梁的状况仍然良好,而其他平顶的上梁则遭受了氯离子渗透的所有负面影响。如果顶部从一开始就被设计为可排水的结构,此类支出便可避免。

桥面伸缩缝密封的重要性

在高速公路兴建的热潮前,人们几乎没有重视过桥面伸缩缝的密封问题。大跨度铁路桥通常为拱桥,没有伸缩缝。钢结构桥梁的露天桥面有伸缩缝,但高速运行的列车无法感受到它们的问题。然而对于公路桥,轮胎在行驶过伸缩缝时会产生噪音,且掉落下来的碎屑会使伸缩缝无法关闭,因此,带有伸缩缝的公路桥并非理想设计。(如图2所示)。

图2 桥面伸缩缝漏水的后果

人们为追求不泄漏的伸缩缝,许多设计应运而生,这些设计取决于桥面的预期位移。在英国,这些设计已被英国交通部BD 33/94(1994)标准所涵盖,该标准建议埋入的伸缩缝小于20mm,沥青的插接伸缩缝范围为5mm至40mm,缩口浇注的密封胶为5mm至12mm,小于埋入式伸缩缝。根据其设计,使用5mm至40mm的预制压应力封接进行打孔,并在其上方打上专有伸缩缝。

设计工程师以当时可用的材料设计了各种方案。在高速公路桥梁的兴建早期,设计师将用于固定表面的角钢用螺栓固定在桥面上,并在缝隙中加入了密封剂;尝试使用环氧树脂混凝土保留表面,并在缝隙中添加密封剂;但纤维混凝土的尝试没有获得成功。

“沥青塞伸缩缝”(APJ)可谓上世纪70年代后期的成功案例,通过在沥青粘合剂中添加聚合物(其在夏季稳定但在冬季具有弹性),因此非常适合用作桥面伸缩缝。

APJ有弊端,因此后来出现了改良。“橡胶弹性金属流道”桥面伸缩缝为较大的桥面伸缩缝位移而研发,但其缺点在于,将框架固定在桥面的螺栓会逐渐松动。将“橡胶弹性金属流道”与混凝土聚合物缩口相结合的做法,在很大程度上取得了成功,但其性能取决于缩口安装工艺。(如图3所示)。

图3 金属流道失效以及缩口的修理

然而,桥面伸缩缝的养护,尤其是清除长期堆积的砂砾,对于其使用寿命至关重要。因为随着环境温度的季节性升高,任何被困的砂砾都会压实并阻止伸缩缝在关闭时正常运行,很多情况下会造成伸缩缝的损坏。

拥有较大桥面位移的伸缩缝本身就是一个有趣的议题。这些伸缩缝的目的是为通行车辆提供光滑的行驶表面,同时控制流过的水,通过发挥其水槽般的效力,使水流走。伸缩缝制造商有着各种不同的伸缩缝设计,且涉及各种原理。

桥梁支座的使用寿命

在高速公路桥梁早期的设计中,小跨度桥梁结构具有自由端和固定端,以适应温度膨胀和纵向收缩,但经常会忽略桥比其跨度宽的事实。且由于超出设计位移而使弹性支座发生故障或移位,从而导致支座开裂或桥体从其原始位置移动。将支座恢复到原始位置是三四十年后的一项主要工作,通常涉及整个桥面的抬升。

滑动支座通常由一层粘结在钢基底的聚四氟乙烯(PTFE)组成,该PTFE层也可以在一块抛光的不锈钢板上滑动,后者也粘结在钢基底上。

这种支座的有限寿命,可从它们经历的循环次数和行进距离得知。可以通过给支座加脂来延长使用寿命,但磨损仍不可避免,须更换支座。这涉及到桥梁抬升,其成本可能远远超过更换支座本身,因此,设计阶段进展得越轻松,将来的成本就越低。

如何协调设计与施工

长期设计的需求和构造方法之间,经常发生冲突。承包商要求更改或简化设计细节,以适合其施工方法的情况并不少见,因此,如果设计师利用自身经验,详细说明其结构以易于建造,将减少施工人员要求更改设计以及必须在施工过程中重新设计的需求。

因此,应考虑对桥梁各元件进行预制。除无法简化的复杂结构,大部分桥面皆可进行预制。预制梁是正常行为,但如果适当细化,也可以预制隔板。主要难点在于将隔板连接到主体结构,使其成为桥的组成部分。此举的优点是减少了对工艺的依赖,并减少了现场施工时间。欧洲设计标准EN4(2005)允许将剪力连接器集中在一起,从而为预制整个桥面宽度的复合混凝土桥面打开大门。

初始成本与长期养护成本比较

在没有任何养护措施的情况下,结构的使用寿命无法超过其设计寿命。

我们必须对钢结构进行喷涂,应对桥面伸缩缝失效、支座磨损。尽管设计师尽了最大努力,混凝土仍然可能变质。英国交通部BD 36/92(1992)标准就评估比较了钢结构和混凝土结构的养护成本。

在桥梁预留了维修通道、顶升桥面相对简单的情况下,更换支座不是问题。特别对英国而言,长期以来,应该在原始设计中规定未来更换支座的要求。但是,如果桥梁没有预留维修通道,成本就会上升。

例如,上世纪70年代,英格兰南部某河口建造了一座大型高架桥,其PTPE粘结在不锈钢滑动支座上。由于建造桥梁时没有考虑到支座的更换,因此,更换支座的费用超过200万英镑,其中,支座成本仅为2万英镑。

在设计能够持续使用120年的桥梁时,我们必须承认,在其使用寿命的某个阶段,须将桥梁抬升以进行更换;或者须使支座的使用寿命达到120年。

还有一种需要考虑的方法,是改变支座设计的理念。通常,支座的设计应符合规范或标准所允许的应力,但这会将所选材料的应力级别设置为最大值;另一种方法是通过增大接触面积以减小应力,使支座设计超过安全标准设计,这样做的结果是增加了首次购买支座时的成本,但可节省支座的更换成本。


如何延长桥梁的使用寿命

我们在过去几十年中积累了丰富的经验,在延长桥梁使用寿命方面做了很多工作,但细节上还有可以改进的地方。

关于混凝土桥梁,当前的混凝土规范试图通过增加覆盖层,消除由碳化引起的钢腐蚀;规范中规定了骨料和水泥种类,以避免碱-硅石反应;规定亦禁用氯化钙等对混凝土有害的添加剂。

除此之外,经常遭受氯化物或其他外部侵蚀的混凝土裸露区域,通常会覆盖一层防止氯化物或其他有害物质进入的层。这些层既可以是施加到混凝土裸露区域表面的阻挡层,也可以是施加到表面并渗入混凝土形成阻挡的液体层。

过去已有证据显示,用砖砌或其他陶瓷材料覆盖混凝土,可防止雨水或地表水渗透,以保护结构混凝土,尽管其本身可以承担一定的养护责任。

桥面边缘的横梁可以覆盖有玻璃增强塑料面板等的环境屏障,以保护桥面免受氯化物的侵害,但是这种覆层应易于更换,否则将成为养护方面的负担。

桥面应在墩台上连续放置,以消除对桥面伸缩缝的需求,并且桥台应根据跨度或偏斜情况,酌情设计为整体或半整体式。

桥面应平坦且有轮廓,以防止积水。

对于结构体系桥梁,通常可以使用上文所述的所有方法来处理与复合材料桥梁相关的混凝土桥面,但应对钢结构本身进行详细说明,以防止积水或残片堆积,也包括筑巢的鸟类。

除非使用耐候钢,否则腐蚀防护十分必要,但某些区域的桥梁比其他地区的桥梁更容易受到腐蚀,因此应特别注意腐蚀防护,如增涂油漆层。

在不利环境或在桥梁中难以靠近的位置(可能位于同一位置)中,应考虑将整个桥面覆盖在玻璃增强塑料或类似材料中,以提供环境屏障和永久性检查通道,这又需要对桥面自身的设计寿命进行养护。

细节构造的重要性

了规范和标准中的规则外,还有一些规则。如果能将这些规则作为指导,则可确保桥梁的长期使用寿命和无故障寿命。这些规则包括——

假设有水进入,将水放出

不要仅依赖一个代理;假设第一个代理可能失败,要有备选代理

例如,假设密封将失效,应提供一条通道,吸收通过密封漏的水

细节支座具有滑动表面,使最容易受到砂砾损坏的表面置于最上

细节支座,易于更换

在较低应力下,应将钱花在较大的支座上,以延长更换支座的寿命

尽可能通过整体式施工,完全消除支座。

简单养护的重要性

重复简单的辅助性养护可以避免大规模养护,也可将大规模养护的发生推迟很长时间。规模较小的养护包括——

定期清洗支座

每年灌浆季节过后清洁排水沟

每年检查变形接缝并去除砂砾

在闭箱中提供排水装置,以将水排出

冲洗外部加劲肋

局部修凃油漆

防止鸟类筑巢,或在完成养护后将鸟巢移走


大型养护计划

可预见的大型养护内容是更换支座和桥面伸缩缝,因此必须提前计划并预留资金。为尽可能降低大型养护的频率,或使大型养护的工序难度尽可能降低,设计人员可进行如下工作——

在支承结构上设计顶升点,以便抬升桥面,更换支座

设计从上述位置起吊的桥面;这会引起反向力矩,对于预应力梁而言非常重要

过度设计支座以减少应力,减少支座材料的磨损

现场施工经常受到极端天气的影响,因此尽可能使用预制的桥面伸缩缝,以减少对现场施工的依赖

详细说明与特定伸缩缝相连的桥面末端,以确保最佳性能

桥梁结构竣工后,在其设计寿命周期中放任不管并不现实。然而,设计者可以通过严谨的细节设计,减少养护或修理的需要,并且在元件设计寿命已知的情况下,使元件的更换尽可能简单易行。

本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志 2020年 第1期 总第9期
作者 / Alan.G. Mordey
作者系阿特金斯(Atkins)高速公路和运输部总工程师

(文章源自桥梁杂志,本文由百家号作者桥梁杂志上传并发布,此文系转载,本文仅用来学习及交流,版权归属原作者,侵权删)

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