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第87期 公路桥梁管理养护监测技术研究

2020-6-19 11:37
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【52监测网】第87期 公路桥梁管理养护监测技术研究


52监测网专家报告分享-第87期

公路桥梁管理养护监测技术研究
雷俊卿  北京交通大学土木建筑工程学院/长大桥建养工程研发中心
教授/主任

目录

一、 中国公路桥梁发展现状
二、 部分桥梁病害及原因
三、 公路桥梁管理系统——大数据
四、 公路桥梁养护系统与制度
五、 公路桥梁病害防治
六、 结论与展望

内容简介

一、 中国公路桥梁发展现状

高速公路大发展带动桥梁建设的大发展——大规模建设与质量并举

◇截止2018年底,我国公路桥梁达85.15万座、5568.59万米,各类桥型大跨径桥梁的世界前十排名中,我国桥梁均已占据半壁江山。

◇我国建桥水平得到国际认可,中国桥梁已经开始实施“走出去”战略,在一带一路中发挥作用。

养护需求:服役老龄化,使用条件恶化;病害问题突出,危桥比例大;安全事故日益增多;

交通运输部路网监测与应急处置中心重点监测40座大桥的运营状况;

交通运输部路网监测与应急处置中心(以下简称路网中心)是交通运输部部直属事业单位,2012年7月18日由中央编办批复正式挂牌运行,专职从事路网运行监测、应急处置调度和出行信息服务工作。



中国公路桥涵设计通用规范规定:单孔跨径介于5m-20m的桥梁为小跨径桥梁,单孔跨径介于20m-40m的桥梁为中等跨径桥梁。中小跨径桥梁在公路建设中应用较广,据交通部资料统计,截止2015年底,全国公路桥梁数量达77.92万座、桥梁总里程达4592.77万米。其中,特大桥梁3894座、690.42万米,大桥79512座、2060.85万米,中小桥梁69.58万座、1841.5万米。可见,中小桥梁所占比例很大,加之大桥和特大桥的桥跨布置中,除主孔外,大多以20m-40m跨径布置,故中小跨径桥梁所占比例更大。



中国中小跨径桥梁以混凝土桥为主,条件允许的情况下,多采用装配式预应力混凝土梁桥,其中装配式预应力混凝土空心板梁(下文简称空心板梁)有10m,13m,16m和20m四种跨径的标准图集;跨径稍大的有装配式预应力混凝土T梁(下文简称为T梁)和装配式预应力混凝土小箱梁(下文简称小箱梁),相关标准图集有20m,25m,30m,35m和40m五种跨径系列;跨径超过40m以后,一般采用变截面预应力混凝土箱梁的形式,因此没有相关标准图集。


◇问题1:1980年代前依据旧标准建设的在用桥梁,技术状况普遍偏差
• 技术标准低(荷载);
• 不同版本的技术标准;
• 经历了重建轻养时期;
• 技术改造资金不足;

◇问题2:早期修建的桥梁(少筋结构等),存在结构上的先天不足
• 少筋微弯板组合梁桥;
• 二铰板拱
• 双曲拱
• 桁架拱
• 刚架拱桥
• 带挂孔的钢筋混凝土双悬臂结构和预应力混凝土T型刚构桥

◇问题3:养护服务方面基础薄弱
• 管养过程中“五重五轻”现象;
• 桥梁养护从业人员队伍基础薄弱;
• 桥梁养护工作中的责权利不平衡;
• 部分省份桥梁养护管理工作方面资金投入不足;

二、 部分桥梁病害及原因


◇钢管拱桥吊杆断裂造成桥梁事故:

(1) 宜宾小南门大桥:2001年11月7日宜宾小南门大桥吊杆钢绞线应力腐蚀导致桥梁断裂;
(2) 新疆库尔勒孔雀河大桥:2011年4月12日吊杆断裂;
(3) 武夷山公馆大桥2011年7月14日吊杆断裂;

◇洪水造成的桥梁事故


(1)河南栾川伊河大桥11.7.28(2)崇州怀远定江桥10.8.12(3)广汉石亭江铁路桥11.8.19(4)湖南平江昌河石拱桥12.5.12


(5)江西广昌大桥8x25米砼拱桥,1981年5月建成,县城交通要道,2012年8月8日8:11突然垮塌6孔,2死2伤。典型的基础严重冲刷而失于对养护维修造成桥梁事故。

◇地质灾害或年久失修加上超载造成的桥梁事故

(1)重庆彭水红泥石拱桥10.5.26(2)重庆鱼洞滨江桥12.5.21(3)连霍高速新安上跨桥11.9.21(4)山东博兴齐家桥12.4.15


◇超载车辆引发的桥梁事故

(1)北京怀柔白河大桥11.7.19(2)广东阳山青莲公路桥10.8.8(3)辽宁盘锦田庄台大桥04.6.10(4)吉林朝长锦江大桥10.6.8


(5)哈尔滨阳明滩大桥12.8.24:哈尔滨阳明滩大桥引桥事故发生后,国务院高度重视,交通运输部门下发紧急通知,要求切实加强桥梁安全管理工作。(6)杭州钱江三桥引桥11.7.15


◇施工中因施工质量或建成后因工程质量造成桥梁事故

(1)湖南凤凰沱江大桥2007.8.13(2)浙江黄金岩寺堂2008.8.21(3)辽宁抚顺跨河桥2012.8.20(4)重庆綦江彩虹桥1999.1.4


◇桥梁被船只(或漂浮物)撞击事故

航行船只撞垮桥梁,洪水期上游特大漂浮物撞垮桥梁。


◇桥梁进行加固或拆除施工时处置不当事故


三、公路桥梁的管理系统

国内外的发展

1968年美国联邦公路局研发了世界上第一个桥梁管理信息系统(Bridge Manage System BMS)的雏形“国家桥梁档案数据库”美国的PONTIS和BRIDGIT,欧盟的BRIME、丹麦道路桥梁管理系统DANBRO、德国的SIB—Bauwerke、法国的Edouard和OA、英国的NATS、挪威、比利时、爱尔兰、瑞典。芬兰、加拿大安达略省桥梁管理系统、日本道路公用桥梁管理系统J—BMS

我国的桥梁管理系统的研究开发始自80年代,四川公路所、广东桥梁研究所、交通部公路研究所及北京市公路管理局等单位,先后开发了四川省桥梁数据库管理系统、广东省桥梁管理系统、北京市公路桥梁管理系统、河南省桥梁管理系统等多个具有各自特色的桥梁管理系统。迄今为止也已经开发并应用了很多桥梁管理系统。

桥梁管理系统结构图

桥梁管理系统是由桥梁信息输入输出模块、数据库查询分析模块、桥梁技术状况评估模块、桥梁技术状况预测模块、总体养护经济分析决策等构成的有机整体。子系统相互连接渗透,共同协作完成桥梁管理体系的运作,系统结构如下图所示。其中桥梁静态动态数据库输入块与查询分析模块为桥梁信息数据库基本功能。

桥梁管理系统结构图

①桥梁部件构件库由一级分类的部件和二级分类的构件组成。一级分类的桥梁部件是参照《公路桥梁养护规范》(JTG H11-2004)规定,包括17种部件。二级分类的桥梁构件,按材料和结构来划分,其中基本构件148种。

②桥梁构件缺损库是基于已定义的桥梁部件构件库,用来定义和记录桥梁常用构件的缺损类型和缺损程度,以及所对应的缺损性质和缺损范围。

③桥梁评定标准库通过建立兼具灵活性、扩展性和内部关联性的树状结构,形成层次分析结构模型,比较完整地反映桥梁的结构状态和评定标准。

④养护工程作业库给出了维护和应用养护、维修和加固工程作业方法的信息平台。这为管养单位选用和制订养护工程方案,带来了极大的方便。

⑤养护定额单价库包括直接工程费单价库、其他工程费率库、规费费率以及企业管理费费率等。

桥梁检查和性能评定

桥梁检查和性能评定都是在桥梁构件层次上展开的。依据本系统提出的桥梁部件构件库,生成各运营桥梁的分解和组成模型。

①经常检查(Routine Inspection)主要指对桥面设施、上部结构、下部结构及附属构造物的技术状况进行的经常性检查。本模块支持按照《公路桥涵养护规范》(JTG H1-2004)规定,维护记录经常检查结果。

②桥梁定期检查是对桥梁主体结构及其附属构造物的技术状况进行的全面检查,是为评定桥梁使用功能,制定管理养护计划提供基本数据。按照《公路桥涵养护规范》(JTG H1-2004)规定,新建桥梁交付使用一年后,进行第一次全面检查,其后检查周期最长不得超过三年。

③特殊检查应根据桥梁的破损状况和性质,采用仪器设备进行现场测试、荷载试验及其他辅助试验,针对桥梁现状进行检算分析,形成鉴定结论。

④涵洞检查分为经常检查和定期检查。

性能评定与预测

包括:规范评估模型、层次分析权重、模糊评估模型、桥梁性能预测等模块。

①规范评估模型:《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)规定的桥梁一般评定是依据桥梁定期检查资料,通过对桥梁各部件技术状况的综合评定,确定桥梁的技术状况等级,提出各类桥梁的养护措施。

②层次分析权重:首先将复杂问题分解为称之为元素的各组成部分,这些元素按属性不同分成若干组,以形成不同层次;其次,根据上下层次之间元素的隶属关系及它们的相对重要性赋予相应的权重。

③ 模糊评估模型:根据模糊综合评判原理,采用模糊综合评判原理进行桥梁结构的安全性、耐久性与适用性的评估。

④桥梁性能预测:桥梁管理系统在我国的研究刚处于初级阶段,可用的数据极为有限,很难从这有限的数据中得出准确的预测模型;无法建立合理的回归分析预测模型和概率型预测模型,因此,采用了数据需求量较小的灰色系统理论来建立桥梁的性能状况预测模型。

四、公路桥梁养护系统与制度

国内外养护管理体制


养护单位的市场主体


公路桥梁养护施工的分类




公路桥梁养护施工的常用规范

公路桥梁养护施工常用规范:设计规范、养护规范、材料规范、试验/检测规范、安全规范、企业标准






公路桥梁养护管理制度

◇桥梁中长期养护规划:一般修编周期为4年
• 应对桥梁中长期(一般为20年)的养护工作进行规划。内容应包括规划期内的养护目标、养护准则、养护计划、投资估算等;

◇桥梁健康监测系统规程:一般修编周期为4年;
• 应对健康监测系统的采集频率、预警指标、响应方法、评估方法、评估成果等作出详细规定。

◇桥梁专用养护标准:一般修编周期为4年
• 应包括桥梁主体结构的养护标准和桥梁机电系统的养护标准两大部分。养护标准应以现行的养护规范、评估规范为基础,结合桥梁的结构特点制定。标准应包含检查标准、养护维修标准、评估标准等。

◇桥梁养护手册:一般修编周期为3年
• 应包括桥梁主体结构的养护手册和桥梁机电系统的养护手册两大部分。养护手册的编制应以风险评估和构件易损性分析为基础,并应符合桥梁中长期养护规划和桥梁专用养护标准的规定。

开展公路桥梁风险评估


精细化养护团队

◇人员能力胜任指标体系


◇桥梁养护体系建设
无论是一座独立特大桥,还是一个区域级的桥梁群,要做好养护工作,必须从制度、技术、资金、人员等几个方面进行入手。

◇公路桥梁养护案例分析
斜拉桥施工及运营健康监测控制的智能化
智能化、便携式设备(传感器、诊断监测仪)、大型智能机器人、卫星监测长大桥的挠度、都将逐步应用到桥梁的施工、管理、监测、养护、维修等一系列现场工作中来,实现自动化,远程化无线网络智能管理。


◇公路桥梁养护维修加固规范


《公路养护工程管理办法》2018年3月2日–交通运输部文件—分为4类:预防养护, 修复养护,专项养护,应急养护。

交通运输部路网监测与应急处置中心的监测工作
• 部路网中心自2012年成立至今,已经完成对全国40%以上的干线公路及重要桥梁、隧道的技术状况检测,完成了对全国31个省(市、区)国家普通国道路网技术状况的年度检测,累计完成路况抽检23万公里,监测重点桥梁280座,监测重点隧道31座,完成5000公里普通国道安全设施风险评估,并形成比较完整的数据体系。这是路网人年复一年累积、厚积薄发的成果。

五、公路桥梁病害防治

桥梁结构和施工技术优化

通过对桥梁病害原因的总结,对新建桥梁结构进行优化,强化新建桥梁关键构件的耐久性,减少或防止桥梁事故。

混凝土桥梁:混凝土预制节段拼装法桥梁:
是一项现代建桥技术,分为逐跨拼装和悬臂拼装两大类,跨度20-400米以上;能有效保证桥梁质量和耐久性,是值得推广的桥型。
混凝土预制节段拼装桥梁设体内和体外预应力两种受力体系,体外预应力的破坏一般为塑性破坏,使桥梁的安全和耐久性得到保证。

钢管拱桥

对现有桥梁建立关键构件(如吊杆、系杆等)健康档案,制定和完善定期养护维修计划和措施。
新设计的桥,一定要确保吊杆系杆更换位置,做到不中断交通,不破坏桥梁结构更换。


超载治理

例:北京怀柔白河桥2011年7月19日0:40分被160吨货车(超过设计荷载5倍)压垮
钢筋混凝土拱式桁架桥由于施工过程现浇节点混凝土的质量难于保证和构造特点,成桥后桥梁安全储备难于保证,在严重的超载作用下,桥梁易于垮塌。

空心板梁桥铰缝开裂的处置措施

桥面植筋,加强桥面钢筋网/碳纤维布挤压张拉预应力(底板)/异形预应力筋上喷干砂浆加厚空心板

桥梁的预防性养护

• 对桥梁进行和经常性检查和检测;
• 系统掌握桥梁技术状况,按获取得桥梁运营基本状况(建立桥梁技术状况档案);
• 定期评定桥梁退化程度和运营风险,提出养护维修建议。
• 制定科学有序的桥梁养护计划;
• 完成桥梁预防性养护计划;
• 桥梁预防性养护实施路线:采用市场化机制,由有各类专业技术人才的专业团队执行并承担风险责任。
• 目的:保障桥梁的结构性能维持在合理的服役水平,减少和预防不安全事故发生。
• 依据

六、结论与展望

(1)中小跨径钢-混凝土组合梁桥结构是发展方向。5m-40m的中小跨径桥梁结构形式,中国主要为混凝土梁桥,且技术比较成熟,在此不做赘述。欧美等国家组合梁桥技术比较成熟,主要有冷弯卷边U型钢组合梁,钢板组合梁和钢箱组合梁。下图是针对跨径和桥型的中小跨径桥梁统计图。


(2) 构件更换快速性。美国自911恐怖袭击发生后,开始大力研究桥梁极端事件下的快速更换问题,包括船撞,火灾,洪水,地震等人为或自然灾害事故。表1列举的六座桥均是钢板组合梁桥快速更换的信息,最快只需55h即可更换完毕。


表1 板组合梁桥快速更换案例

(3) 波形钢腹板预应力组合箱梁桥
【特点】:① 经济、高效、施工简便,具有自重轻,能够提高预应力效率,减少预应力钢材的用量等特性,较小干扰交通。② 恰当地将钢、混凝土两种不同材料结合起来,提高了结构稳定性、承载能力、强度及材料的使用效率。

预制装配式波形钢腹板组合箱梁——工厂化制造
2011年5月,中国工程建设标准化协会发布了《波纹腹板钢结构应用技术规程》,建筑用波纹腹板建成了大批自动化生产线。
预制工字梁的波形钢腹板采用Q345等高薄钢板,可利用建筑波纹腹板自动化生产线生产。由于采用一种混合型抗剪连接件,波形钢腹板所有焊缝均可采用全自动焊接。波形钢腹板节段运到预制场后,节段间通过高强螺栓连接,也避免了现场的焊接作业。

(4 ) 耐久性对比分析。混凝土空心板,T梁和小箱梁病害较多,且其中一个共性就是均存在混凝土开裂问题,开裂会加速钢筋的锈蚀,导致桥梁耐久性降低。U型钢组合梁和钢板组合梁均采用钢-混凝土组合截面的结构形式,可充分发挥混凝土受压和钢板受拉的优良特性,其耐久性问题主要是钢材防腐问题。相对于混凝土的开裂,显然钢材防护处理更容易,质量更容易控制,如果使用耐候钢,钢结构防腐劣势将大大降低。

桥梁设计管理养护维修系列标准规范的研究工作

雷俊卿教授团队的工作与奉献


雷俊卿团队--桥梁养护维修系列规范的研究工作

2001年《虎门大桥悬索桥养护检查指南》
2001《南京二桥斜拉桥养护检查指南(规范)》
2002-2003《公路桥梁承载能力检测评定规程》送审稿
2004 《路桥防水涂料技术标准研究》
2004《路桥防水材料技术标准研究(App卷材)》
2004《聚合物纤维技术标准研究》
2004《桥梁结构用碳纤维片材技术标准研究》
2004《桥梁结构用芳纶维片材技术标准研究》
2004《钢筋阻锈剂技术标准研究》
2006《双曲拱桥检测养护维修手册》编制技术研究
2006《PC连续梁、连续刚构检测养护维修手册》
2011-2015《虎门二桥设计指导准则》专题研究
2009-2015 参加《公路钢结构桥梁设计规范》的修编
……

《公路桥梁管理养护监测技术研究》
雷俊卿  北京交通大学土木建筑工程学院/长大桥建养工程研发中心
教授/主任

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