并获2006年度重庆市自然科学二等奖,为我国桥梁健康监测的智能化发展作出了积极贡献. 为了解决三峡库区县乡公路桥梁(石拱桥)的实用安全性鉴定,完成了交通部2007年下达的西部交通建设科技项目“三峡库区县乡公路桥梁安全性鉴定及实用处治技术研究”(项...
西部交通建设科技项目 交通编号：合同号：2007-318-950-41 单位编号：
分 类 号：
U445 三峡库区县乡公路桥梁安全性鉴定及 实用处治技术研究 ——研究报告简本 重庆市公路局 重庆交通大学 2010 年 5 月 中文题名 三峡库区县乡公路桥梁安全性鉴定及实用处治技术研究 security identification and practical treatment technology research for bridge on the county road in three gorges reservoir area 项目来源 合 同 号 U445 西部交通建设科技项目 2007-318-950-41 英文题名 交通编号 单位编号 分类号 报告完成单位 项目起止年限 2007 年 7 月至 2010 年 5 月 密级 报告撰写人 项目负责人 报告复核人 报告审核人 项目主要参加 人 主 题 词 关 键 词 三峡库区 县乡公路 石拱桥 安全性鉴定 处治 破坏模式 安全性 鉴定 处治 软件 中文摘要(500 字以内)：
在广泛调研的基础上，分析了三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）典型病害和 常见病害的实用检测技术；深入研究了石拱桥的破坏模式；在理论分析、模型试 验和实桥验证的基础上，获取了三峡库区桥梁安全性鉴定等级划分标准；总结现 有研究成果，针对不同桥型、不同跨径、不同病害、不同使用环境的桥梁，研发 和完善了与安全性鉴定相对应的实用加固处治技术；开发了三峡库区县乡公路桥 梁（石拱桥）安全性鉴定及处治技术分析软件；提供了实用指南，以便于研究成 果能更好的进行推广应用。 英文摘要(300 字以内)：
Based on extensive investigation，this report analyzes and practical detection technology for common diseases of bridge (stone arch bridge) on the county road in three gorges reservoir area;deeply study failure mode for stone arch bridge;according to theoretical analysis, model test and real bridge certification,obtains standard;summarizes the identification existing of security classification research,contrary to ,different span,different disease and different use environment for bridge, develops and improves practical reinforcement treatment technology corresponding to security identification;develops security identification and analysis software of treatment technology for bridge (stone arch bridge) on the county road in three gorges reservoir area;provides a practical guide,easy to make research results to better popularization and application. 目 录 1. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）使用基本状况研究 .................. 1 2. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）常见病害检测的实用技术研究 ........ 2 3. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定模式及限值指标研究 ...... 3 3.1 石拱桥的破坏模式分析 ................................................... 3 3.2 典型病害限值研究及安全鉴定等级划分 ..................................... 3 3.3 石拱桥全桥模糊综合评价技术 ............................................. 5 4. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）实用处治技术研究 .................. 5 4.1 实用加固处治技术 ....................................................... 5 4.2 三峡库区变动水位区域桥梁安全处治对策研究 ............................... 6 4.3 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）加固技术经济性分析 ....................... 6 4.4 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）加固技术效果后评估研究 ................... 7 5. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定及处治技术分析软件 ...... 8 6. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定及实用处治技术指南 ...... 9 1 三峡库区县乡公路桥梁中 90%以上桥型属于石拱桥，数量大、分布广。随着 库区交通量的不断增长，该类桥梁的安全性受到越来越严重的威胁。由于该类桥 梁建设时间较长，加之当时的技术管理水平不高，使得桥梁原始资料不全；另一 方面，受资金、时间等方面的限制，常规荷载试验承载力评价难以全面铺开且风 险较大。因此，解决重庆三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）的安全性鉴定和处治 问题就显得更加迫切。
基于上述现状， 本项目从三峡库区县乡公路桥梁 （石拱桥） 使用基本状况研究、三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）常见病害检测的实用技术 研究、三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定模式和限值指标研究、三峡 库区县乡公路桥梁（石拱桥）实用处治技术研究、三峡库区县乡公路桥梁安全性 鉴定及处治技术分析软件，五个专题来进行研究分析。 1. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）使用基本状况研究 此次调查重庆市区县桥梁共 1713 座，按跨径分：特大桥 4 座，占 0.2％；大 桥 163 座，占 9.5％；中桥 355 座，占 20.7％；小桥 1191 座，占 69.5％。按类型 分：石拱桥有 1533 座，占 89.5%；钢砼简支梁桥有 110 座，占 6.4%；双曲拱桥 有 9 座，占 0.5%；连续梁有 17 座，占 1%；T 型刚构桥 20 座，占 1.2%；桁架拱 有 4 座，占 0.2%；其它桥型有 20 座，占 1.2％； 全三峡库区共调查了 738 座桥梁， 其中圬工拱桥占 94.6%， 其中调查出的 122 座四类、五类危桥中，均属于圬工拱桥。基于占绝大多数的石拱桥突出的病害情 况， 本项目就石拱桥展开研究分析， 在调查过程中发现石拱桥的病害主要表现在：
（一）主拱圈病害：主拱圈开裂、出现过大的下挠、拱石风化水蚀、拱圈渗 水、拱石脱落、拱石砌筑材料（砂浆）强度低（或空隙大甚至大面积脱落） ； （二）拱上建筑、桥面系常见病害：侧墙开裂、侧墙外鼓甚至外倾、侧墙与 主拱圈脱离、无栏杆或栏杆缺损、泥结碎石路面或桥面破损、桥面板或人行道板 破损、人行道挑梁损坏、无支座或伸缩缝； （三）墩台、基础常见病害：基础或墩台不均匀沉降、位移和转动、基础被 掏空、墩台冲蚀严重、墩台开裂、桥台侧墙外鼓、桥台跳车； （四）其它病害：泄洪能力不足洪水时封孔、处在弯道上线形不好车祸多、 桥面太窄不能满足现行交通量要求。 1 2. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）常见病害检测的实用技术 研究 为确保建成的桥梁保持良好的运营状态和正常的使用功能， 当务之急是及时 发现早期病害，在尚未出现更大的损伤之前采取维修养护措施，以控制病害发展 或把病害清除，而要达到此目的，需对石拱桥病害情况做到高质量的检测。
（一）桥梁永久性变形实用测定技术：
“两面角”法测量技术（见图 2.1） 、 精密水准法、全站仪观测法、GPS 观测法、液体静力水准观测法、专用挠度仪观 测法等； B' A'
i y x A h A B B ψ 0 hi i φ 0 0 A α α A i β γ i T 图 2-1 “两面角法”测定桥梁永久性变形技术 （二）公路桥梁（石拱桥）实用裂缝检测技术：裂缝宽度检测、裂缝深度检 测； （三）石拱桥主拱圈缺损检测技术：目测检测法、超声波检测法； （四）石拱桥主拱圈风化程度鉴定技术：外观检测技术、CT 检测技术、依 据弹性模量确定风化程度； （五）其它病害检测技术：基础冲刷严重或掏空病害的检测技术、墩台或基 础不均匀沉降或位移病害的检测技术、石拱桥桥面铺装病害检测技术、石拱桥桥 面栏杆检测技术。 2 3. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定模式及限值指 标研究 3.1 石拱桥的破坏模式分析 在石拱桥破坏模式研究中得知：无铰体系的石拱圈在每个铰的形成过程中， 将出现内力重分布，但构件的承载力不会有明显的提高，直到一个完整的塑性铰 出现后，构件的承载力才能有所提高。当出现 3 个铰后，体系变为静定结构，内 力将不再重新分布，最后结构的破坏取决于材料的承载力，此过程在模型试验中 得到了印证。 3.2 典型病害限值研究及安全鉴定等级划分 在石拱桥几种典型病害基础上， 本专题分别就各种病害进行了限值研究和安 全性鉴定等级划分，其具体内容有：
（1）石拱桥永久性变形研究及鉴定划分等级标准 根据基层工作人员所调查到的现场资料， 包括桥梁基本尺寸， 永久变形范围， 最大变形量等病害资料。与永久性变形限值指标相对应查询，得到变形指标。从 而判定截面的安全性。安全性鉴定等级判定如下： ?s ? [? ] 时：安全级别，即正常养护和局部病害处理。 [? ] ? ?s ? ? j 时：隐患级别，即桥梁维修规模大，加固部分截面和构件。 ? j ? ?s 时：危险级别，即桥梁整体维修加固或拆除重建。 （2）石拱桥裂缝限值研究及安全鉴定等级划分 根据基层管理工作人员所调查到的现场病害资料，包括桥梁基本尺寸，主控 裂缝的长度，宽度，高度以及裂缝的密集度等。与裂缝限值指标表相对应查询， 得到裂缝限值指标。从而判定主控截面裂缝单项指标的桥梁的安全性等级，见表 3.1。 3 表 3-1 石拱桥纵横向裂缝安全性评定标准 评定标度值 1 2 3 技术状况等级 安全级别 隐患级别 危险级别 评定标准 a ? 1.4 时：即正常养护和局部病害处理。 1.4 ? a ? 2.0 时：即桥梁维修规模较大，加固开裂截 面和构件。 2.0 ? a 时：即桥梁整体维修加固或拆除重建。 （3）石拱桥缺损脱落及风化限值研究及安全鉴定等级划分 石拱桥主拱圈脱落鉴定等级划分如表 3.2： 表 3-2 主拱圈脱落鉴定等级划分表 30m 跨径 良好状态 较好状态 较差状态 差的状态 危险状态 0≤f＜0.075h 0.075≤f＜0.15h 0.15≤f＜0.225h 0.225≤f＜0.3h 0.3h≤f 40m 跨径 0≤f＜0.05h 0.05≤f＜0.1h 0.1≤f＜0.15h 0.15≤f＜0.2h 0.2h≤f 50m 跨径 0≤f＜0.0375h 0.0375≤f＜0.075h 0.075≤f＜0.115h 0.115≤f＜0.15h 0.15h≤f 石拱桥采用风化相对指标α和绝对指标β，其安全性鉴定等级如下：
轻度风化定义为：0≤α＜0.01 且 0≤β＜0.01m。轻度风化情况下，石拱桥 的拱石风化病害对桥梁的承载能力影响较小，结构承担活载运营的能力较强，因 此在风化深度加强观测的基础上应对石拱桥进行正常的维护。
中度风化定义为：
0.01≤α＜0.02 且 0.01m≤β＜0.02m。
石拱桥拱石发生了 中度风化，表明结构的承载能力由于该病害的存在与发展受到了较显著的削弱， 且结构的承载潜力和富余部分已经发挥出来以弥补被风化的部分承载力损失。
为 了抑制风化病害继续对桥梁的性能造成更大的损害，应采用诸如加强排水、关键 截面或控制截面补强等措施阻断或者弱化各种加剧风化病害的因素。
重度风化定义为：
0.02≤α＜0.04 且 0.02m≤β＜0.04m。
发生了重度风化的 石拱桥，主拱圈的承载能力已经很接近甚至低于设计荷载效应。因此，有必要对 结构进行加固整治并在加固后采取轻度和中度风化所建议的对策处理。
风化危险状态定义为：
0.04≤α或≤0.04m≤β。
风化危险状态下的石拱桥， 4 通常主拱圈的承载能力已经低于设计荷载效应。因此，有必要对结构进行增强设 计并采取轻度和中度风化所建议的对策处理。 3.3 石拱桥全桥模糊综合评价技术 桥梁安全性评估不能单纯地考虑重要构件如主拱圈，也要兼顾次要构件，但 也不能主次不分，使评估工作量大而繁杂。采用层次分析法，多级模糊评判及打 分法，可使量大繁杂的评估工作科学、简捷而又实用。基于以上考虑，在专题中 提出了全桥模糊综合评价技术应用于石拱桥的安全评定中。 4. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）实用处治技术研究 基于三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）的现状调查研究，研究出针对不同桥 型、不同跨径、不同病害、不同使用环境的桥梁，结合已有研究成果，开发和完 善安全、可靠、经济、实用并与安全性鉴定结果相对应的加固处治实用技术具有 重大的经济和社会效益，对促进我国公路建设、支持国民经济发展尤其是广大县 乡地方的发展具有重大的战略意义。 4.1 实用加固处治技术 石拱桥基于不同病害的实用加固技术有：
（1）钢筋混凝土复合主拱圈加固实 腹式石拱桥技术（见图 4.1） ； （2）钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固空腹式石拱桥 技术（见图 4.2） ； （3）基于拱上恒载调整的石拱桥加固技术； （4）多点支撑体系 加固坦拱桥技术； （5）裂缝灌浆加固、粘贴加固、体外预应力加固、改变结构体 系加固及预应力框架加固的石拱桥上部结构加固技术； （6）基于旋喷注浆加固和 其它加固技术的石拱桥下部结构加固技术。 横向钢筋 加固层 原主拱圈 原主拱圈 纵向钢筋 原主拱圈 纵向钢筋 锚杆 横向钢筋 加固层 锚杆 加固前主拱圈截面 横向钢筋 原主拱圈 纵向钢筋 锚杆 加固层 加固后主拱圈截面 图 4-1 钢筋混凝土复合主拱圈加固技术示意图 5 原主拱圈 钢筋砼套箍加固层 加固前的拱圈断面图 加固后的拱圈断面图 图 4-2 钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固技术示意图 4.2 三峡库区变动水位区域桥梁安全处治对策研究 由于地处三峡库区这一特殊的环境，水位变动显著，因此，研究了三峡库区 桥梁在变动水位作用下的安全可靠度，并且对安全可靠度低的桥梁进行加固增 强、防水蚀、植物腐蚀及升高拓宽处理。
三峡库区桥梁安全可靠度评定模式：
Q<P P=P0×ζ 上两式中，Q—桥梁使用荷载效应； P—考虑三峡水位上升水蚀影响后桥梁实际承载力； P0—水位上升前桥梁承载力； ζ—水蚀引起的桥梁承载力削减系数。
在变动水位区域桥梁防水蚀加固整治方面：
上部结构主要是采用套箍法将石 拱桥主拱圈等主要承重结构作封闭处理，从而一方面达到石材不受水蚀目的，另 一方面客观上达到增大承重结构截面，增强桥梁的目的；下部结构主要采取旋喷 注浆技术。 4.3 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）加固技术经济性分析 石拱桥的加固，应本着“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理”原则。
因此石拱桥加固决不能轻率从事，应根据情况具体的区别和对待，尤其在做加固 决策时是要确定一个石拱桥的最优加固期限，应以技术经济分析作为依据。
建立石拱桥安全状态指数评价模型 PSI ? 100 ? ?? DPijk ? Wij 、 使用性能综 i ?1 j ?1 n m 合评价和使用性能的模糊评价将桥梁技术与安全状态分五种状态：良好、较好、 6 较差、差、危险状态。结合石拱桥使用有关历史资料建立使用寿命模型、残存曲 线模型，分析不同养护或加固水平对石拱桥使用性能变化的影响。利用行驶质量 指数标准并从经济角度确定在五种安全状态下拱桥加固的最佳时机。
通过分跨径分析石拱桥加固处治技术经济指标， 形成了汇总表 （见下表 4.1） ， 它为桥梁管理部门制定危旧桥梁加固处治决策提供了重要参考依据， 使加固维修 资金分配更合理，实现加固效果最大化。 表 4-1 石拱桥加固处治技术经济指标汇总表 项目 跨径 <20 20-30 30-45 45-60 60-80 拱圈加 固尺寸 cm 12-14 12-13 12-14 13-16 13-16 承载力 提高幅度 25%-35% 25%-40% 30%-40% 30%-45% 35%-40% 纵向钢筋 20 @200 20 @200 25 @200 20-25@200 20-25@200 钢筋 横向钢筋 16~20@200~250 16~20@200~250 16~20@200 16-20 @200 16~20@200~250 加固费用 期（天） 元/米 2 35~40 35~45 45~55 45~60 60~70 450~600 480~580 550~700 600~750 650~800 加固工 4.4 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）加固技术效果后评估研究 1）强度评价指标 '
桥梁加固的强度评价指标有：承载力提高率 ? L （或 ? L ） 、恒载应力变化 率 ? D 、荷载置换率 ? T 、加固层利用率 ? M ，它们分别是从不同的角度评价 '
加固整治对于桥梁的强度的影响。? L （或 ? L ）是从桥梁承载力这个全局的高 度来评估加固的效果；? D 和 ? T 都是从原结构出发，讨论加固施工对结构的影 响；? T 则是从加固层的角度来研究加固层材料的强度和截面的使用效果。这四 项评价指标，互相之间既有区别又有密切的联系。
2）刚度评价指标 '
桥梁加固的刚度评价指标有：总挠度变化率βT（或 ? T ） 、恒载挠度变化率 '
βD、挠度置换率βT，βT（或 ? T ）是从桥梁整体刚度这个全局的高度来评估 加固的效果；βD 是从原结构出发，讨论加固施工对结构的影响；βT 则是从加 固层的角度来研究加固层材料的刚度和截面的使用效果， 这三项评价指标互相之 7 间既有区别又有密切的联系。 5. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定及处治技术分 析软件 在桥梁管理方面，目前大多数省、市公路管理部门由于人员、资金等原因， 比较注重新桥梁的建设，在旧桥的管理、养护方面存在许多问题，一方面管理模 式和管理手段陈旧，桥梁资料的收集、分析和管理采用传统的人工方法，使得有 关部门对桥梁整体情况了解不足，部分桥梁的技术档案丢失，为养护管理带来许 多不便;对桥梁技术状况的掌握停留在定性了解和工程师经验的基础上，在确定 桥梁养护、 维修方案时， 往往根据过去的经验作决策； 另一方面， 养护资金短缺、 人员素质偏低， 桥梁的日常养护得不到保证， 有些地方的桥梁甚至处于失修状态， 部分地方的二、 三类桥梁得不到及时养护、 维修使得桥梁的病害、 缺陷急剧恶化， 降低了桥梁的承载能力，影响了桥梁的正常使用。因此研究出便于基层工作者维 修加固公路旧、危桥梁的加固处治专家系统具有重大的现实意义。
本专题针对上述背景， 结合石拱桥安全性评定及处治模型研究和专家决策模 型研究，开发出了三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定及处治技术分析 软件，其用户登录初始界面如图 5.1： 图 5-1 用户登录初始界面 8 系统初始界面的菜单栏有桥梁信息库、桥梁病害诊断、帮助三项，用户可根 据所需进行选择。
桥梁信息库界面主要是进行桥梁信息的查看和添加。点击查看项，可以看到 所查桥梁的信息内容， 包括主拱圈的最大矢跨比， 拱圈截面的尺寸、 拱圈的材料、 桥梁设计等级、桥梁的基础埋置深度等一些基本参数；添加是用户对桥梁信息库 进行扩充，通过从桥梁名称、桥梁基本信息、建筑参数三方面的内容进行添加， 其中桥梁基本信息包括管养单位、路线名称、桥型等，建筑参数包括主拱的矢跨 比、拱圈的材料和截面尺寸、桥梁的环境、设计等级等。
桥梁病害诊断界面主要是查看桥梁的病害内容，了解桥梁的现状。诊断过程 分别从主拱圈病害、腹拱圈病害、侧墙病害、桥面系病害、拱上立柱/立墙病害、 下部结构病害六部分来进行。最后，点击诊断并生成按钮，得到桥梁的病害处治 建议内容。 6. 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定及实用处治技 术指南 基于前面五个专题的研究成果，本专题针对一般桥梁工程技术人员都能掌 握，且便于推广应用的特点，从三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）的病害情况、 三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）常见病害的实用检测技术、三峡库区县乡公路 桥梁（石拱桥）安全性鉴定模式及限值指标研究、三峡库区县乡公路桥梁（石拱 桥）实用处治技术研究、三峡库区县乡公路桥梁（石拱桥）安全性鉴定及处治技 术分析软件专家系统的建立五个方面出发，编制“三峡库区县乡公路桥梁（石拱 桥）安全性鉴定及实用处治技术指南” 。 9
西部交通建设科技项目 交通编号: 合同号:2007-318-950-41 单位编号: 分类号:U445 三峡库区县乡公路桥梁安全性鉴定及 实用处治技术研究 ——研究报告简本 重庆市公路局 重庆交通大学 2010 年5月中文题名 三峡库区县乡公路桥梁安全性鉴定及实用处治技术研究 英文题名 security identification and practical treatment technology research for bridge on the ...
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