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[原创] 【前沿】荷兰钢桥改造之策 [复制链接]

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yaqin 发表于 2018-1-29 10:28:08 |显示全部楼层 |          |
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2 X9 I0 b. e; g6 ~( i

荷兰从2009年至今,进行了一项针对8座地标性钢桥的大型改造工程,主要针对这些桥梁的正交异性桥面板出现的比较严重的早期结构疲劳破坏问题。荷兰公共工程与交通部(RWS)是荷兰政府负责管理桥梁、公路以及水道工程的机构。荷兰公共工程与交通部委托施工总承包管理人(由三家咨询公司:Royal Haskoning、Arup与Greisch公司组成的联合体)完成该项改造工程。

( m7 o$ M+ z% Q0 v

改造目的为——

! ?2 R" ]6 d' r1 D! h# M

◆ 评估结构的静载载荷及其抗疲劳性能;

◆ 提高结构的抗疲劳性能(采用高强混凝土面层)并延长结构使用寿命;

◆ 加固主体结构以应对目前的荷载要求;

◆ 尽可能减少改造工程对交通的干扰;

2 V. C0 C* f) ]5 z) n2 c6 ~

◆ 建立适用于大跨度、交通繁忙桥梁结构的统一加固方法。

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6 }, O3 Y' K$ B' b* Y

先期改造工程的一个关键目标是制定一种互利的统一工作程序和方法,为将来更多桥梁在保持通车条件下进行加固和改造提供技术支撑。这不仅包括加固技术,而且还包括加固工程中业主、设计单位和承包商之间潜在的创新运作关系。


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问题的出现

- u* k' B: a! x/ j

早期疲劳正在对荷兰几座主要地标性桥梁的正交异性钢桥面的使用产生影响,而这些桥梁,承载着整个荷兰繁忙的战略高速公路网络。

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荷兰国家桥梁管理部门(RWS)20年前发现该问题,并迅速着手开始处理。几座桥梁的正交异性桥面板(12mm厚左右)上,发现许多结构疲劳裂缝。其中一座桥的可开启桥面板,使用7年后就被更换了。其他桥梁上也发现类似的问题。这意味着荷兰公共工程和交通部需要确定造成结构疲劳的原因,评估整个荷兰高速公路网络的疲劳损坏情况,优先安排和处理最紧急的问题,同时制定一个长期的解决方案。本文提到的8座关键桥梁,建于1969年和1985年之间(荷兰的基础设施建设快速发展时期),被评估后进行优先处理。它们是荷兰最大、最具战略意义的8座地标性桥梁。


9 @& d6 h+ k* S. r9 ^/ R  B( o; Z

8座桥梁的问题,一般都是在右侧车道 (货车车道) 车轮轨道的沥青面层下方的桥面板发现贯通裂缝,在桥面板下的横梁与U肋之间、U肋拼接处也可发现裂纹。另外部分桥梁有整体疲劳问题或者静态加固的需求(由于新规范提高了荷载要求)。


# P5 n, \2 }; p& O' z& t

图1 正在进行加固的Muider桥(保持交通)

2 V( @/ W' y3 H, B, h4 @

探索解决之道

荷兰公共工程和交通部在荷兰负责管理出现结构疲劳问题的桥梁及其维护工作。90年代后期这些桥梁中有几座首次出现结构疲劳问题,在评估该问题后的10年期间已进行了下列工作:

◆ 确定疲劳问题的原因,并进行计算验证;

◆ 寻找检查和修复疲劳损坏的方法,保证桥梁的安全;

◆ 寻找解决方案,延长现有桥梁的剩余使用寿命;

◆ 在第一座出现疲劳问题的桥梁上实施最优技术解决方案。

4 i/ |2 F: w1 s) R

桥梁改造工程开始前,进行桥梁检查和维修项目以保证这些桥梁的安全。高强钢纤维混凝土加铺层被作为解决桥梁板疲劳改造问题的首选主要方法,已在两座桥梁上采用高强钢纤维混凝土替换现有的沥青磨耗层,通过对这些桥梁的计算和检测都证明了这种方法是有效的。

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改造工程启动后就开始处理道路网络中桥梁最关键的疲劳问题,采取的第一步是确定哪些桥梁要进行优先改造工作。根据结构类型、桥上交通量和检测发现的疲劳损坏量,在10年内评估选取了8座钢结构桥梁进行改造。这8座桥梁改造工程,仅属于全部桥梁项目的一部分。

- V, S1 O$ k; t$ n. Q% \' }

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委托“施工总承包管理人”的方法

: c% M5 y) r: _5 q2 s1 H

几十年来,政府架构出现逐渐精简的趋势,同样数量的工作必须由更少的人来完成。所以,本项目荷兰公共工程和交通部寻求合作伙伴来管理和实施这些钢桥改造工程,最终采用委托施工总承包管理人(MC)的方法来管理项目,采用EPC方式,参与此项目中的合作伙伴分工和关系如图2所示。业主挑选了最优的联合体来承担施工总承包管理人的工作,联合体由Arup、Royal Haskoning和Greisch这三家工程咨询公司组成,紧密合作,执行代业主的职责。整个团队在业主办公室工作,不但进行技术管理,而且进行项目和合同管理、交通管理、环境和利益相关方管理、以及承包人的管理和监理。计划在2009年—2015年六年时间执行如下活动:

! J7 d8 x) \, U2 I$ f

(1)对现有桥梁进行重新计算;

(2)检查桥梁;

(3)针对结构疲劳及静力强度采取加固措施,延长现有桥梁的剩余使用寿命;

(4)施工采购;

(5)施工管理;

(6)项目管理及环境管理。

" O6 v  q& N8 B2 l. X

荷兰公共工程和交通部和施工总承包管理人之间签订的合同宗旨要使双方的目标同步,双方的主要目标是以最低的成本及对桥梁造成最小的交通阻碍来解决桥梁的问题,另外两个目标则关乎安全和客户满意度。

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图2 管理组织结构

(RWS-荷兰公共工程和交通部,DC-咨询审查方,MC-施工总承包管理人)


4 V4 w% D5 r8 N

另一方面,为了保证质量,荷兰公共工程和交通部签约了第三方咨询审查方,也就是荷兰国家应用科学研究院(TNO)与代尔夫特理工大学(TUDelft)组成的联合体(DC),来审查施工总承包管理人的工作成果。他们同时也负责在标准化领域之外的特殊问题研究中发挥作用,例如:通过裂缝增长计算来证明疲劳使用寿命。除了执行这些与“工程”相关的活动之外,咨询审查方还在荷兰开展与现有钢桥相关话题的经验知识分享活动。

( ~! Y& r  H" @0 y( u" y, T9 H

施工总承包管理人(MC)和荷兰公共工程和交通部共同对这8座桥梁进行了施工采购。在此阶段,他们决定与三个施工承包商都签订框架协议,这样做不但让更多的承包商(超过一家)在这个领域取得相应的知识和经验,而且还获得这三家承包商之间的一些竞争。 由于承包商数量有限,8座桥梁中每家获得超过一座桥梁工程合同的几率很高,他们在前期项目实施期间学习相关经验,并互相分享工程经验。框架协议中列明了三家荷兰/比利时的承包商为:Heijmans、Koninklijke Volker Wessel Stevin、StruktonBetonbouw与Ballast Nedam组成的联合体。

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荷兰公共工程和交通部和施工总承包管理人的合同,以及两者再和施工承包商的合同全部采用基本费用附加奖励的机制。奖励的条件——


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2 z( L+ A) v* [

◆ 对交通的最小阻碍:采用可通行的交通车道数和时间来衡量;

◆ 最低的施工造价;

◆ 安全:没有安全事故+没有安全缺陷;

◆ 使用者评估:增加了业主/使用者的满意度评估;

◆ 提升交通量能力。


3 J+ [/ X7 p# X+ G% K

在撰写本文时,已经委托了第一座需要改造的Muider桥的施工承包商,第二座需要改造的桥梁正在进行招标。


! v) K1 g& v" s5 Z5 G

图3 高强混凝土加铺层断面

0 f' C- C0 Z$ J5 c. h5 h) h

图4 纵向施工缝钢筋大样


4 [; ^" g* q+ u$ z+ ?5 K# [

图5 高强混凝土加铺层的边缘大样示意


& A! y; _) o+ {2 ~( n

桥面板疲劳问题解决方案

" l! T8 X* l# G+ V; R

经过前期大量工作,设计解决方案定为采用高强钢纤维混凝土加铺层,同时改善U肋和桥面板之间的焊接分类,并更换U肋的接头。


* H: J9 _+ m. K0 C! h! G1、采用高强混凝土加铺层替换沥青层
% X& H+ G5 ?. R4 w" E$ n. }, o! F7 r9 c& o

高强纤维混凝土(HSC)加铺层是一种高强混凝土(C90/C105),厚度最小为75mm,含75kg/m3的钢纤维。在高强混凝土加铺层和钢桥面板之间将采用环氧树脂粘结层。高强混凝土加铺层不直接与环氧树脂粘合,而是浇筑在固化的环氧树脂的铝矾土颗粒上,高强混凝土加铺层的设计如图3、图4、图5所示。

  i) @/ h( ]4 x) ~

环氧树脂一般不具有完整的抗剪刚度。为了模拟这一工况,界面单元采用了折减后的5GPa杨氏模量,通过运行采用一半刚度及加倍刚度的关键荷载工况,对这个假定结果的敏感性进行核算。钢桥面板的粘结强度为21MPa, 铝土矿和混凝土的抗拉/抗剪粘结力为 4.8/12.5 MPa。

. u* X3 s$ F7 J' \- a3 A/ o/ A6 R

高强混凝土加铺层包含两层密布普通钢筋,都是由直径12mm、间距75mm的钢筋网组成,钢筋层的底层与行车道的方向同向,而顶层垂直于行车道。为了确保钢筋高度正确,钢筋网底层下方设置垫块装置,严格确保顶层钢筋的最小混凝土保护层厚度为20mm。


8 a! ?# f7 W3 w6 I, s8 j" a* ~7 ~

设计还特别关注高度不同的边缘设计大样和各施工阶段之间的桥面板边缘设计。每个边缘细节由两个构件组成,一个直接连接到桥面板上的固定构件,以及一个可调节的构件,含有预埋在高强混凝土中的钢筋。角钢和带钢(包括焊接、加长的钢钉)以及起始钢筋都是预制后在钢桥面板上进行现场焊接。安装边缘构件后采用预制的钢筋网进行钢筋安装。在临时边缘设计大样中钢筋是连续布置的,即使在临时边缘设计大样中保护层厚度也不允许减少。

! T5 C8 _& ^* E% {! t4 e

浇筑高强纤维混凝土加铺层之前,必须先修复钢桥面板的疲劳裂缝。项目制定了超声衍射时差法(TOFD)检测桥面板裂缝深度的方法,这种技术可以检测深度大于3mm的裂缝。在高强混凝土施工过程中,采用TOFD 方法预测损坏区 (U肋、桥面板及横梁接缝),发现超过5mm深的裂缝将被修复(本工程假定任何一种不需要修复的接头的裂缝深度都相当于或小于5mm)。de Jong有文献研究工作报告中[3]的断裂力学计算有效地预测裂缝的线性增长,当荷载周期达到一定的数量时,裂缝深度为桥面板厚度的0.75倍。因此10mm厚桥面板上的5mm裂缝深度可假定等同于系数5/(0.75x10)=0.66的损坏。如果钢桥面板的疲劳贯穿裂缝长度太长(超过800mm),将采用一个新的更厚的可插入钢板对局部桥面板部位进行更换。


! m: i+ Q: ]) I% v* g
; J) u- I- l3 z8 W. R4 S2 s( \0 H
; h, b9 V  w$ [( k1 L# v

采用高强混凝土加铺层更换现有沥青,已被证明是解决钢桥面板疲劳裂缝的较好方案。修复方法可提供几乎“像新的”钢桥面板与高强钢纤维混凝土加铺层,可延长现有的10毫米钢桥面板的剩余寿命至少30年。

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2、U肋及桥面板之间的焊缝* |: ]; P- t1 f4 c4 t0 G
) t. p2 \" n6 `$ P( y$ G/ U

U肋与桥面板之间的焊缝不仅是正交异性板中最重要的焊缝之一, 也是最薄弱的连接。钢桥面板上的焊缝会引发疲劳裂缝,焊缝本身也会出现疲劳裂缝。采用高强混凝土加铺层修复钢桥面板后,可以避免桥面板至少在30年内出现裂缝。尽管采用了高强混凝土进行修复,但焊缝(按照目前的焊缝分类)中的裂缝仍然无法避免。焊缝细节:“U肋和桥面板接缝:焊缝中的裂缝”,被定义为角焊缝,焊缝厚度比U肋厚度薄一些,因此建议采用文件[6]荷兰规范中的K50大样。基于这种分类,我们观察到焊缝稍微超过了最大允许疲劳损伤。


5 ]. ^2 `9 u  l; n' H: R) A

疲劳损伤计算对较小的应力变化非常敏感,因此还检查了平均应力和平均焊缝分类,结合实际情况对损伤计算进行了标定。从Kolstein的文献研究工作[4]中摘录了表示平均SN曲线的疲劳细节类别,但未采用平均SN曲线细节类别证明设计的合理性,而是给出了预期可能发生的开裂程度的说明。平均焊缝细节分类建议采用文件[4]荷兰规范中K70大样。所采用的疲劳类别与荷兰NEN-EN 1993-1-9 欧盟[6]规范中定义的疲劳计算方法一致。计算结果没有超过实际的损坏临界值1.0,这意味着未来30年内可能不会出现贯穿裂缝。


2 _. g' b# x$ [( L7 A

可采用两种方案降低U肋与桥面板之间的焊缝损坏——

◆ 更换成更高抗疲劳级别的焊缝,同时增加高强混凝土加铺层的厚度

◆ 断裂力学计算显示该区域的裂缝不会扩展第一个方案相对容易但耗时且造价昂贵。在Muider大桥项目中,业主选择了第二个方案。因为裂缝增长计算表明U肋和桥面板之间的焊缝(还没有出现裂缝的情况下)的剩余使用寿命超过30年。如果刚刚发生贯穿裂缝,焊缝的剩余使用寿命也有30年。

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3、接缝修复. O- }- j1 ]2 \* S" k2 {
" E; B( @' j' d( D$ `

采用高强钢纤维混凝土加铺层对修复局部桥面板具有很大的益处,不影响或者还可以改善U肋中拼接缝的剩余疲劳寿命,也就是说它确实改善了在U肋上的车轮荷载分配,因此降低了接缝中的应力,但与桥面板中应力的折减系数相比,其折减系数更接近1。真正的问题是拼接缝连接的细节施工较差,等级低。因此拼接焊缝的损坏非常严重,所以决定对一部分拼接缝进行更换。在图6、图7和图8中,展示了拼接缝的更换过程。


  b* b" S, P' W

图6 清除现有拼接缝两侧的涂层


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图7 在U肋的下侧安装紧固板,并将其焊接在现有拼接缝的两侧,并移除现有的拼接板


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图8 在U肋的两端安装一条支撑条并更换新的、尺寸更大的拼接板,对新的U肋板进行焊接后,拆下夹具并对涂层进行维修


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值得借鉴的经验


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总承包管理人一直负责该项目并对这些桥梁进行了研究,也面临很多挑战,因为他们需要进入一个新的未开发的技术领域,也会遇到突发的问题。所有工作都是在巨大的工期时间压力下完成,包括预检查现有的桥梁、提交设计方案、对承包商进行招标,并采用高强纤维混凝土加铺层对八座桥梁中的第一座桥梁进行加固,取得了很好的效果。总承包管理人在不到一年时间内在这个项目过程中学习到很多经验,总承包管理人希望与同行分享在项目中所获得的知识和经验教训,为高速公路桥梁钢结构正交异性桥面板的发展方面的知识做出贡献。在改造项目第一年施工中学习到的主要经验如下——


  H! g3 G' }1 Z

1、高强钢纤维混凝土加铺层可为现有已产生疲劳损坏的正交异性桥面板增加至少30年使用寿命,但除了采用高强混凝土加铺层,钢桥面板中的裂缝也需要修复,局部结构构件如U肋拼接板、点焊板也需要更换或加固,U肋与桥面板之间的纵向焊缝需要改善,或者需要针对正在发生的裂缝增长进行计算和监测。

& i, r3 b0 C3 G* G

2、维修工程都会对交通造成影响,可采取智能分阶段系统,对每个车道及每个方向进行短时间的交通封闭,从而实现最大限度和最优手段降低对交通的影响。

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3、与前期两个桥梁试点项目相比,将来的修复方案已经更加完善,但仍需进一步改进,例如将针对混凝土的配合比进行优化。工程设计、招标流程和框架工作合同必须在本项目执行期(比如5年)期间适应所出现的这些工程变更。


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4、所有工作都是非常关键的技术过程:清除沥青、切割下料、采用TOFD检查与检测桥面板裂缝、更换桥面板构件或采用埋弧焊(SAW)进行修复,采用高质量带铝矾土的环氧树脂粘结层、钢筋施工与桥面板边缘施工、高强混凝土浇筑及表层环氧层施工等,这些工作必须在严格的时间范围及有限的空间内依顺序进行,如果一项失败,都将对交通阻塞产生直接后果。所以需要对施工顺序进行完全的模拟、对工作环境设置条件、对施工误差进行控制。由经验丰富、准备充分的工作人员采用所有合适的工具和材料进行操作,同时需准备几个备用修复方案,来降低与这关键流程相关的所有风险。

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5、施工总承包管理人为正交异性钢桥面板采用高强混凝土加铺层进行修复,并保证剩余使用寿命30年的方法提供了理论依据。理论依据部分内容是根据规范尚未涵盖的实验数据。该修复系统的实践及耐久性仍然需要通过施工总承包管理人在未来几年中进行的监测来证明。

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