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很多公路桥梁都需要进行桥梁维修和加固,这样在节约资源和资金的基础上不仅提高了行车的安全性,而且提高了公路桥梁的使用寿命,所以公路桥梁的维修加固技术对保证桥梁的安全运行至关重要本文对桥梁加固技术中的被动加固技术的特点展开了一定的论述
关键词:桥梁缺陷;被动加固;被动加固技术的特点 中图分类号:U445 文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2013) 1. 引言随着我国经济的持续快速的发展,重载交通迅猛增加,公路桥梁养护加固任务越来越繁重
对于一些旧桥,由于受到当时经济、技术条件的限制,设计荷载等级较低
加之有些公路桥梁所处的外部环境较恶劣,所以很多公路桥梁在使用中产生了不同程度的病害,急需进行加固
桥梁加固不仅可以提高桥梁的使用时间,而且在节省资金的基础上,提高了社会的经济效益,并在一定程度上减少了交通事故的发展
所以说公路桥梁加固是非常必要的
2.加固技术分类 公路桥梁的薄弱构件对其加固的方法很多,但从工作的原理进行划分,可以分成两大类,即主动加固和被动加固
主动加固一般是指预应力的加固,通过后预应力筋主动的受力,依靠预加力来产生反向的弯矩,进而达到改善原桥梁应力状态的目的和效果,对其薄弱的构建进行有效的增强和加固
被动加固一般是指在受拉区域直接粘贴一些钢板或是其他类型的高强度的复合纤维,来达到相应的加固效果,对被动受力进行补强,对材料进行加固
以下主要论述桥梁加固技术中的被动加固技术的特点及应用范围
3.公路桥梁被动加固技术的特点及应用 常见的公路桥梁被动加固技术主要有粘贴钢板加固法、粘贴钢筋加固法、粘贴高强复合纤维加固法以及粘贴玻璃钢加固法
3.1粘贴钢板加固法 采用环氧树脂等系列粘贴剂将钢板粘贴在结构物的受拉边缘或薄弱部位,使之与原结构物形成整体共同受力,以提高其强度,改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态,限制裂缝的进一步发展,从而达到加固补强、提高承载能力
此法加固的特点主要有:不需要破坏被加固的原有结构物;加固工程几乎不增大原有结构物的尺寸;尽管工程质量要求较高,但是施工时并不要求高级的专业技术人员操作;能在短期内完成加固工程;几乎可以不改变具有历史价值建筑的原有艺术特点;施工工艺简单,施工质量容易控制
应用:在梁底板粘贴钢板加固可以提高梁的抗弯能力;在梁腹粘贴斜向钢板,此法可以使钢板与混凝土受力,提高梁的整体刚度和抗剪强度;在牛腿处或靠近支座主梁梁腹粘贴钢板,可提高桥梁的整体刚度;当桥面底板破损,可在底板部粘贴钢板,补强受拉部位,并与原面板形成整体,以对桥面板的钢筋不足予以补强,防止桥面板混凝土的脱落
3.2粘贴钢筋加固法 当桥梁结构抗拉强度较低,受拉部位产生裂缝时,为了加强抗弯构件外纤维的抗拉能力可以采用在受拉部位粘贴钢筋的方法对桥梁进行加固
该法通过把钢筋粘贴在钢筋混凝土受弯构件的表面,使之与结构形成整体,从而取得提高构件的抗弯、抗剪能力,以及减少裂缝扩展的效果
粘贴钢筋法的特点主要有:施工简便,加工成型容易;加固施工周期短、消耗材料少;锚固牢靠方便;与桥梁构件粘附性能好、加固效果直接;加固部位可视设计构造的需要灵活设置等特点
例如当拱桥的拱肋出现超过规范宽度的裂缝视情况可以在拱肋处粘贴钢筋,在梁桥中也可以用粘贴钢筋方法进行加固
3.3粘贴高强复合纤维加固法 工程材料的进步及新材料的出现,历来是桥梁加固工程发展的先驱和动力
碳纤维等纤维复合材料的出现成功地应用于桥梁的加固与补强,使桥梁加固技术更上一个台阶,纤维加固法被视为梁式桥加固补强、提高承载能力,尤其是当高度受限制时的首选加固方法
高强复合纤维加固技术与其他加固技术相比具有以下几个特点:(1)结构方面:高强复合纤维质量轻且较薄,构件经过加固补修后不会使原结构的自重增加的,也就不会使建筑物的使用空间减少,即建筑物的自重和体积都不会改变
(2)施工方面:在进行加固过程中,混凝土结构构件的承载力和延性的提高可以将高强复合纤维的特点充分利用起来,从而将其受力性能进行改善,实现加固的目的
(3)使用方面:高强符合纤维加固技术,不会对原结构形状和原结构外观产生影响,可以应用于很多结构的建筑物中
高强复合纤维本身具有良好的耐腐蚀性和耐久性,可以增强桥梁的耐腐蚀性,所以一般情况下采用高强复合纤维加固技术加固的公路桥梁,其本身保护作用很强
3.4粘贴玻璃钢加固法 传统的加固法如加大截面法、预应力加固法、粘钢法等,虽然对改善结构的强度、刚度及抗震性能起到了一定的作用,但它们也存在自重大、抗腐蚀性能差、施工复杂、周期长等缺点
随着复合材料的出现,近年来国内外一些交通部门增强塑料(玻璃钢)作为桥梁的加固补强材料
具体说来是把玻璃纤维为增强材料,以玻璃纤维和合成树脂为原料制成玻璃钢合成为板材,通常情况下是在构件表面用环氧树脂粘贴无碱无捻方格玻璃布形成玻璃钢作为桥梁结构的加固补强层,但由于玻璃钢的弹性模量比较低,因而在粘贴玻璃钢时,常在中间粘贴Φ6mm的高强钢丝进行加筋
理论分析和试验表明 ,粘贴复合材料玻璃钢加固混凝土梁 ,能有效提高混凝土梁的抗弯承载能力
比起粘钢法,它除具备粘钢法的一些优点外,还具有轻质高强且可调,耐腐蚀,抗渗性能好,应用灵活,造价便宜
粘贴玻璃钢法适用于梁、板、等补强加固
4. 被动加固法理论计算 在具体的理论计算过程当中,需要注意多方面的问题
如采用粘贴钢板法加固桥梁时,首先认为钢板与被加固构件组成的截面仍然适合平面假定理论(实际钢板与被加固构件之间会产生一定的滑移)
其次计算其作用效应时宜按二个阶段来
包括:(1)粘贴钢板加固前,构件上的荷载包括其自重在内的实际恒载以及其他施工荷载;(2)粘贴钢板加固后,构件上的荷载包括其自重在内的实际恒载以及使用阶段的可变荷载(如汽车荷载)
5. 结束语 桥梁加固方法很多,应根据桥梁缺陷及病害选择合理的被动加固方法
随着新材料、新材料、新技术、新工艺的发展,桥梁加固方法也在不断改进和完善
需要广大桥梁工程技术人员在桥梁加固方面以科学的态度扎实的工作,坚持不断创新,为我国公路桥梁加固贡献自己的才智与力量
参考文献: 【1】蒙云,卢波编著.桥梁加固与改造【M】.通出版社,2004 【2】胡钊芳,帅长斌等编著.公路旧桥加固技术与实例【M】.人民交通出版社2001.20 【3】陈开利,王帮梅,林亚超编著.桥梁工程鉴定与加固手册【M】.人民交通出版社,2005.6 围绕山区桥梁高墩的抗震性能评价展开研究,并针对山区中常见的薄壁墩和圆柱墩,进行抗震性能对比,分析了抗震设计中的困难
【关键词】山区高墩;抗震分析;抗震性能评价 1背景分析 目前,对高墩桥梁进行地震反应分析主要以规范公式法和静力推倒分析法为主
对于桥墩抗震性能的评价,JTG/TB02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》【1】并没有给出量化的计算方法,只是提出了两水准设防、两阶段设计的抗震设计理念
实际发生破坏性地震时,虽结构未倒塌,但因损伤过大,造成的经济损失往往超出建设单位的承受能力
针对以上问题,本文尝试引入量化指标对桥墩抗震性能进行评估,可作为社会经济性评价参考
本文研究分析山区桥梁中普遍存在的柱式墩、薄壁墩,指出了其在高烈度地震下可能会出现非设计的预期结果,并从构造措施上给出了优化抗震建议
2典型山区高墩桥梁 本桥是贵州山区某高速上1座非常典型的高墩桥梁,上构为40m预制T梁,单向2车道,桥宽12.25m,全桥共3联:2×(3×40m)+4×40m;上部结构采用结构连续T梁
本地区场地类型为Ⅱ类,地震参数为抗震设防烈度7度,地震动峰值加速度0.15g
墩高分为空心薄壁墩(6.5m×3.0m,壁厚0.5m,墩身主筋HRB500D32)和双柱式墩,该类桥墩均为贵州山区非常常见的桥墩
全桥下构共9个桥墩,1~5#和9#墩为圆柱墩,直径2m;6~8#墩为6.5m×3.0m空心薄壁墩;3#、6#为分联墩;7~9#墩梁固结;1~9#墩高分别为:13.5m、27.2m、17.1m、11.9m、27.4m、56.2m、67.1m、59.8m、33.3m
3动力特性 动力特性是抗震性能评价的基础,本桥考虑X方向(纵桥向)和Y方向(横桥向)各35阶的模态
对结构进行模态分析,X、Y方向有效参与质量合计分别为92.85%、93.24%,纵桥向和横桥向均获得了90%以上的参与质量,可满足规范要求
前5阶振型频率分别为0.32Hz、0.39Hz、0.4Hz、0.43Hz、0.62Hz,周期分别为:3.11s、2.53s、2.48s、2.29s、1.60s,前5阶振型描述分别为:全桥纵向振动、全桥纵向振动、全桥横向振动并有扭转、全桥纵向振动、全桥横向振动并有扭转
山区桥梁桥墩一般都比较高,纵向刚度较柔,可从全桥的动力特性分析得出纵向与横向刚度的差异
通过以上分析可知,本桥桥墩普遍较高,桥墩较柔,因而自振频率较低;1~2阶振型皆为纵向,说明本桥纵向刚度小于横向刚度;横向振型中出现扭转,以第三联最为明显,是第三联桥墩刚度差异过于明显所致
4桥墩抗震性能评价 在基于性能抗震的设计理论中,现行规范并没有在这方面有明确的量化指标要求,一般情况下可用来衡量性能的参数有:变形、承载力、延性、曲率、阻尼比、有效刚度、能量等
本文采用墩顶延位移性系数和墩顶位移角2个指标来评定桥墩抗震性能
墩顶延性位移系数定义为在地震荷载作用下,墩顶的最大位移与桥墩墩身首次进入屈服状态时墩顶位移的比值,即u=um/uy
对于常规的桥墩构件,悬臂墩或框架墩的纵桥向计算在墩底截面刚刚屈服时,可认为曲率沿墩高线性分析,可得到墩顶屈服位移uy=(1/3)准yH2,其中,H为墩高;准y为桥墩的屈服曲率,可由桥墩的弯矩-曲率曲线得到,对于框架墩横桥向屈服位移需要做pushover分析得出
本文位移角可定义为墩顶位移与墩高的比值
综合参考文献【2,3】,对位移延性系数定义为完好(0,1】、基本完好(1,1.2】、轻微破坏(1.2,3】、中等破坏(3,4】、严重破坏(4,6】5类性能水准,位移角限值定义为完好1/500、正常使用1/400、修复后使用1/175、生命安全1/100、防倒塌1/505类性能水准
本桥墩高超30m为非规则桥梁,地震分析方法运用MIDASCIVIL软件采用时程分析
由贵州省地震局工程地震研究中心、武汉地震工程研究院有限公司提供的3组时程波计算(按100a超越概率10%水平向峰值加速度),计算结果取3组的最大值
时程分析墩顶位移见表1
从时程分析结果来看,不同的抗震性能评价指标反映的结论并不完全一致
本桥的位移延性系数指标均可满足完好指标,但位移角却存在不同的评价,总体上都能满足修复后使用要求
由于现行抗震规范并没有在桥墩抗震性能评价指标上有具体的规定,所以需要综合多种指标来评价分析,并确保每项指标都能满足最低目标性能要求
从桥墩类型抗震性能角度分析,空心薄壁墩比圆柱墩的延性更好,其变形为弯曲破坏,能消耗大量的地震能量,圆柱墩如果墩身过矮则有可能发生剪切破坏,这不是期望的破坏结果
圆柱墩抗震性能不仅与墩高有关,还与上部构件连接的边界条件有关,并且同一联不同刚度桥墩还会相互影响,但是,总趋势是墩身较高的圆墩抗震性能比较低的要好
5框架墩横向抗震分析 双柱或者多柱墩是非常常见的桥墩形式,在贵州山区高墩中往往有墩高达30~40m的情形,通常会设置2~3道中系梁,中系梁的存在可减小圆柱墩横桥向长细比,提高稳定性,但其会改变桥墩的侧向刚度
以本桥的9#墩为例,通过桥墩的横向抗震分析发现,当墩顶位移达到14cm,桥墩中系梁附近会提前出现屈服,甚至会优先于墩顶底位置屈服,这显然是对抗震性能不利的
对比其他有中系梁的圆柱墩亦有类似情况,即中系梁附近可能会先于桥墩顶底位置发生屈服
贵州高速公路圆柱墩习惯上采用密系梁,即桥墩系梁间距控制的很小,通常在12m内
这对于抗震而言并无益处,中系梁的存在会造成墩身刚度沿高度上发生突变,柱弯矩、剪力在此位置都会有突变,使得墩身系梁位置在地震荷载下会产生更大的水平力,而墩身系梁上下位置一般不会加强,这导致系梁上下附近的墩身变成薄弱区,易形成新的塑性铰区域
中系梁往往尺寸很大但长度又较短,造成中系梁刚度与柱刚度相差很大,而刚度差异越大,墩柱在中系梁附近越易形成薄弱层(形成塑性铰或剪坏)
此外,对于多柱墩,中系梁的存在还会造成墩柱轴力上发生剧烈的变化
综上分析,对于桥墩中系梁宜尽量少设,最好不设,对已设中系梁桥墩,墩身在中系梁附近宜进行箍筋加强,系梁两端也宜进行箍筋加强,避免剪切先于弯曲破坏
6高墩的墩顶允许位移 山区高墩常见的有实心矩形墩、空心矩形墩,这类桥墩刚度通常很大,按公路桥梁抗震细则规定,塑性铰区域的最大容许转角与极限破坏状态的曲率、等效屈服曲率、等效塑性铰长度有关
本文以7#高墩为例,7#墩高67.1m,设计为空心薄壁墩(6.5m×3.5m)
利用MIDASCIVIL做弯矩-曲率分析,可得出该墩在横向位移下,等效屈服曲率为0.00057m-1,极限曲率为0.0035m-1
利用MIDASCIVIL做墩顶容许位移分析时,认定当桥墩墩身任意位置曲率达到极限曲率的一半时即到达设计容许曲率,此时墩顶位移即为容许位移
以此计算出7#墩顶横向容许位移约为1.9m,纵向容许位移会更大,原因是桥墩纵向刚度比横向小,纵向的等效屈服曲率和极限曲率都比横向要大
由此可见,由于薄壁墩墩身很高,导致计算出墩顶容许位移非常大,这意味着薄壁墩墩身并不容易发生破坏,而桥墩连接上构的支座(分联位置会设置,其他位置一般固结)却无法适应如此大的位移
在桥墩抗震概念设计理念中,按能力保护原则,一般会要求桥墩的盖梁、挡块、桩基、支座等不应先于桥墩墩身破坏,显然对于挡块、盖梁等可以通过尺寸增大、配筋加强来提高,但对于本桥的支座,要适应如此大的位移,支座设计本身将会十分困难,这亦说明支座是高墩桥梁抗震的一个非常脆弱的环节,应尽量避免设置支座
7结语 本文通过贵州山区一典型实际桥梁的桥墩抗震分析,从不同类型桥墩抗震性能指标评价、圆柱墩系梁的设置、墩顶横向位移3个方面深入研究讨论,分析的结论具有较大实用价值,可供工程人员参考
【参考文献】
【1】JTG/TB02-01—2008公路桥梁抗震设计细则【S】.
【2】刘艳辉.基于性能抗震设计理论的城市高架桥抗震性能研究【D】.成都:西南交通大学,2008.
【3】李正英,李竟涛.钢筋混凝土高墩抗震性能评价指标【J】.重庆大学学报,2014,37(2):69-74.
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