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虎门大桥"涡振",桥梁安全引发关注,碳纤维复合筋加固桥梁了解一下

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-05-08  浏览次数:253
核心提示:5月5日14时许,广东虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动。桥面振幅过大影响行车舒适性和交通安全,大桥管理部门迅速启动应急预案,联
     5月5日14时许,广东虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动。桥面振幅过大影响行车舒适性和交通安全,大桥管理部门迅速启动应急预案,联合交警部门及时采取了双向交通管制措施。19时46分实时监控视频显示虎门大桥再次发生异常抖动。
官方最新回应来了
    广东省交通运输厅、广东省交通集团连夜组织国内12位知名桥梁专家召开专题视频会议进行了研判。
    广东省交通集团6日凌晨通报称,专家组判断,虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象,并认为悬索桥结构安全可靠,不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性。
    专家组初步判断,虎门大桥悬索桥本次振动主要原因是,由于沿桥跨边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,产生的桥梁涡振现象。
    大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象,振动幅度较小不易察觉,仅在特殊条件下会产生较大振幅,不影响桥梁结构安全,会影响行车体验感、舒适性,易诱发交通安全事故。
    目前,虎门大桥桥面已基本恢复常态。为确保大桥交通安全万无一失,虎门大桥管养单位已紧急开始对大桥进行全面检查检测,同时交通运输部已组建专家工作组到现场指导,虎门大桥将继续封闭双向交通,有关单位正全力加快检测,以争取尽早开放交通。
知识点:
    悬索桥颤振(Flutter):振动的桥梁通过气流的反馈作用不断吸取能量,当达到临界风速时使振幅逐步增大直至最后使结构破坏的发散性振动。该振动多发生在风速较大的情况,根据节段模型风动试验,虎门大桥的颤振临界风速大于79m/s,远大于现在发生振动的约9m/s,因此可以排除这种情况。
    涡激共振(Voxtex-excited Resonance):风绕流经钝体结构时可能发生旋涡的脱落,出现两侧交替变化的涡激力,当旋涡脱落频率接近结构的自振频率时,所激发出的结构共振现象。多发生在小于25m/s的较低风速,与本桥的情况吻合。
大修团队见解
    虎门大桥大修办公室副总工程师张鑫敏5日晚接受央视新闻采访时表示,大跨径悬索桥,由于风的作用,会有颤振和涡振。简单来说,颤振可能产生扭转,对桥梁结构有破坏作用,而涡振对桥梁结构不会有影响,只会对行车舒适度有影响,其最明显的特征是,桥面上下振动。而涡振产生的原因是,风作用在桥面上,跟桥的自振频率一致,产生共振,且是有限幅度的振动,一定范围内的振动,在低风速的振动。风速的变化,如大小、方向等,涡振会慢慢消除。
    对于为何后续还会发生抖动,张鑫敏表示,虎门大桥是大跨径悬索桥,属于柔性结构,抖动发生后,把桥面的水马清理了,风速也减小了,涡振就小了很多,之所以仍有抖动,可能是惯性的原因,涡振会慢慢自动消除。
    张鑫敏介绍说,虎门大桥颤振临界风速为79m/s。经检测,5日下午,桥面的风速为10-12m/s,约为5级风速;当晚,桥面风速大约9m/s。当前,工作人员正在对虎门大桥检测,主要对风速、振幅、大桥结构物等进行检测,同时也邀请了对业内权威专家开会研究,会对涡振的原因、大桥的抗风性等进行研究论证。
桥梁专家见解
    桥梁专家、同济大学土木工程学院桥梁工程系教授葛耀君在接受媒体采访时解释说,因为虎门大桥在修吊杆和主缆,桥梁两边放置了临时挡墙防止车撞,也就是俗称的“水马”。原来桥梁结构是非常流线型,加了水马就变得非常钝体,容易引起涡振。
    葛耀君通过现场视频研判,估计5月5日的振动幅度为几厘米或十几厘米,这样的振动看上去很大,但对新桥验收时,需要用满载车辆测试桥梁承载力。虎门大桥主跨880米,就要下降四百分之一,也就是向下发生位移和变形2米多。
    因此,他认为此次振动不会对虎门大桥产生强度与安全性问题,但振动会让人不舒服,车开上去会有危险,交通还不能通。
延伸阅读:碳纤维复合筋在桥梁加固中的应用
    碳纤维片材用于桥梁加固技术是目前应用较为普遍的技术之一,其十几年来的应用为桥梁加固事业作出了历史性的贡献。
针对传统桥梁加固改造工程中所存在不足,诸如:因采用的加固材料(如钢板/纤维布)温缩模量与混凝土钢筋混凝土材料的温缩模量差异较大,不能形成同步的温缩变形状态,影响加固耐久性;采用钢材加固增加防锈处理等后期维护投人;以及采取增大截面法,结构面会留下不和谐修补“伤疤” 影响结构外观和技术状况评价等问题,碳纤维筋桥梁加固是一项新的应用外粘高性能碳纤维复合材料增强结构技术,主要形式包括“嵌人植筋加强法" 和“体外配筋扩大截面增强法"。碳纤维筋与高强聚合物砂浆的联合使用充分利用了纤维棒筋的抗拉伸强度、聚合物砂浆的快凝强度和砂浆与钢筋混凝土结构的温缩模量的近似特性,既可提升钢筋混凝土结构的承载能力,也可充分利用新材料环境特征,达到维修、加固、利用与修旧翻新的综合作用。
碳纤维复合筋的性能
    碳纤维复合筋为棒型材料,主要成分为由碳纤维,通过特殊技术处理与树脂高温固化而成。碳纤维分子结构界于石墨和金刚石之间,含碳体积分数在0.9以上。碳纤维根据原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3种,由原丝纤维加热至高温后除杂获得。根据碳纤维原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3 种。目前,PAN碳纤维按力学性能又分为高模量超高模量、高强度和超高强度4种;按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维,其中小丝束以1K、3K、6K、12K和24K(1 K为1 000根长丝单位重量),大丝束为48K以上。
碳纤维的优势
    碳纤维具有较强的防水和防渗漏的特点,具有耐酸、耐碱的耐腐蚀性,阻燃性和良好的力学性能和良好的导电导热性,因此也在建筑工程和其他领域被广泛运用。据投资顾问行业研究中心相关统计数据显示,目前,世界碳纤维的需求量将以每年约13%的速度增长。由此可见,碳纤维的使用将越来越广泛。
碳纤维复合筋的特性
碳纤维复合筋的主要技术指标及其与钢筋对比如下表:
    碳纤维复合筋的主要性能:(1)质量轻(相当于钢密度的1/5);(2)强度高(抗拉强度是钢筋的4到5倍);(3)密度小(1.5g/cm3);(4)弹性模量高(弹性回复100%);(5)热膨胀系数小,耐高温和低温性好;(6)耐酸性好,对酸呈惰性,耐浓酸侵蚀;(7)与砂浆附着力强。从表格中可以看出,碳纤维复合筋的密度远远小于钢筋,同样体积的材料,重量上碳纤维复合筋的优势很大;碳纤维复合筋抗拉强度也大于钢筋,其热膨胀系数较低,就说明在相同的温度下,膨胀的程度会低很多。
    桥梁作为公路交通的关键设施,具有跨越深谷、承受运载、通航泄洪、保证安全、连接路网的重要功能。目前,我国各级公路上营运的桥梁总数达 60余万座。
    按桥梁设计技术标准对大中小类型的桥梁平均使用寿命测算,桥梁平均设计使用寿命在50年左右。全国年均需要改造翻新的桥梁约有10 000 余座,合计约60余万延米。以二级路为例,每年国家需要投人的桥梁改造费用上百亿人民币,这是一笔巨大的投资。根据近10年危桥改造的统计数据表明,现有重交通组成作用下的桥梁使用寿命平均在33年之内,部分路段桥梁的使用寿命甚至更短。如何更有效的延长桥梁的使用寿命、如何更有效的提高危险桥梁的改造利用技术、如何将加固后的桥梁变得更持久,是当前桥梁管理中面临且急需解决的问题。
    面对当前大规模的桥梁改造任务,各级桥梁管理部门都十分重视其处理效果,近年来积极研究和寻求有效的维修加固新技术,但这并不是一件容易的事情,目前在桥梁加固改造中常采用的技术还是十几年前的研究成果,主要方法如:“钢板加固法”、“扩大截面加固法”、“体外(内)预应力加固法”、“碳纤维布加固法”等,这些材料技术为轻交通状态下的桥梁加固做出过贡献。随着近几年重交通的发展和扩散,现有桥梁的加固材料和工艺技术在适应性方面面临巨大挑战。一方面是目前所使用的加固材料(如钢板/纤维布)其温缩模量与混凝土钢筋混凝土材料的温缩模量差异较大,造成加固后的补强材料与原结构的温缩变形差异化,形成不同步的温缩变形状态,影响加固耐久;另一方面当前加固中为提高结构受力的高强材料仍然采用钢材,因钢材有防锈处理的要求,这样就增大了后期的维护投人,在结构层面上需要增设3 cm以上厚度的防锈保护,造成自重增加,影响使用效果;此外,在增大截面法中,因材料强度因素,需要增厚自重增加,影响结构受力和加固效果。现有加固材料和工艺中即便是解决了受力要求,但施工后的结构面会留下不和谐修补“伤疤”,影响结构外观和技术状况评价。
    由此可见,研究和选择一种高强、防腐蚀、经济、施工方便,且与钢筋混凝土材料温缩模量相一致的维修加固材料,达到理想的加固改造,且能提高桥梁的承载能力是十分迫切和必要的工作。
    碳纤维筋桥梁加固技术为新材料新工艺应用科学研究范畴,该技术适用广泛、概念新异、高效耐久,为现有桥梁加固材料的替代产品,将积极推动我国旧桥加固技术的发展,解决困扰各级桥梁管理人员有关桥梁行驶安全的顾虑,大大提升结构安全领域的技术进步。
 
关键词: 玻璃纤维 复合材料
 
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