水下墩柱结构检修一体化套箱结构设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的及意义

1.1研究背景

桥梁水下墩柱结构是桥梁的主要承重构件，相对于水上部分，水下的物理及化学条件更加复杂，随着使用时间的推移，水下桩基必然产生不同程度的病害（例如水流冲刷、淘刷、气蚀、严寒区域的冻融以及化学腐蚀及电化学腐蚀等）,另外，桥梁的桩基还可能遭遇船舶碰撞，浮冰的冲击，地震以及生物附着等环境载荷的损害。^[1]研究表明，在上述损害中，桥梁水下部分连续浸没的混凝土通常表现良好，主要在受潮和干燥的地方发生混凝土变质。而当混凝土结构被潮汐或海水喷雾等盐水交替湿润时，存在严重的暴露条件。交替湿润的部分有足够的机会与大气中的氧气接触。从而在含水环境的混凝土中，钢筋在潮汐区和飞溅区的腐蚀速度比其他区域更快。病害的积累会直接影响桥梁的安全性与耐久性。故需要对现有桥梁进行定期的水下桩基检测和维修工作。^[2]

国内桥梁出现损伤案例多有出现，例如新疆乌昌路头屯河大桥，2015年时由具有专业资质的潜水员水下探摸，录像检测发现其水下基础部分出现混凝土破损缩颈，桩基钢筋笼外露，有白色夹泥的病害情况^[3];福州乌龙江橘园洲大桥于2002年底建成通车至今，通过水下检测，发现桥梁水下部分河床下切10米以上导致多个桥墩桩基外露。^[4]地震等自然灾害也会引起桥梁桩基的损坏，例如2008年汶川地震，位于都江堰紫坪水库上游4.2KM处的庙子坪岷江特大桥受损严重，部分桥墩墩底出现环向裂缝。^[5]

图1.1-1桥梁病害情况

由于水流的影响，水下检测和维修相对于陆地上的相同工作都困难的多，且随着水深的增加，这些困难的程度会升高，特别是对有潜水员参与的工作，在水下，加在潜水员身上的水压会引起人体生理变化以及呼吸空气中气体的吸收；且水深的增加造成的水温下降也会影响潜水员的工作效率。^[2]检测方面：水本身以及水质会影响检测仪器的操作和精度，有些恶劣的水下环境会难以完全保证潜水员的人身安全。维修方面：水下施工环境比陆地更复杂，一些小的维修可以由潜水员配合相关设备完成，但当水流环境变差或水深增加时，则需要制造围堰或堤防，这种方法所需的工期长，成本高，且拆装都很复杂。

当前，桥梁的水下桩基维修还没有完善系统的工程方案，水下结构维修的传统方法一般都需要无水的“干式”环境，一般采用的围堰等方法所需工期长，成本高，施工过程中占用航道空间。^[6]故若能快速在水下制造一个“干式”空间，将大大缩短维修工期，节省维修成本。

1.2国内外相关研究现状分析

1.2.1.水下检测方法研究现状

目前国内外的检测方法，以及各方法的优缺点如下表：

其中，潜水检测，组合式水下摄像仪检测以及水下机器人检测为表观损伤的检测方法；三维激光扫描，水下声纳三维扫描和GPS结合水深仪检测为进行基础冲刷的检测方法。^[4]

1.2.2水下维修方法研究现状

水下维修的方法主要分为“干式”处理与“湿式”处理两种。“干式”处理指在干燥的环境中进行修复工作。可以通过安全围堰，建造堤坝或安装便携式水坝来获得干燥的工作场所。生产所需的干燥场地和涉及到的各种大型工程设备会导致维修成本的增加。“湿式”处理是指直接在水下进行维修工作。通常涉及使用商业潜水员，则场地，水下的流场环境，相应的法规等都会限制“湿式”工作的进行。^[2]

目前，国内外桥梁桩基检修已经有一些对具体问题的针对性方法，例如为桥梁维修制造“干式”环境的方法有：传统的围堰、堤防、专用屏障系统、Limpet围堰（一种三面围堰）^[2]，“湿式”维修的方法有直接由潜水员下水进行水下操作、先在桥梁墩柱上架设支架然后安装钢筋护筒再灌注水泥的方法 ^[3]、国外在近年还提出一种水下修复方法：首先针对水下需要修补的结构制备相应的修复剂，然后将修复剂施加在一条柔性带上，将此柔性带贴在需要修复的区域上，待修补剂固化后拆除柔性带。但此方法适合水流速度较小甚至完全静止的工况，实际工程应用较少。^[4]对于这些方法，各自有各自的局限性，例如干式修理一般比较昂贵，湿式修理则不易完全保证潜水员人身安全。

1.2.3止水胶囊在桥梁水下维修中的应用现状

本设计方案有有用到用止水胶囊来保证底部套箱与桥梁桩基之间的水密性，该技术在同工程领域以有应用先例：

在2010年建造的青岛海湾大桥项目中，所需的工程规模极大，建造桥梁水下承台混凝土用量需24万m，但整个下部结构工期仅18个月，工期压力大。当时便研发了混凝土套箱进行辅助施工，当时该套箱的底部便是用的止水胶囊进行水密，在该工程项目中，止水胶囊表现良好，营造了良好的无水施工环境。^[7]

图1.2-1止水胶囊产品 图1.2-2胶囊止水效果

在港珠澳大桥的建设过程中，在国内首次采用了承台墩身全预制吊装施工工艺，而止水技术是预制墩台湿法安装的关键控制要素，此次工程中采用了分离式柔性胶囊止水，经过试验，分离式柔性胶囊止水技术可成功实现10至20米水深情况下的止水要求。并有效控制了失效风险。^[8]

由上述案例可以看出，本设计计划采用止水胶囊进行水密是完全可行的。

1.2.4.玻璃钢材料的发展现状

玻璃钢材料具有密度小，强度高，介电性能好，耐腐蚀及易加工成型的优点。力学性能上，突出特点是比强度与比模量较高。^[9]目前，玻璃钢已经在航空航天、船舶制造，公路交通等多个行业有了应用先例：2014年，仅我国常州地区船厂就建造了503艘玻璃钢船舶503艘。^[10] 在桥梁，建筑物和其他工程结构物的维修上。由于钢筋混凝土（RC）构件的老化，环境导致的劣化以及当前设计要求的提升而需要进行加强，维修和翻新。纤维增强聚合物（玻璃钢）已被证明是用于缺乏RC构件的广泛使用的增强材料。^[11] 在欧洲，还有利用玻璃钢复合材料制造的人行桥，相关研究发现，相对于钢筋混凝土桥梁，玻璃钢复合材料的阻尼比更高，则其面对激振时的震动恢复也更快。^[12]

故以这一材料为主体的套箱设计在实际工程应用中有较高的可行性。

1.3.设计目的

针对桥梁水下桩基潮汐区与飞溅区的混凝土虐化速度快，检修需求大这一现象，结合现有的相关材料与技术。设计出一种可以实现在水下十米以内实现无水施工的套箱。并制定完整的施工方案。

1.3.桥梁墩柱检修一体化套箱的应用前景(意义)

1.为维修工作提供干式环境。

2.对内河一些水深不超过10m的桥梁，可实现水下桩基的全部维修工作。

3.一个套箱可拆装重复使用，经济性高。

4.可继续设计配套的检测工具，如在套箱内部安装螺旋轨道配合相应仪器可以直接对桥梁桩基进行检测。

2. 研究的基本内容与方案

2.设计的基本内容，目标，拟采用的技术方案及措施

2.1.设计的基本内容与目标:

水下墩柱检修一体化套箱的设计基本内容与目标包括：

3. 研究计划与安排

3.进度安排

第1－2周：查阅相关文献资料，明确设计内容，分析国内外航道整治工程中水下检测技术和装备的发展现状，完成开题报告。

第3周，翻译英文论文。

4. 参考文献（12篇以上）

4.阅读的参考文献

[1]唐煜.桥梁水下结构检测及bfrp网格加固技术研究.东南大学工程硕士学位论文.2013.5.15

[2]2010-underwater bridge repair, rehabilitation, and countermeasures;publication number_ fhwa-nhi-10-29