既有橋梁承載能力評價方法分析探討

查品才

多年來,國內(nèi)外的橋梁工作者們一直致力研究既有橋梁承載能力的評定方法,在各自的工程實(shí)踐和研究中提出了各種評定方法。根據(jù)各種評定方法的典型特征,大致有以下幾種,現(xiàn)對各種方法進(jìn)行分類對比分析。

1 基于實(shí)橋調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法是以橋梁原有設(shè)計荷載等級為基礎(chǔ),同時考慮損傷程度、材料老化程度、橋面行駛條件、實(shí)際交通情況、橋梁建造使用年限等因素,折算求出橋梁承載能力的方法。橋梁承載能力由下式求得:

其中,P為被鑒定橋梁的承載能力;P0為被鑒定橋梁的基本承載能力,即原設(shè)計承載能力;K1為殘存承載能力系數(shù),根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)損壞程度、材料老化程度而定;K2為橋面行駛條件好壞的系數(shù);K3為反映實(shí)際交通情況的系數(shù);K4為橋梁建造使用年限系數(shù)。

該方法的特點(diǎn)是應(yīng)用簡便,各系數(shù)由評定者根據(jù)現(xiàn)場情況決定。其關(guān)鍵問題是確定各種系數(shù),系數(shù)的建立必須經(jīng)過廣泛的調(diào)查研究,故其適用性有所限制,計算結(jié)果較為粗糙。

1.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

以驗(yàn)算橋梁主要受力構(gòu)件的斷面尺寸進(jìn)行評定的方法,稱為經(jīng)驗(yàn)公式法。其原因是這種方法大多情況下都有經(jīng)驗(yàn)公式或近似公式可用。對于一般的梁式橋,經(jīng)驗(yàn)公式法中,其斷面尺寸驗(yàn)算可按主梁控制計算的實(shí)際截面尺寸計算,按下列公式估算橋梁承載能力的大致鑒定系數(shù):

其中,Mj為按照實(shí)際斷面尺寸計算的截面承載能力;Md為按實(shí)際斷面計算的恒載內(nèi)力;Mh為計算標(biāo)準(zhǔn)車輛產(chǎn)生的活載內(nèi)力(包括沖擊力)。

鑒定系數(shù)不小于1.0,表示可以安全通過。很明顯,該方法比較簡便,但只能用于初步估計橋梁的承載能力。該方法的缺點(diǎn)是不能考慮橋梁存在的各種各樣的缺陷,也就是說,該法對于既有橋梁的實(shí)際承載能力較難評定。但是,如果用該方法評定承載能力的結(jié)果與實(shí)際承載能力相差10%以內(nèi),則該方法還是可行的。

2 荷載試驗(yàn)方法

2.1 靜載試驗(yàn)法

靜載試驗(yàn)法是通過在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與設(shè)計荷載或使用荷載基本相當(dāng)?shù)耐廨d,利用檢測儀器,測試橋梁結(jié)構(gòu)的控制部位與控制截面在荷載作用下的應(yīng)變、撓度變形、裂縫及開展情況、橫向分布系數(shù)、墩臺變形等特性變化,將測試結(jié)果與結(jié)構(gòu)理論計算值及規(guī)范的允許值作比較,從而評定出承載能力。

靜載試驗(yàn)法具有直觀、可靠的特點(diǎn),是其他方法所不能及的,但也并不能替代常規(guī)評定方法,而只能視為獲取信息的手段和分析方法的補(bǔ)充。其原因是該法規(guī)模大,試驗(yàn)費(fèi)用高,方法難以普及,可能引起結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷,影響正常交通。

2.2 動載試驗(yàn)法

動載試驗(yàn)是通過橋上汽車的跑車、跳車、剎車動荷載或穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等方式的激振荷載作用,使用檢測儀器,測試橋梁結(jié)構(gòu)上各控制部位的頻率、振幅、阻尼及沖擊系數(shù)等動態(tài)參數(shù),分析這些測試結(jié)果并與相應(yīng)的計算值或經(jīng)驗(yàn)值相比較,進(jìn)而評定承載能力。

盡管目前已有這方面的文獻(xiàn)資料,但由于舊橋結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量和邊界條件等難以精確確定的問題,加之試驗(yàn)資料的積累相對缺乏,橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)工作機(jī)理還未得到徹底揭示,因而直接尋找橋梁結(jié)構(gòu)動力特征與其承載能力的關(guān)系比較困難。

3 設(shè)計理論法

該方法是指基于橋梁設(shè)計規(guī)范,根據(jù)實(shí)測材料性能、結(jié)構(gòu)幾何尺寸、支承條件、外觀缺陷及通行荷載,按照橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論來評定承載能力。橋梁設(shè)計規(guī)范是指導(dǎo)橋梁設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn),這一標(biāo)準(zhǔn)基于工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn),且不斷充實(shí)和完善。因此,利用橋梁設(shè)計規(guī)范的計算理論來分析既有橋梁承載能力的方法,具有堅實(shí)的理論基礎(chǔ)并得到廣泛的應(yīng)用。目前許多國家都趨向于以“鑒定系數(shù)”來評價承載能力,其一般表達(dá)式為:

其中,K為鑒定系數(shù);R為構(gòu)件承載能力;G為恒載內(nèi)力;S為標(biāo)準(zhǔn)車輛的活載內(nèi)力。

各國規(guī)范對于材料的設(shè)計強(qiáng)度、荷載橫向分布、沖擊系數(shù)等規(guī)定不同,因此式(3)的具體形式和涉及到的計算系數(shù)取值各異,所得的鑒定系數(shù)也不相同。

我國交通部試行的“公路舊橋承載能力鑒定方法”對承載能力檢算基本按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中的方法進(jìn)行,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢算公式如下:

其中,Z1為舊橋檢算系數(shù),根據(jù)橋型和橋梁的實(shí)際狀況的優(yōu)劣確定。試行標(biāo)準(zhǔn)中給出了拱橋和梁橋的Z1值表,但Z1仍根據(jù)橋梁外觀由鑒定人員選定,因各人經(jīng)驗(yàn)不同,Z1的選擇會有較大的差別。

其他國家如英國1984年提出了專用的橋梁評估規(guī)范,其中給出了橋梁承載能力評估的一般原則,即:

其中,RA為承載力的評定值;R*為計算的承載能力;Fc為狀態(tài)系數(shù);R*根據(jù)實(shí)測材料強(qiáng)度和截面特性確定,Fc根據(jù)橋梁的缺陷進(jìn)行估計。

日本在評定鋼筋混凝土橋梁的抗彎強(qiáng)度時,混凝土的強(qiáng)度采用實(shí)測數(shù)值,對于有損傷的橋梁,其斷面慣性矩減少的原因是由于鋼筋銹蝕、施工質(zhì)量差、有效寬度的計算誤差和裂縫等引起的。因此必須先求出含筋量與有效寬度和截面慣性矩之間的關(guān)系,然后根據(jù)截面慣性矩的評估值求出含筋量與有效寬度,進(jìn)而求出抗彎破壞強(qiáng)度。

4 等代荷載判別法

采用等代荷載法可比較迅速的判別超限車輛過橋的可能性,是一種比較實(shí)用的方法。這一方法就是在同一跨徑(或荷載長度)用同一種影響線分別計算出超重車和標(biāo)準(zhǔn)車的等代荷載,將兩者進(jìn)行比較,以判別超限車輛能否安全通過橋梁或橋梁是否需進(jìn)行加固。在超限車運(yùn)輸要求時間緊、計算量大的情況下,可采用該方法進(jìn)行粗略判斷。這要求在驗(yàn)算時對橋梁的實(shí)際載重能力作切合實(shí)際的評價,對其承載能力作切合實(shí)際的評價。

5 實(shí)際荷載驗(yàn)算法

實(shí)際荷載驗(yàn)算法就是利用超重車輛產(chǎn)生的構(gòu)件最不利組合與標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的最不利內(nèi)力組合進(jìn)行比較判別的方法。在此方法驗(yàn)算中,應(yīng)考慮超限車過橋時的各種管制措施,主要考慮行駛的橫向位置及不允許其他活載同時作用。由于超限車過橋不變速、不制動及限速5 km/h的要求,因此在計算時可不記入沖擊力影響。在驗(yàn)算判斷橋梁能否通過超限車輛,須按超限車輛的縱向最不利位置算出結(jié)構(gòu)的最不利內(nèi)力值,并考慮橫向分布的影響,然后再與橋梁標(biāo)準(zhǔn)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行比較判別。

6 非線性理論法

上述方法都是依靠橋梁的外觀檢查和簡單的力學(xué)計算,進(jìn)而評定既有橋梁的承載能力,實(shí)際上僅僅如此是不夠精確的,而應(yīng)該根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式、建筑材料、設(shè)計和施工技術(shù)資料以及既有橋梁的損傷狀態(tài),綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)在一系列荷載作用下的變形過程所呈現(xiàn)的幾何非線性和材料非線性性質(zhì),才能在進(jìn)行合理而又系統(tǒng)的計算之后,對其承載能力(或極限承載能力)作出比較切合實(shí)際的評定。采用非線性理論對既有橋梁進(jìn)行承載能力評定,無疑是比較精確的方法。如果采用的各種材料的本構(gòu)關(guān)系能夠比較符合實(shí)際,對既有橋梁的缺陷考慮得充分,則這種方法是大有前途的。它不但能對既有橋梁的承載能力(或極限承載能力)進(jìn)行分析,對于新建或設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)都能進(jìn)行全過程分析。不足之處是該法比較復(fù)雜,無論是在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上,相對于前述的各種方法都困難。目前,用非線性理論計算進(jìn)而評定橋梁承載能力的方法尚不成熟。

7 結(jié)語

基于上述各種舊橋承載力評定方法,都可對承載能力進(jìn)行評判,但在具體的實(shí)際工程中,鑒于工期、資金等相關(guān)問題的制約,往往會采用1～5所涉及到的方法,但該類方法精度不夠精確,能勉強(qiáng)滿足工程需要,隨著計算機(jī)水平及設(shè)計理論的發(fā)展,非線性理論方法將更廣泛的應(yīng)用于舊橋加固,工程可靠性得到較大程度保證,并能在一定程度上節(jié)省工程造價。

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