基于結構承載能力的橋梁加固效果評價

魏漢鋒

（廣東省佛開高速公路有限公司，廣東 佛山 528000）

基于結構承載能力的橋梁加固效果評價

魏漢鋒

（廣東省佛開高速公路有限公司，廣東 佛山 528000）

在橋梁工程由大規模建設逐漸步入檢測與養護階段的大背景影響下，橋梁加固為適應多樣化的性能需求影響，并不拘泥于有限的幾種形式，有著廣泛的發展前景。由于我國現行規范及標準主要針對加固的承載驗算或施工質量控制層面，僅適用于加固方案的下限控制，缺乏方案之間的綜合評定方法，用以對比各加固措施的效能。通過總結現有橋梁加固評價方法尚不完善之處，提出了安全程度及加固效率的綜合評價方法，并依據該思路構架承載能力評價指標，結合規范標準及實施經驗，給出了性能指標需要滿足的極限狀態強制性標準。最后，通過一座橋梁的加固實例展示了評價操作流程。

橋梁加固；方案對比；加固效率；加固效果評價；加固效果指標

0　引言

大量的加固實踐為橋梁工程的加固方法積累了廣泛的工程經驗［1］，并且在實踐的基礎上制定了現行的規范、標準，對加固設計及施工的下限進行了詳細的規定，包括應滿足的強度要求、剛度要求、耐久性要求、質量控制標準等，已有研究則主要針對加固方法的適用性以及是否滿足規范進行檢驗，由于針對目標不同，尚存在如下未完善的研究內容［2-4］：

（1）適用于方案階段各方案比選的綜合評價方法。加固方案設計階段與新建大橋方案設計階段具有一定的相似性，均需要對加固效果及經濟性進行評定，由于加固中部分同類不同措施的性能差異較為模糊，且對于預期壽命的評價理論尚不完善，因此該綜合評價方法目前仍在不斷完善。

（2）適用于加固后的加固效果綜合評價方法。橋梁加固后通過逐年檢測，積累了大量的加固時效資料，但尚缺少能夠綜合分析評定的理論體系，未能將大量的實踐經驗完全轉化為優化后期加固方案制定的指導意見。

無論適用于方案階段或者實施后檢驗階段，均以加固效用評價體系為核心內容，基于此，本文在目前眾多研究成果的基礎上，提出了安全程度與加固效率綜合評定的構想，并根據該方法構架了承載能力綜合評定的指標，用于校驗設計方案，也可用于評價加固對結構承載能力提升目標的實現程度，為后期加固措施的制定提供科學依據。

1　加固效果綜合評價指標

1.1評價指標的建立

橋梁在投入使用后的一段時間內通常會產生病害，在壽命周期內可能經歷數次的維護，以延長其使用壽命。橋梁病害的存在及持續發展降低了橋梁的服役水平，縮短了橋梁的使用壽命。橋梁病害主要影響橋梁三類性能的表達：承載性能、正常使用性能以及耐久性能。

既有研究或實施中對于設計階段或者檢測階段的性能評價主要從方案富余度的層面考慮，多采用相較于規范中的荷載效應的安全程度K，可用下式進行表示

式中：R為抗力；S為荷載效應。

本指標能夠反映管理單位最為關心的運營安全程度，也是方案及加固效果評價的基礎指標。但應當注意，若兩個方案或者加固案例具有相同的安全程度，并不能直接判定兩個措施是等效的，即使引入經濟性指標進行綜合評判，也不足以判定加固效能，本質原因為各因素中未能充分考慮舊橋的“加固起始水平”。

為反映從“加固起始水平”至“加固完畢水平”之間的提升度，引入加固效率E對加固的效能進行評價。引入該指標后，能夠反映結構對加固措施的“效用敏感性”，便于定位最為高效的加固措施。

指標表觀意義如圖1所示，定義安全程度與加固效率指標如下：

（1）安全程度。其計算機理是加固后性能與規范強制性能的比值，符合程度越高，表明性能富余量越大。

（2）加固效率。采用性能提升量與加固前性能的相對比值來描述，該指標與安全程度的區別在于，它直接反映加固方法對某種病害的適用程度，便于對加固方法進行綜合評定。

圖1　指標表觀意義示意

1.2指標在評定承載性能中的應用

在安全程度及加固效率指標的基礎上，本文對其在承載性能評定中的應用形式進行推演。影響承載安全的主要因素有：截面損傷、鋼筋銹蝕導致的承載力降低；超載車輛增多，導致活載效應遠超原設計值，使得橋梁脫離彈性工作區域，進入塑性發展區域，產生損傷或者倒塌。

橋梁結構承載性能提升加固流程為，以預期加固目標評價結構在強度、穩定性等方面滿足現有交通荷載的要求，并且能夠適應交通荷載的進一步發展為目標，比選各種加固措施，提高橋梁結構加固后承載能力。橋梁加固后，有缺陷的主要承重構件得到了補強，橋梁損傷和病害得到了改善或消除，橋梁的整體性能得以提高，結構承載能力也會有大幅度的提高。因此，在橋梁加固后對結構的真實承載能力進行評定至關重要。

結構理論分析計算是目前橋梁結構承載能力評價中廣泛采用的方法，本文暫以理論計算值對承載性能進行評價。此方法首先對加固后的橋梁結構進行全面詳細檢查，然后將檢查所得的有關資料、數據和檢驗測量結果，依據橋梁結構理論、工程力學及大量試驗數據對橋梁結構進行分析計算，從而評定橋梁結構的真實承載能力。技術依據為現行公路橋梁設計規范及《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）、《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》等標準［5，6］。

根據綜合評定方法，制定三項基于結構理論分析的承載性能指標：承載能力安全程度、活載評定系數以及承載能力加固效率，計算方法詳述如下。

承載能力安全程度

活載評定系數

承載能力加固效率

式中：KR為承載能力符合率，加固需滿足KR≥1.0；RF為活載評定系數，RF≥1.0表明橋梁結構能夠適應當前的荷載狀況，RF＜1.0則代表橋梁結構不能適應當前交通流量下的荷載狀況；ER為承載能力提高率；RN為加固后橋梁承載能力，按《橋梁加固設計規范》（JTG/T J22—2008）執行；S為承載能力極限狀態下作用基本組合的效應組合設計值，根據荷載環境調查及分析得出，需考慮交通長期增長等因素；γ0為結構重要性系數，對應于設計安全等級分別取1.1、1.0、0.9；γm為抗力分項系數，取1.05；γG為恒載分項系數，取1.4；γQ為活載分項系數，取1.25；SGk為恒載效應標準值；SQk為活載效應標準值；R0為加固前橋梁承載能力，需考慮舊橋檢算系數、材料惡化系數以及截面損傷，按《公路橋梁承載能力檢測評定規程》執行；μ為沖擊系數。

以上三項指標中，活載評定系數是對承載能力安全程度的一種補充指標，用于評價荷載等級提升對安全程度的影響程度。

2　實橋加固后承載性能評價實例

通過一座橋梁的加固實例，對比橋梁加固前后的承載性能變化，并通過文中建立的承載性能評價指標對該實例進行評價。實例中通過對橋梁病害的介紹和加固方法的選取，詳細介紹了橋梁加固方案的設計思路，并展示了加固前后承載性能的驗算評價流程，最后通過文中建立的承載性能評價指標對加固后的橋梁性能進行評價。

2.1工程概況

某高速公路橋梁為16 m的鋼筋混凝土簡支T梁，于1996年10月竣工，至本次加固前已運營13 a。加固前，鋼筋混凝土T梁存在的主要病害為：T梁跨中附近存在腹板豎向裂縫及U形裂縫；T梁支座附近至1/4跨徑附近存在開裂；T梁橫隔板存在開裂、破損現象；T梁翼緣板間的濕接縫存在開裂，有的伴有滲水結晶；普通RCT梁雖然可以帶裂縫工作，但部分裂縫寬度已超限，存在中心軸上移現象。

2.2加固前的結構計算及病害成因分析

將原結構按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG/D 62—2004），下稱“04規范”）［7］進行復算，結果表明，該段橋梁邊梁與中梁承載能力、正常使用裂縫寬度、活載撓度等均能滿足規范要求。

計算參數：主梁采用強度等級C30混凝土，軸心抗壓強度標準值fck=23.4 MPa，軸心抗拉強度標準值ftk=2.20 MPa，彈性模量Eh=3.0×104MPa；普通鋼筋采用R235級鋼筋（替代Ⅰ級鋼筋）、HRB335級鋼筋（代替Ⅱ級鋼筋）兩種，抗拉設計強度分別為235 MPa、335 MPa，彈性模量分別為2.1×105MPa、2.0×105MPa。結構重要性系數γ0=1.1。

計算結果：采用橋梁結構分析程序“橋梁博士”進行全橋整體計算分析，計算結果見表1，計算表明16 m T梁中梁和邊梁抗彎承載能力滿足“04規范”的要求。

表1　“04規范”原結構計算結果

目前該橋大部分T梁均帶裂縫工作。通過計算分析，梁底出現裂縫的原因可能是：首先，梁體混凝土收縮使梁體局部產生細小裂縫；其次，當結構開裂后，這些裂縫容易引起鋼筋銹蝕，結構的承載能力下降，裂縫繼續發展形成U形裂縫，這種惡性循環使得結構出現的裂縫不斷發生擴展；再者，結構開裂及鋼筋銹蝕會導致截面有效高度減小，截面抗力降低，加上長期的超載作用，使得腹板出現斜向裂縫。

2.3加固方案選取

對舊橋結構加固主要是根據橋梁在正常使用過程中的力學性能而展開的，結構構件帶裂縫的工作狀態將“削弱”其使用效能，加固措施的首要任務是在恢復原有結構使用功能的基礎上，適當提高結構的可靠度與耐久性。因此，加固的目標一般是維持原荷載標準，并按“新橋規”計算加固后極限承載力。

總體原則：16 m T梁按設計檢驗結果，跨中承載力滿足規范要求，建議采用粘貼碳纖維布；邊梁安全富余量不足，建議采用粘貼鋼板條的方式進行處理，同時應結合擴建拼接。

2.4加固效果評價

（1）加固后的結構計算。對梁體采用鋼板加固的承載能力，按《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367—2006）［8］進行計算。T梁的設計內力按“04規范”進行計算，以驗算T梁加固后在新規范下的承載能力。其截面加固計算結果見表2。從計算結果可以看出，T梁加固后承載能力滿足“04規范”的要求。

表2　T梁加固承載能力評定

（2）人工巡查和定期檢查結果。檢查結果表明，采用粘貼鋼板條和碳纖維布加固的結構部位，加固效果良好，未見裂縫繼續發展和新增裂縫產生。

2.5加固后的承載性能指標驗算

為評定橋梁結構的真實承載性能，通過文中建立的用于結構理論分析的承載性能指標對該加固橋梁進行驗算，計算見表3。

表3　承載性能指標計算

通過以上三個性能指標可以得到橋梁加固后的性能提升：

（1）由承載能力安全程度KR=1.303可知，在承載能力極限狀態的基本組合作用下，加固后的結構尚有超過30%的承載能力富余量，說明結構通過加固可以滿足當前荷載狀態下的使用要求。

（2）承載能力提高率則從另外的方面更為直觀地印證了基于承載能力提高的加固效果，ER= 0.028 3，近于3%的承載能力提高率對于橋梁承載能力來說已經是較為明顯的提高。

（3）活載評定系數通過承載力冗余與活載效應之比較為直觀地表示出對于活載的橋梁承載能力富余量，由RF=1.26（相較于1.0存在26%富余度）可知，加固后橋梁結構對于當前荷載狀況的適用性較好。

3　結語

隨著我國現代化建設的深入，檢測與養護逐漸成為橋梁工程領域的重心，雖然積累了較多的實踐經驗，但尚缺少對加固措施進行客觀評判的完善工具，本文對傳統的安全程度指標進行分析，對評價方法嘗試性地添加了加固效率指標，該指標通過計入舊橋“加固起始水平”，一方面直接反映了橋梁對不同加固措施的“敏感性”，便于加固前方案的制定與比選；另一方面通過表征加固措施的效能，便于經驗積累，以指導后續加固實施。

依據兩大評價指標，本文對承載性能關鍵問題進行分析，細化了承載能力安全程度、活載評定系數以及承載能力加固效率三項指標，并通過算例驗證了三項指標的科學性和合理性，對于其他同類工程具有參考借鑒意義。

［1］楊琪.高速公路橋梁加固成套技術與工程實踐［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］郝偉.既有橋梁加固經濟效益評價方法研究［J］.城市道橋與防洪，2015（12）:164-168.

［3］王建欽，孫洪超，高海燕.市政橋梁加固和提載技術研究及效果評價 ［J］.城市建設理論研究（電子版），2015，5（13）: 4427-4429.

［4］孫衛民.高速公路橋梁加固后評價技術［J］.交通標準化，2014（18）: 96-98.

［5］JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.

［6］交通部第二公路勘察設計院.公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）［S］.北京：人民交通出版社，1991.

［7］JTG/D 62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［8］GB 50367—2006混凝土結構加固設計規范［S］.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）07-0163-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.047

2016-02-26

魏漢鋒（1985-），男，廣東人，工程師，從事路橋工程設計工作。