橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估與臨時(shí)加固設(shè)計(jì)方法研究

王海華 郭龍 王龍林 蔣國富

摘 要：以工程結(jié)構(gòu)可靠性為核心，介紹了國內(nèi)外超重荷載橋梁的安全性評(píng)估研究動(dòng)態(tài)，并對(duì)其主要的安全性評(píng)估模型進(jìn)行介紹，以14臺(tái)電力機(jī)械設(shè)備的運(yùn)輸過程所經(jīng)過的沿線5座橋梁為例，對(duì)該橋梁的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)其安全性進(jìn)行合理評(píng)估，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的橋梁臨時(shí)加固方法，從而提高超重荷載下橋梁的自身安全性能，確保大型機(jī)械設(shè)備的行駛通暢。

關(guān)鍵詞：超重荷載;橋梁結(jié)構(gòu);安全性評(píng)估;臨時(shí)加固設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U445.7+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）09-0193-04

Study on Safety Evaluation and Temporary Reinforcement Design Method of Bridge Structure

Wang Haihua1， Guo Long2， Wang Longlin1， Jiang Guofu1

（1. Guangxi Transportation Science and Technolongy Group Co.， Ltd.， Nanning 530007， China; 2. Test and Inspection Center of Hebei Provincial Communications Planning and Design Institute， Shijiazhuang 050091， China）

Abstract：Taking the reliability of engineering structure as the core， this paper introduces the research trends of safety assessment of over loaded bridges at home and abroad， and introduces the main safety assessment models. Taking 5 bridges along the line that 14 electric mechanical equipment pass through in the transportation process as an example， it analyzes the stress characteristics of the bridge， and makes a reasonable assessment of its safety. On this basis， the corresponding temporary reinforcement method of the bridge is proposed， so as to improve the safety performance of the bridge under the overweight load and ensure the smooth driving of the large mechanical equipment.

Key words：overweight load;bridge structure;safety assessment;temporary reinforcement design

橋梁作為道路的交通樞紐，對(duì)于社會(huì)的溝通、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大作用。至2017年底，我國現(xiàn)有橋梁80余萬座，累計(jì)長52256km[1]。

目前我國的汽車保有量日趨增多，至2011年底，全國的機(jī)動(dòng)車保有量已經(jīng)達(dá)到2.23億，汽車保有量達(dá)到1.04億輛，為第二大汽車保有國[2]。與機(jī)動(dòng)車數(shù)量日益增多相比，我國現(xiàn)役橋梁的危險(xiǎn)系數(shù)也在逐步升高，危險(xiǎn)橋梁數(shù)已超過萬座，對(duì)人們的日常出行產(chǎn)生了較大的威脅，對(duì)管養(yǎng)部門的維護(hù)也是一種挑戰(zhàn)。

如何平衡好日漸增多的車輛與橋梁結(jié)構(gòu)安全之間的問題呢？這對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國民安全來說是一個(gè)亟須解決的問題。首先應(yīng)當(dāng)考慮的是橋梁的安全性評(píng)估，只有做好橋梁自身的安全評(píng)估后，才能根據(jù)評(píng)估結(jié)果以及橋梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所處環(huán)境等情況，給出增強(qiáng)橋梁安全的針對(duì)性建議。

橋梁在使用過程中將受到溫度、風(fēng)、車輛等不同類型荷載的反復(fù)作用，很多橋梁自身的結(jié)構(gòu)安全性能將發(fā)生變化，如材料的強(qiáng)度、耐久性退化等，導(dǎo)致其承載能力逐步衰減。因此，通過一個(gè)有效的檢測方法，對(duì)現(xiàn)役橋梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試與評(píng)估，建立在役橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載力計(jì)算模型、實(shí)際剛度計(jì)算模型、實(shí)際可靠性指標(biāo)計(jì)算模型，從而對(duì)橋梁的實(shí)際承載作用大小、結(jié)構(gòu)牢固性能等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，最終對(duì)橋梁的安全性能進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果有針對(duì)性地選擇臨時(shí)加固方法。

1 國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

1971年，美國完成了《國家橋梁測試規(guī)程》（NBNIP）第一版，及3個(gè)指南手冊(cè)以完成測試和評(píng)估系統(tǒng)。通過對(duì)2007年明尼蘇達(dá)州Minneapolis橋主橋倒塌事故的詳細(xì)分析，在原有荷載評(píng)定的基礎(chǔ)上制定了“荷載-抗力”評(píng)定系統(tǒng) [3]。

在橋梁安全檢測方面，國際上眾多建筑領(lǐng)域研究人員對(duì)其評(píng)估檢測等提出了許多有效的理論。如Brito JD等人在鋼筋混凝土橋梁的研究基礎(chǔ)及背景下發(fā)明了橋梁管理專家系統(tǒng) [4]。

結(jié)合橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、磨損缺損程度等，我國橋梁安全研究領(lǐng)域的專家們提出了適合我國現(xiàn)狀的橋梁安全檢測和評(píng)估方法。陸亞興等人采用橋梁缺損狀態(tài)的指標(biāo)BCI;潘黎明等人通過結(jié)合層次分析法與模糊綜合評(píng)判原理，制定了斜拉橋的安全體系，以及相應(yīng)的安全評(píng)估算法 [5]。柳春光等人根據(jù)橋梁可靠性理論和隨機(jī)振動(dòng)理論，對(duì)橋梁自身結(jié)構(gòu)構(gòu)造安全性、牢固性的算法進(jìn)行了研究 [6]。

2 超限車輛荷載計(jì)算模型

以柳州市運(yùn)輸14 臺(tái)大型電力設(shè)備荷載為分析目標(biāo)，設(shè)備凈重902.5kN，運(yùn)輸車輛尺寸參數(shù)、梁體及車輛本身重量在各軸上的荷載分布如圖1所示。

3 超重荷載下橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)估

橋梁的評(píng)估包括3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，即安全性、耐久性和適用性。其中安全性是核心，因此橋梁自身承載能力的大小是橋梁安全性評(píng)估的首要內(nèi)容。只有保證了橋梁的安全性，方可用于運(yùn)營，即橋梁的適用性。橋梁的安全和適用又是耐久性的前提條件，沒有安全性和適用性的橋梁，其耐久性再好也毫無意義。而耐久性又能體現(xiàn)橋梁的可服務(wù)期限，是橋梁修建的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的體現(xiàn)。

安全性評(píng)估其本質(zhì)是對(duì)橋梁自身承載能力大小的極限狀態(tài)評(píng)估，即橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估。對(duì)于不同的部位、不同結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)使用不同的評(píng)估方法。評(píng)估的主要目的是通過檢測、檢算等，預(yù)判橋梁的自身承重性能，從而避免橋梁在后續(xù)使用過程可能發(fā)生的災(zāi)難性后果。

耐久性評(píng)估是指橋梁在正常使用和維護(hù)條件下，其可使用年限是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主要從評(píng)估結(jié)構(gòu)的材料物理特性退化、疲勞和腐蝕損傷等指標(biāo)來評(píng)價(jià)橋梁的性能。

適用性評(píng)估通常是指橋梁在正常使用極限狀態(tài)的評(píng)估，主要評(píng)價(jià)橋梁在溫度、風(fēng)、車輛等荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形、振動(dòng)參數(shù)等，分析橋梁是否滿足正常使用要求。

目前通常采用橋梁荷載試驗(yàn)和橋梁結(jié)構(gòu)檢算的方法來評(píng)估橋梁的承載能力。

荷載試驗(yàn)主要是通過在橋梁上施加具體大小的載荷來收集相關(guān)的橋梁結(jié)構(gòu)信息，對(duì)其進(jìn)行有限元模型的建立和分析，通過對(duì)比，對(duì)橋梁的承載能力、損傷情況等進(jìn)行合理的評(píng)估。我國2015年發(fā)布了《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)橋梁的荷載試驗(yàn)作了相關(guān)規(guī)定，對(duì)測試的內(nèi)容、工況、測點(diǎn)均有明確且詳細(xì)的說明，為橋梁安全性能測試提供了相應(yīng)的指導(dǎo)，并為其提供依據(jù) [7]。

橋梁結(jié)構(gòu)檢算主要是根據(jù)目標(biāo)荷載等級(jí)要求按橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和檢測結(jié)果所確定取用的檢算參數(shù)應(yīng)與實(shí)際情況相符合。必要時(shí)，還應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力、恒載分布狀況，開裂狀況等的檢測評(píng)定結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)、計(jì)算模型的邊界條件等進(jìn)行合理調(diào)整[7]。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，通常采用引入檢算系數(shù)Z1或Z2的方法進(jìn)行修正計(jì)算;對(duì)于圬工結(jié)構(gòu)根據(jù)檢測結(jié)果，通常還需引入折減系數(shù)ξc;對(duì)于配筋混凝土橋梁還需引入折減系數(shù)ξs和惡化系數(shù)ξe。

4 安全性評(píng)估模型

以鋼筋混凝土橋梁為例，對(duì)于臨時(shí)性超重荷載通行情況，因荷載是在統(tǒng)一指揮、按約定計(jì)劃和方式通過橋梁的，其結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估可從以下3個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析：①反映橋梁總體狀況的檢算系數(shù)Z1或Z2，②結(jié)構(gòu)的有效截面折減系數(shù)ξc和ξs③承載能力惡化系數(shù)ξe。結(jié)合橋梁的現(xiàn)場調(diào)查和檢測結(jié)果，對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，采用公式（1）[7]對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力進(jìn)行修正，達(dá)到安全性評(píng)估目的。

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)的檢算系數(shù)分析

檢算系數(shù)Z1由結(jié)構(gòu)的缺損狀況α1、材質(zhì)強(qiáng)度α2和自振頻率α3 3個(gè)指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)度所計(jì)算確定的結(jié)構(gòu)承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D[7] 進(jìn)行計(jì)算確定，特殊情況下也可采用專家調(diào)查法確定。

4.2 橋梁結(jié)構(gòu)的有效截面折減系數(shù)分析

ξc依據(jù)材料的風(fēng)化β1、碳化β2、物理與化學(xué)損傷β3 3項(xiàng)檢測指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)度R[7]進(jìn)行計(jì)算確定。

4.3 承載能力惡化系數(shù)分析

ξe通過缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、混凝土碳化狀況、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子含量及混凝土強(qiáng)度7項(xiàng)指標(biāo)及橋梁所處的環(huán)境條件計(jì)算惡化狀況評(píng)定標(biāo)度E[7]。

5 原橋結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

5.1 驗(yàn)算原則

本次運(yùn)輸統(tǒng)一指揮，按擬定線路通過橋梁，運(yùn)輸車輛較接近掛車情況，計(jì)算按照掛車組合進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算與驗(yàn)算過程中，構(gòu)件尺寸、材料強(qiáng)度以實(shí)際調(diào)查和實(shí)際檢測結(jié)果為依據(jù)，同時(shí)綜合考慮原設(shè)計(jì)值。

驗(yàn)算時(shí)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)采用“Midas Civil”有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算考慮超重車輛作用下上部結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足要求。

5.2 驗(yàn)算步驟

本次大型電力設(shè)備運(yùn)輸線路上共有橋梁5座，具體跨徑見表1，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)除響水河橋?yàn)槠?超20級(jí)、掛車-120外，其它橋均為城-A級(jí)（CJJ 77-98）。

5.2.1 現(xiàn)場調(diào)查與檢測

（1） 對(duì)途經(jīng)橋梁進(jìn)行全面的外觀檢查和技術(shù)狀況評(píng)定，并根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 99-2017）對(duì)橋梁的技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)估。

（2） 采用超聲回彈法檢測橋梁主要構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度，采用酚酞溶液檢測碳化情況。

（3） 測量和復(fù)核橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸。

（4） 對(duì)T梁的鋼筋布置及保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測。

（5） 對(duì)橋梁的自振頻率進(jìn)行多點(diǎn)、多方向測量。

5.2.2 各評(píng)估參數(shù)計(jì)算

按安全性評(píng)估模型相關(guān)系數(shù)評(píng)估要求，對(duì)沿線5座橋梁的調(diào)查和現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行處理，綜合分析得各橋的安全評(píng)估參數(shù)如表1所示。

5.2.3 安全評(píng)估計(jì)算

根據(jù)各橋的設(shè)計(jì)和竣工資料并結(jié)合現(xiàn)場檢測情況對(duì)橋梁進(jìn)行建模計(jì)算，本次采用Midas Civil有限元軟件建立空間梁格模型及后處理程序進(jìn)行計(jì)算分析，以響水河橋?yàn)槔刂芓梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果模型如圖2和圖3所示，安全性評(píng)估結(jié)果如表2所示。

表2中僅列出效應(yīng)比較大的梁數(shù)據(jù)，其中MQ表示最大荷載效應(yīng)（kN·m），MK表示折減后的最大抗力（kN·m），QQ表示最大荷載效應(yīng)（kN），表示折減后的最大抗力QK（kN）。

由以上安全性評(píng)估計(jì)算結(jié)果知，響水河橋正截面抗彎基本滿足要求，但斜截面抗剪已不滿足要求，為運(yùn)輸安全必須對(duì)其進(jìn)行加固維修。

6 超重荷載下橋梁臨時(shí)加固設(shè)計(jì)方法

盡管每次超重車輛在橋梁通行時(shí)間比較短，但對(duì)橋梁而言，仍需確保其在通車過程中足夠安全。這就需要首先對(duì)沿線橋梁進(jìn)行安全評(píng)估，然后對(duì)安全性能達(dá)不到要求的橋梁，結(jié)合其自身特點(diǎn)和環(huán)境狀況，進(jìn)行加固維修以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在役的梁式橋和拱橋的臨時(shí)加固方案主要有橋下臨時(shí)支撐法、增大截面法、粘貼鋼板或碳纖維復(fù)合材料法、橋上橋通過法、體外預(yù)應(yīng)力法等，其中前3種使用最為廣泛。

6.1 橋下臨時(shí)支撐法

當(dāng)橋下空間可利用時(shí)，采用在橋下增設(shè)支墩的辦法以臨時(shí)縮短橋梁的凈跨徑，減少正截面彎矩，提高橋梁的承載能力，進(jìn)而確保橋梁在超重車輛通行下的安全。

6.2 增大截面法

增大截面法是在原結(jié)構(gòu)表面植筋，并在植筋上綁扎新增受力主筋，然后澆筑混凝土。該方法既增加了主筋，又增加了有效截面積，結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度得到提高，最終達(dá)到提高橋梁的承載能力目的。增大截面法在加固T形梁、板拱等較廣泛。

6.3 粘貼鋼板或碳纖維復(fù)合材料法

隨著車流量的增加，橋梁的主梁出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象越來越多，特別是在超重車輛作用下，很容易發(fā)生主梁結(jié)構(gòu)的變形過大和主受力結(jié)構(gòu)出現(xiàn)因應(yīng)力過大而產(chǎn)生受力裂縫，如橋梁跨中附近主梁底面的橫向裂縫，支點(diǎn)附近的斜向裂縫等。

粘貼鋼板或復(fù)合材料法是在主梁受力薄弱部位采用粘結(jié)劑將鋼板或復(fù)合材料粘貼到混凝土表面。以鋼板或復(fù)合材料作為對(duì)原結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，相當(dāng)于增加了配筋率，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。同時(shí)可有效封閉受力裂縫，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

該方法中的鋼板或碳纖維布厚度有限，基本不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的尺寸，對(duì)結(jié)構(gòu)的有效面積影響極小，但工藝成熟、技術(shù)可靠、短期加固效果好。

本次響水河橋采用粘貼鋼板加固法進(jìn)行加固，具體為在T梁底面粘貼6mm厚的鋼板來提高其正截面抗彎承載力，在支點(diǎn)至L/8范圍粘貼U形鋼條來提高其斜截面抗剪承載力。

7 結(jié)語

針對(duì)在役超重荷載橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行了評(píng)估，并介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)研。針對(duì)一個(gè)具體的案例展開介紹了3種臨時(shí)加固方式，包括橋下臨時(shí)支撐法、增大截面法、粘貼鋼板或復(fù)合材料法。超重荷載的橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估涉及到建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，本文通過結(jié)合作者自身的一些研究和實(shí)踐，旨在為建立服役超重荷載的橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估體系提供一些比較具有價(jià)值的參考，由于研究水平和結(jié)果的局限性，部分評(píng)估內(nèi)容還需要進(jìn)一步探討與豐富。

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