既有橋梁承載能力評價方法分析探討

查品才

多年來,國內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,在各自的工程實踐和研究中提出了各種評定方法。根據各種評定方法的典型特征,大致有以下幾種,現對各種方法進行分類對比分析。

1 基于實橋調查的經驗方法

1.1 經驗系數法

經驗系數法是以橋梁原有設計荷載等級為基礎,同時考慮損傷程度、材料老化程度、橋面行駛條件、實際交通情況、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,即原設計承載能力;K1為殘存承載能力系數,根據橋梁結構損壞程度、材料老化程度而定;K2為橋面行駛條件好壞的系數;K3為反映實際交通情況的系數;K4為橋梁建造使用年限系數。

該方法的特點是應用簡便,各系數由評定者根據現場情況決定。其關鍵問題是確定各種系數,系數的建立必須經過廣泛的調查研究,故其適用性有所限制,計算結果較為粗糙。

1.2 經驗公式法

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

其中,Mj為按照實際斷面尺寸計算的截面承載能力;Md為按實際斷面計算的恒載內力;Mh為計算標準車輛產生的活載內力(包括沖擊力)。

鑒定系數不小于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果與實際承載能力相差10%以內,則該方法還是可行的。

2 荷載試驗方法

2.1 靜載試驗法

靜載試驗法是通過在橋梁結構上施加與設計荷載或使用荷載基本相當的外載,利用檢測儀器,測試橋梁結構的控制部位與控制截面在荷載作用下的應變、撓度變形、裂縫及開展情況、橫向分布系數、墩臺變形等特性變化,將測試結果與結構理論計算值及規范的允許值作比較,從而評定出承載能力。

靜載試驗法具有直觀、可靠的特點,是其他方法所不能及的,但也并不能替代常規評定方法,而只能視為獲取信息的手段和分析方法的補充。其原因是該法規模大,試驗費用高,方法難以普及,可能引起結構嚴重損傷,影響正常交通。

2.2 動載試驗法

動載試驗是通過橋上汽車的跑車、跳車、剎車動荷載或穩態、瞬態等方式的激振荷載作用,使用檢測儀器,測試橋梁結構上各控制部位的頻率、振幅、阻尼及沖擊系數等動態參數,分析這些測試結果并與相應的計算值或經驗值相比較,進而評定承載能力。

盡管目前已有這方面的文獻資料,但由于舊橋結構存在質量和邊界條件等難以精確確定的問題,加之試驗資料的積累相對缺乏,橋梁結構的動態工作機理還未得到徹底揭示,因而直接尋找橋梁結構動力特征與其承載能力的關系比較困難。

3 設計理論法

該方法是指基于橋梁設計規范,根據實測材料性能、結構幾何尺寸、支承條件、外觀缺陷及通行荷載,按照橋梁結構的設計計算理論來評定承載能力。橋梁設計規范是指導橋梁設計的標準,這一標準基于工程力學、結構試驗和工程經驗,且不斷充實和完善。因此,利用橋梁設計規范的計算理論來分析既有橋梁承載能力的方法,具有堅實的理論基礎并得到廣泛的應用。目前許多國家都趨向于以“鑒定系數”來評價承載能力,其一般表達式為:

其中,K為鑒定系數;R為構件承載能力;G為恒載內力;S為標準車輛的活載內力。

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

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行設計規范中的方法進行,鋼筋混凝土結構及預應力混凝土結構檢算公式如下:

其中,Z1為舊橋檢算系數,根據橋型和橋梁的實際狀況的優劣確定。試行標準中給出了拱橋和梁橋的Z1值表,但Z1仍根據橋梁外觀由鑒定人員選定,因各人經驗不同,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為狀態系數;R*根據實測材料強度和截面特性確定,Fc根據橋梁的缺陷進行估計。

日本在評定鋼筋混凝土橋梁的抗彎強度時,混凝土的強度采用實測數值,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系,然后根據截面慣性矩的評估值求出含筋量與有效寬度,進而求出抗彎破壞強度。

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準車的等代荷載,將兩者進行比較,以判別超限車輛能否安全通過橋梁或橋梁是否需進行加固。在超限車運輸要求時間緊、計算量大的情況下,可采用該方法進行粗略判斷。這要求在驗算時對橋梁的實際載重能力作切合實際的評價,對其承載能力作切合實際的評價。

5 實際荷載驗算法

實際荷載驗算法就是利用超重車輛產生的構件最不利組合與標準荷載作用下的最不利內力組合進行比較判別的方法。在此方法驗算中,應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構的最不利內力值,并考慮橫向分布的影響,然后再與橋梁標準荷載產生的內力進行比較判別。

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計算,進而評定既有橋梁的承載能力,實際上僅僅如此是不夠精確的,而應該根據橋梁結構形式、建筑材料、設計和施工技術資料以及既有橋梁的損傷狀態,綜合考慮橋梁結構在一系列荷載作用下的變形過程所呈現的幾何非線性和材料非線性性質,才能在進行合理而又系統的計算之后,對其承載能力(或極限承載能力)作出比較切合實際的評定。采用非線性理論對既有橋梁進行承載能力評定,無疑是比較精確的方法。如果采用的各種材料的本構關系能夠比較符合實際,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)進行分析,對于新建或設計的橋梁結構都能進行全過程分析。不足之處是該法比較復雜,無論是在理論上還是在實際應用上,相對于前述的各種方法都困難。目前,用非線性理論計算進而評定橋梁承載能力的方法尚不成熟。

7 結語

基于上述各種舊橋承載力評定方法,都可對承載能力進行評判,但在具體的實際工程中,鑒于工期、資金等相關問題的制約,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,能勉強滿足工程需要,隨著計算機水平及設計理論的發展,非線性理論方法將更廣泛的應用于舊橋加固,工程可靠性得到較大程度保證,并能在一定程度上節省工程造價。

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