橋梁承載能力檢測評估方法比較分析

唐永福

摘 要：結(jié)合多年橋梁養(yǎng)護(hù)工程師經(jīng)驗，對我國目前橋梁的技術(shù)狀況評定、檢測評估方法及其關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，并對當(dāng)前橋梁檢測評定方法進(jìn)行了分析比較，旨在與同行探討交流如何根據(jù)橋梁的不同狀況選擇經(jīng)濟(jì)、高效、準(zhǔn)確的判定橋梁承載能力的評定檢測方法。

關(guān)鍵詞：橋梁安全運營；技術(shù)等級評定；檢測評定；承載能力評定

概述

隨著交通流量和車載噸位的增加，危舊橋梁數(shù)量不斷加大、橋梁安全運營隱患頻現(xiàn)。如何判明主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，如何確切知道橋梁承載能力，這是我們橋梁工程師所面臨的很現(xiàn)實而又較棘手的問題。實踐要求廣大橋梁養(yǎng)護(hù)工程師必須對這一問題進(jìn)行深入探討，不斷地提高判定橋梁承載能力的技術(shù)水平，這樣在日后橋梁的維修加固和改建工作中，才能具備準(zhǔn)確的技術(shù)支持，從而保證橋梁具備良好的使用性能。

加固設(shè)計必須要建立在根據(jù)實際情況對其承載能力進(jìn)行科學(xué)評價基礎(chǔ)之上。

1 在役橋梁承載力的主要影響因素分析

1.1 結(jié)構(gòu)完整性對橋梁結(jié)構(gòu)承載力的影響

橋梁在長期的運營過程中，部分橋梁構(gòu)件有一定程度的損傷，致使原設(shè)計比較合理的受力結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件損傷后受力失去合理性，造成局部受力過大、結(jié)構(gòu)整體性不足的后果，這些都削弱了橋梁結(jié)構(gòu)的承載力。

1.2 變形對橋梁結(jié)構(gòu)承載力的影響

不超過《公橋規(guī)》規(guī)定限值的短期荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)變形，對橋梁運營的影響是安全的。對于超過限值的荷載引起的結(jié)構(gòu)殘余累計變形，會影響橋梁的承載能力。

1.3 裂縫對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

在混凝土橋梁中，裂縫是十分常見的一種病害，通常我們將其分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫兩種。而由外界荷載所導(dǎo)致的裂縫就是結(jié)構(gòu)裂縫，其表現(xiàn)狀態(tài)就是橋梁結(jié)構(gòu)的整體承載力出現(xiàn)了明顯的下降或不足；而由于混凝土自身性能達(dá)不到要求或是不能滿足外界條件而導(dǎo)致了裂縫就是非結(jié)構(gòu)裂縫。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力后出現(xiàn)裂縫，其本質(zhì)關(guān)系即表現(xiàn)了出來，通過裂縫可以判斷實際橋梁屬于純彎、彎壓、剪壓等何種破壞模式。

1.4 混凝土施工質(zhì)量問題的影響

由于在實際工程中鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部存在質(zhì)量缺陷及密實度差，大大削弱混凝土抵抗外界有害介質(zhì)侵蝕的能力。造成混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕、混凝土表面的風(fēng)化等病害，使混凝土本身強度下降，嚴(yán)重影響了鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力。

1.5 鋼筋銹蝕對橋梁結(jié)構(gòu)承載力的影響

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響主要表現(xiàn)在：減小其截面面積、使構(gòu)件混凝土保護(hù)層縱向開裂、降低鋼筋與混凝土之間的機械咬合力，故鋼筋銹蝕大大降低了橋梁結(jié)構(gòu)承載力。

1.6 環(huán)境因素

經(jīng)常使用融雪鹽、橋面積水排泄不暢、河床沖刷、酸雨、環(huán)境溫度及環(huán)境濕度等均能引起結(jié)構(gòu)及混凝土的變化，影響結(jié)構(gòu)承載力。

2 橋梁檢測評估方法及比較分析

2.1 既有橋梁的檢測評定方法

橋梁結(jié)構(gòu)承載力的評定以檢測為基礎(chǔ)，檢測又以實際測量為主，不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁其測量的內(nèi)容要求也不同，混凝土梁式橋主要檢測內(nèi)容包括混凝土強度、碳化深度、保護(hù)層厚度、構(gòu)造裂縫、構(gòu)件損傷、鋼筋銹蝕、跨中撓度、結(jié)構(gòu)變位、支座破壞、地基沉陷、自振頻率、大噸位車輛混入率等。通過檢測評定的手段，判斷結(jié)構(gòu)的可用性，是橋梁檢測、結(jié)構(gòu)評估的最終目的。根據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范及公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程，在用橋梁的檢測評定方法大致可歸結(jié)為以下幾種。

2.1.1 橋梁技術(shù)狀況等級評定法（俗稱“經(jīng)驗法”）

經(jīng)驗方法將調(diào)查和經(jīng)驗相結(jié)合，是國內(nèi)外評定橋梁承載力的常用方法，多采用物元分析理論也即層次分析法，依據(jù)橋梁檢查檢測資料，通過橋梁各部件技術(shù)狀況分層綜合評定，同時考慮橋梁單項控制指標(biāo)（關(guān)健病害的控制），確定橋梁的技術(shù)狀況等級。五類橋梁的承載能力比設(shè)計降低了25%以上。

2.1.2 引入分項檢算系數(shù)修正極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式的方法（俗稱“極限狀態(tài)設(shè)計理論法”）

此方法是基于設(shè)計規(guī)范，根據(jù)實測的材料性能、結(jié)構(gòu)幾何尺寸、支撐條件、外觀缺陷、及通行荷載，按橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論來計算承載力，要求承載能力評定包括持久狀態(tài)下承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)針對的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的截面強度和穩(wěn)定性，正常使用極限狀態(tài)主要針對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度或抗裂性。

不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁采用相應(yīng)的評定公式，對配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)，按下式進(jìn)行計算評定：γ0S≤R（fd，ξc，αdc，ξsαds）Z1（1-ξe）。以上2個公式的左邊表示考慮荷載安全系數(shù)后的組合荷載效應(yīng)，右邊表示了考慮材料安全系數(shù)后的結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)，其中，γ0-結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S-荷載效應(yīng)函數(shù)；R（～）-抗力效應(yīng)函數(shù)；fd-材料強度設(shè)計值；αdc-構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；αds-構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z1-承載能力檢算系數(shù)；ξc-配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；ξs-鋼筋的截面折減系數(shù)；ξe-承載能力惡化系數(shù)。式中，采取引入橋梁檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載修正系數(shù)分別對極限狀態(tài)方程中結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)進(jìn)行修正，并通過比較判定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力狀態(tài)。正常使用狀態(tài)的計算評定，分限制應(yīng)力、荷載作用下的變形、各類荷載作用下裂縫寬度限值三個計算過程。

2.1.3 荷載試驗方法

目前評定橋梁承載能力最直接的方法是進(jìn)行荷載試驗，主要是采用靜載試驗。實施荷載試驗的前提是：當(dāng)通過檢算分析尚無法明確評定橋梁承載能力時，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)在試驗荷載下控制部位的應(yīng)變（含殘余應(yīng)變）、位移（含基礎(chǔ)沉降）、和裂縫開展（含卸載后裂縫閉合寬度）情況，測定橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并與理論值進(jìn)行比較，確定主要測點靜力荷載試驗結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)ξ，最終確定檢算系數(shù)Z2，代替Z1按2.1.2的計算式進(jìn)行承載能力評定，或是依據(jù)殘余應(yīng)變、裂縫擴(kuò)展閉合、基礎(chǔ)沉降變位類推出承載力。

2.2 三種檢測評定方法的比較分析

在我們介紹的這三種檢測評定方法中，他們都是存在著缺陷的，并且也都有其獨特的特點。

2011年修訂后的橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同橋型的部件類型分別編制了相應(yīng)的評定細(xì)則，在細(xì)則中進(jìn)一步了細(xì)化了評定指標(biāo)，同時也提出了量化的標(biāo)準(zhǔn)，在評定橋梁的技術(shù)狀況時，主要應(yīng)采用五類單項控制指標(biāo)，要求在目測的基礎(chǔ)上增加氯離子含量、碳化深度等檢測指標(biāo)，改進(jìn)了技術(shù)狀況的評定模式，比較全面反應(yīng)了橋梁的承載力狀況。依據(jù)經(jīng)驗法評定的結(jié)果，可以作為橋梁日常養(yǎng)護(hù)、交通管理、25m以下跨徑橋梁改造加固的依據(jù)。優(yōu)點是經(jīng)濟(jì)、簡便，可以在不長時間內(nèi)對大量橋梁實施檢測評定。缺點是承載能力評定只是一種估計值，相對欠精確，依據(jù)個人經(jīng)驗、水平及責(zé)任心的不同，評定結(jié)果會有差異。

25m以上大跨徑、特殊結(jié)構(gòu)橋梁的定期檢查、特殊檢查、適應(yīng)性評定、加固改造設(shè)計均需委托有相應(yīng)資質(zhì)及能力的單位按照極限狀態(tài)設(shè)計理論法對橋梁承載能力進(jìn)行評定。該評定方法的優(yōu)點是檢測全面，評定結(jié)果較為精確。缺點是實施程序復(fù)雜，還需要立項招標(biāo)，不能及時對承載力下降橋梁展開評定；對橋梁原始資料的依賴性較高。

荷載試驗方法直觀、準(zhǔn)確，但規(guī)模大、費用高，影響交通，操作不當(dāng)還會加劇橋梁狀況的進(jìn)一步惡化，并且所得出的承載力值為理論與試驗比較后的推斷值。只有檢查、檢算不足判斷時才考慮荷載試驗。