（森林工程专业论文）钢筋混凝土简支梁旧桥承载力研究.pdf

摘要：随着我国经济的高速发展，交通运输出现了重载、高速、大流量现代运输结构 的发展趋势。桥梁是道路的咽喉，为了适应现代交通运输的需要对现有桥梁承载能力 评估、加固、维修和改造的研究变的十分迫切。对现有桥梁采取何种措施，应该首先 对它的承载能力有准确的了解。从以往对旧桥进行的荷载实验获悉，桥梁的承载能力 和许多国家目前采用的评定方法的结论不一定完全符合。旧桥在试验荷载作用下，实 测应力和挠度远大于理论计算值，说明旧桥存在着传统理论分析所未能意识到的极限 承载能力。因此本文研究的主要方向就是如何找到一种快捷、简便的方法对简支梁桥 承载能力进行分析，并能证明所用方法是可行、可信的。 本文通过对一条简支梁受力的研究分析，力求找到一种最简洁的方式对梁桥的承 载能力进行分析。并经过一系列试验，对所得的数据进行定量的分析和研究，分析结 果表明，试验结果和电脑模拟的数据是吻合、可信的。 同时本文在进行一系列试验和利用有限元分析软件a n s y s 对现有钢筋混凝土简 支梁桥进行极限承载能力分析的结果对比中，为了更准确的表明本论文的可行性，采 用a n s y s 软件对静力试验做了修正。 本文详细分析了各种桥梁承载能力评定方法的优越性和局限性，并且鉴于以往承 载能力评定方法存在的问题，作者应用了基于小荷载实验的极限承载能力分析方法及 实施的全过程，并认为该方法可以达到快速、准确地对既有桥梁极限承载能力进行分 析的目的。 本文应用了分段式混凝土应力一应变曲线方程，实例计算说明，该方程准确、可 靠且适合于混凝土有限元计算。 本文的研究说明利用大型通用软件a n s y s 对简支钢筋混凝土桥梁的极限承载力 的分析计算做深入的研究是可行的。 关键词：简支梁桥，软件a n s y s ，修正模型，极限承载力 a b s t r a c t ：a sc h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t r a n s p o r tah e a v yl o a d ，h i g h s p e e d ， l a r g ef l o wo fm o d e mt r a n s p o r ts t r u c t u r et r e n do fd e v e l o p m e n t t h eb r i d g ei st h ew a yt h e t h r o a t ，i no r d e rt om e e tt h en e e d so fm o d e mt r a n s p o r t a t i o nt ot h ee x i s t i n gb r i d g ec a r r y i n g c a p a c i t ya s s e s s m e n t ，c o n s o l i d a t i o n , m a i n t e n a n c ea n di m p r o v e m e n to ft h ec h a n g ei su r g e n t o ft h ee x i s t i n gb r i d g ea n dw h a tm e a s u r e st ot a k e ，i ts h o u l df i r s to fa l lt h ec a r r y i n gc a p a c i t y o fa na c c u r a t eu n d e r s t a n d i n g t h eo l db r i d g ef r o mt h ep a s t ，t h el o a do ft h a tb r i d g ea n dt h e c a r r y i n g c a p a c i t yo fm a n yc o u n t r i e sc u r r e n t l yu s et h ee v a l u a t i o nm e t h o dm a yn o tb e e n t i r e l yc o n s i s t e n tw i t ht h ec o n c l u s i o n s o l db r i d g ei nt h et e s tl o a d ，s t r e s sa n dd e f l e c t i o n m e a s u r e df a rg r e a t e rt h a nt h e o r e t i c a lv a l u e st h a tt h eo l db r i d g et h e r ei sat r a d i t i o n a lt h e o r y a n a l y s i sf a i l e dt or e a l i z et h em a x i m u ml o a d b e a r i n gc a p a c i t y t h e r e f o r et h em a i nt h r u s to f t h i sp a p e ri sh o wt of i n daq u i c ka n ds i m p l em e t h o do fs i m p l eb e a mb r i d g ec a r r y i n g c a p a c i t yf o ra n a l y s i sa n dt h em e t h o d o l o g yu s e dt op r o v et h a ti ti sf e a s i b l ea n dc r e d i b l e b a s e do n as i m p l eb e a mo ft h er e s e a r c ha n da n a l y s i s ，a n ds t r i v et of i n dam o s t s u c c i n c tw a yt ob r i d g et h ec a r r y i n gc a p a c i t yf o ra n a l y s i s a n da f t e ras e r i e so f t e s t s ，t h e d a t ac o l l e c t e do n a q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h et e s t r e s u l t sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ed a t ai sm a t c h i n gc r e d i b l e a tt h es a ! t l et i m et h i sp a p e ri nas e r i e so ft e s t sa n dt h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y so ft h ee x i s t i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t es i m p l eb e a mb r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t y t ol i m i tt h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so f c o m p a r i s o n ，i no r d e rt om o r ea c c u r a t e l ys h o w st h a t t h i sp a p e rt h ef e a s i b i l i 锣o fu s i n ga n s y ss o f t w a r es t a t i ct e s t sd o n et h a t t h i sa r t i c l ed e t a i l e da n a l y s i so fav a r i e t yo fm e t h o d st oi n f o r mt h eb r i d g ec a r r y i n g c a p a c i t yo ft h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n s ，a n di nv i e wo ft h ep a s tc a r r y i n gc a p a c i t yo ft h e e x i s t i n gp r o b l e m se v a l u a t i o nm e t h o d ，t h ea u t h o ro ft h ea m e n d m e n tb a s e do nt h em o d e lo f t h em a x i m u m l o a d - b e a r i n gc a p a c i t ya n a l y s i sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ee n t i r ep r o c e s s ， a n dt h a tt h ec a nb er e a c h e dq u i c k l ya n da c c u r a t e l yt ot h ee x i s t i n gb r i d g em a x i m u m l o a d b e a r i n gc a p a c i t yf o ra n a l y s i sp u r p o s e s i nt h i sp a p e r ，t h es u b - c o n c r e t es t r e s s s t r a i nc u r v e so ft h ea g e n d a , n o t ee x a m p l e so f c a l c u l a t i o n ，t h ee q u a t i o ni sa c c u r a t e ，r e l i a b l ea n ds u i t a b l ef o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f c o n c r e t e i nt h i sp a p e r ，t h eu s eo fl a r g e s c a l eg mr e s e a r c hn o t eo nt h es o f t w a r ea ns y ss i m p l e r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g et h eu l t i m a t es t r e n g t ho ft h ec a l c u l a t i o nt od oi n - d e p t ha n a l y s i s o ft h es t u d yi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：s i m p l eb e a mb r i d g e ，s o f t w a r ea n s y s ，r e v i s e dm o d e l ，u l t i m a t es t r e n g t h 声明尸明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：茎堑至望日期： 1 绪论 1 绪论 1 1 国内外桥梁的现状 1 1 1 国外桥梁的现状 在美国被调查的6 0 万座桥梁中，被国家联邦公路局( f h w a ) 划为不符合要求 的有2 0 万座，列为具有结构缺陷的有1 2 5 万座，每年有5 千至8 千座桥梁需要更 换。f i - 邢a 规划的桥梁修复与替换方案估计耗资4 5 5 亿美元n 。在英国，约有9 20 0 0 座桥梁属于1 9 2 2 年以前修建的，此时尚未产生全国的第一个荷载标准。据统计约 有2 5 的桥梁不能满足现代规范的要求。西德在近几年来3 5 年来大约修建了3 00 0 0 座预应力混凝土桥梁，其中有5 0 0 , - - - 6 0 0 座存在不同程度损伤，特别是其中4 0 座损 伤严重。根据其调查结果发现，桥龄在5 0 - - , 6 0 年的钢筋混凝土桥中，有2 7 的桥梁 上部结构至少有一处严重损伤，6 4 有至少一处损伤，7 7 有至少一处中等损伤。3 0 - - - 3 5 年及以下桥龄的也有不同程度的损伤，日本目前大约有55 0 0 座公路桥梁承载力 不足，其中钢筋混凝土桥梁占8 0 。印度也有大约1 0 的公路桥梁需要替换，另有 1 0 的桥梁的损伤迹象心1 。如何对这些桥梁进行承载力评定和处理成为一项十分紧迫 的问题。 1 1 2 我国桥梁的现状 在我国目前也存在大量的旧桥，相当一部分有不同程度的功能缺陷和损伤。公 路方面，建国以来，我国公路桥梁建设有了很大的发展，到目前为止，以国、省道 干线为骨架，沟通全国城乡的四通八达的公路网已经初步形成。由于原有公路技术 标准低，通行能力较差，不能适应国民经济建设的需要，因此公路建设将逐步由建 设新公路为主转入以改建提高干线公路为主的发展时期。而作为公路建设重要组成 部分的桥梁工程，必需和公路的改造同步进行，只有提高桥梁的通行能力和承载能 力，才能真正发挥公路改造的作用与效益。桥梁设计荷载标准低，不能满足现代交 通的需要。据调查，全国的国、省道和县级公路永久性大中型桥梁中，承载能力达 到汽车- 2 0 级、挂车一1 0 0 荷载标准的仅占大中型桥梁总数的6 5 3 ；汽车- 1 0 级、 履带一5 0 级以下荷载标准的桥梁，占9 1 7 ；其余8 4 3 ，基本上为汽车- 1 3 级和汽 钢筋混凝土简支梁旧桥承载力研究 车- 1 5 级荷载的承载能力。我国公路桥梁虽然大部分是建国以后修建的，桥龄一般 在3 0 年以内，病害问题尚未大量暴露，但当前已有一定数量的桥梁发生老化、损 伤现象，危桥逐年增加，承载能力明显下降。据国家统计局2 0 0 2 年2 月6 日公布 的第二次全国公路普查主要数据公报，我国已建成的2 7 88 0 9 座桥梁中有95 9 7 座被定为危桥；而出现老化、损坏和使用功能明显降低的桥梁则更多口1 。其中一部 分是旧中国遗留下来的老桥，设计标准很低，且使用年限已久，损伤已十分严重； 另一部分是设计施工不善以及结构本身的缺陷造成的危桥。铁路方面，铁路钢桥梁 约1 30 0 0 座，其中6 0 使用年限超过5 0 年以上h 3 。以华东地区的沪宁、沪杭、浙 赣、津浦南段及陇海5 条主要铁路干线为例，目前正在使用的钢梁总数为6 9 1 孔， 其中旧钢梁( 以解放前建造为界) 3 9 9 孔，占全部钢梁数的5 7 7 。全国每年花费 在铁路桥梁的日常维修、加固和换梁等方面的资金相当可观。 随着我国基本建设的不断成熟与完善，旧桥的维修与改造逐渐成为基本建设的 重点。既有结构作为社会的一笔巨大的固定资产，其安全性、适用性和耐久性将是 影响国民经济的一个重要因素。因此，对这些旧桥进行科学的承载力评估，充分了 解桥梁的实际状况，可为经济可靠地利用现有桥梁提供依据。 1 2 既有桥梁承载能力评定的必要性及意义 由于桥梁损伤和功能不完善的普遍性，任何国家都未采用大量的更换或新建的 办法。国外资料显示，既有桥梁修建加固所需的的资金，一般仅为新建桥梁的2 0 左右。我国公路部门的经验也表明，桥梁的加固费用约为新建桥梁的1 0 - - 2 0 左右， 双曲拱桥的加固费用约为新建桥梁的3 0 。所以应该在对桥梁的运营状况、损伤程 度、承载潜力以及剩余寿命等问题有一个正确的评价与估计的基础上，再采取相应 的对策。首先应充分挖掘现有的桥梁承载力，其次是对一些不合格的桥梁采用加固 维修的方法使之满足要求。 近十多年来，国内外都很重视旧桥维修与加固技术的研究，联合国经济与发展 组织( o c e d ) ，1 9 8 0 年、1 9 8 2 年分别在巴黎和华盛顿召开了旧桥的维修和加固会议， 并开展了下述有关课题的研究： ( 1 ) 使用荷载作用下既有桥梁的实际受力行为，包括研究、调查与试验等； ( 2 ) 实际荷载的大小、分布和频率的有关数据； ( 3 ) 评定既有桥梁状况的各种实用技术； 2 1 绪论 ( 4 ) 交通运输对既有桥梁的影响； ( 5 ) 实用桥梁承载能力评定系数； ( 6 ) 既有桥梁的损伤评估； ( 7 ) 既有桥梁的剩余寿命评估。 o c e d 认为今后应特别需要研究的内容之一是“应继续研究确定桥梁承载能力的 较好方法”。 目前，既有桥梁结构的评定是由工程经验丰富的技术人员来完成的，缺乏必要 的理论基础。但是，如何评定既有桥梁的承载能力、损伤程度与安全度问题是合理 利用既有桥梁的关键，而承载能力的评定则是关键中的关键。其原因一是桥梁在长 期使用过程中，存在不同程度的损伤、结构老化和设计资料失散造成的桥梁等级不 明，而现代交通运输迫切需要桥梁的等级，即承载能力；二是桥梁承受的荷载有不 断增加的趋势和不断的大件车辆通过桥梁，造成桥梁的进一步损伤，而损伤后的承 载能力究竟有多大也是必需明确的。只有确定了既有桥梁的承受能力，才能采取相 应的措施，进而提高其承载能力以满足现代交通的需要。目前国内外对于桥梁的检 查和加固修理方法与技术研究较多，而对这些理论基础研究较少，开展这方面的研 究工作，无论是在理论上还是经济效益与社会效益都具有重大的意义。 1 3 钢筋混凝土简支桥梁极限承载能力研究的意义 1 3 1 钢筋混凝土简支梁桥应用广泛 自从世界上首次制成钢筋混凝土制品，并用于结构工程，至今已有百年。由于 它的性能、制作工艺及结构形式变化多样等优势，钢筋混凝土结构被广泛应用于建 筑工程、桥梁工程、水利工程、及地下工程。钢筋混凝土梁桥是钢筋混凝土结构的 一种结构类型，它具有钢筋混凝土结构的所有特点，即混凝土集料可以就地取材， 因而成本低；耐久性好，维修费用少；材料可塑性强，可以按照设计意图做成各种 各样的结构。但是，钢筋混凝土材料强度不高容重较大，当结构跨径增大时，其自 重也相应增大，所以承载能力大部分消耗于结构自重，从而限制了它的跨越能力。 由于在公路上、城市立交或高架桥中，中、小跨径的桥梁数量众多，因而钢筋混凝 土梁桥在桥梁工程中占有很大比例。而简支梁桥又是梁式桥中应用最早，使用最广 泛的一种桥型，仅就北京地区来说就有3 0 0 多座在用钢筋混凝土简支梁桥，由此可 见钢筋混凝土简支梁桥在桥梁工程中占有重要地位。 钢筋混凝土简支梁旧桥承载力研究 1 3 2 极限承载能力研究的意义 随着中国经济的飞速发展，交通运输出现了重载、高速、大流量现代运输结构 的发展趋势。桥梁是道路的咽喉，为了适应现代交通运输的需要对既有桥梁承载能 力评估、加固、维修和改造的研究变的十分迫切。对既有桥梁采取何种措施，应该 首先对它的承载能力有准确的了解。从以往对旧桥的荷载试验获悉，桥梁的承载力 与许多国家目前采用的评定方法的结论不一定完全符合。旧桥在试验荷载作用下， 实测应力和挠度远小于理论计算值，说明旧桥存在着传统理论分析所未能意识到的 极限承载能力。加拿大安大略省运输部对2 0 0 多座旧桥进行了荷载试验，测定实际 承载力，试验表明，许多旧桥的强度远远超过传统理论的计算值。因此开展桥梁的 极限承载能力的研究对于充分利用既有桥梁及对既有桥梁采取何种措施具有重要 意义 5 | 。 1 4 既有桥梁承载能力评定方法研究现状及发展趋势 目前，既有桥梁承载能力的评定方法大致可分为荷载试验法、以实桥缺陷的经 验评定法、实物调查比较法、结构分析计算法、基于专家经验的方法和基于结构可 靠性理论的方法，各方法具体评估过程详见第二章。影响桥梁承载能力的因素很多， 主要有桥梁原设计荷载等级、施工方法与质量以及桥梁结构完好状况与结构材料性 能好坏等方面。因此，要进行定量的分析，是十分困难的。 结构可靠性理论用失效概率或可靠指标来衡量结构的安全水平。目前，已有不 少国家开展了对旧桥可靠性的评估，其优点是：简便易行；能定量地描述旧桥的可 靠程度，使所有按不同规范设计、建造于不同年代的桥梁具有可比性，从而为桥梁 的管理、维修和改造提供可靠的依据3 。在美国、英国、加拿大等国家，基于结构 可靠性理论制定的桥梁评估规范己进入实用阶段。与设计规范的最大不同是，评估 规范应能提供一个开放式的、灵活方便的评估框架，用以反映通过桥梁调查或试验 得到的特定信息，用以考虑实际荷载、结构损伤、养护维修水平、结构系统行为以 及结构分析等的不同对可靠度的影响，用以容纳评估者的工程经验与判断能力。我 国正在努力开展这方面的工作。 4 1 绪论 1 5 主要研究内容 课题以桥梁静载试验为基础，研究出一套快速、准确、实用的既有钢筋混凝土 简支梁桥极限承载能力评定和分析的方法。研究钢筋混凝土简支梁桥的极限承载能 力将更加深入的挖掘桥梁的承载潜力，对临时通过重型车辆提供可靠依据，同时结 合桥梁的其它状况还可以对整个桥梁的结构状态做出切合实际的总体评定。 研究内容包括以下几部分： ( 1 ) 总结既有桥梁承载能力评定的一般过程、常采用的桥梁承载能力评定方法， 并详细分析各种桥梁承载能力评定方法的优越性和局限性。 ( 2 ) 鉴于以往承载能力评定方法存在的问题，作者提出基于有限元模型模拟的 极限承载能力分析方法及实施的全过程。 该方法主要包括五个方面的内容：既有桥梁的调查内容与方法研究；初始 有限元模型的建模理论与技术研究；既有桥梁小荷载静力试验；有限元静力模 型技术研究；对既有桥梁进行极限承载力的分析。 ( 3 ) 充分考虑材料的非线性( 选择合适的材料本构关系、屈服准则、破坏准则) 用有限元分析软件a n s y s 对既有钢筋混凝土简支梁桥进行极限承载能力分析。 ( 4 ) 以桥梁的静载试验数据为依据，以建立与实际结构“吻合 的有限元模型 为目的，对小荷载静力试验技术进行研究。 5 钢筋混凝十简支梁旧桥承载力研究 2 既有桥梁承载能力评定方法的现状 本章详细的论述了既有桥梁承载能力评定的一般过程、常用桥梁承载能力评定 方法及特点。鉴于以往承载能力评定方法存在的问题，作者提出了基于模型修正的 极限承载能力分析方法及实施的全过程。 2 1 桥梁承载能力评定的一般过程 桥梁承载能力评定的一般过程为：桥梁调查、分析计算、承载能力评定这三个 步骤。当桥梁调查和分析计算的方法不足以评定桥梁的承载能力时，可考虑对桥梁 进行静载试验。通过静载试验，获得与桥梁实际工作性能有关的参数( 如截面应变、 挠度、裂缝宽度等) ，从而分析得出结构的强度、刚度及抗裂性能，据此判断桥梁 实际承载能力。桥梁调查是承载能力评定的基础，分析计算是评定的核心，而静载 试验是桥梁调查和分析计算的有效补充。 评定的基本过程见图1 。根据所收集到的信息( 桥梁调查，必要时增加静载试 验) ，选择适当的分析计算方法，进行既有桥梁承载能力评定，并做出工作决策。 图1 桥梁承载能力评定的一般过程 c h a r t1t h eg e n e r a la s s e s s m e n tp r o c e s so fb r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t y 6 2 既自| 桥梁承载能力评定方法的现状 从图中的循环部分可以看出：桥梁承载能力的评定通常是一个由浅入深、逐步 深入的过程，这一特性可称为评定的层次性。在开始评定时，通常采用容易收集到 的信息，借助简单适用的评定方法，以便获得初评结果。若对初评结果把握不大或 需要更精确的分析，则需要通过详细的调查、进行荷载试验、收集更多的信息或选 择更先进、更复杂、更接近桥梁实际情况的分析模型，对结构进行再评定。评定的 层次性反映了评定过程本身的经济属性，即尽可能避免无谓的人力物力的浪费。 2 2 桥梁承载能力评定方法的研究现状及特点 对于既有桥梁承载能力的评定，国内外都投入了大量的人力和物力进行研究， 但尚无快速准确而且实用的评定方法，通常多采用如下几种方法。 2 2 1 荷载试验法 该法是目前比较普遍采用的评定既有桥梁承载能力的方法，它包括静载试验和 动载试验两种。 ( 1 ) 静载试验法 静载试验法是通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的外载， 利用检测仪器，测试桥梁结构的控制部位与控制截面在荷载作用下的应变、挠度、 裂缝及开展情况、横向布系数、墩台变形等特性变化，将测试结果与结构理论计算 值及规范的允许值作比较，从而评定出既有桥梁的承载能力。 静载试验法具有直观、可靠的特点，是其他方法所不能及的。但规模大，试验 费用高，所以大多在既有桥梁难以确定承载能力时采用该法。 ( 2 ) 动载试验法 动载试验是通过桥上汽车的跑车、跳车、刹车动载或稳定、瞬态等方式的激振 荷载作用，使用检测仪器，测试桥梁结构各控制部位的频率、振幅、阻尼及冲击系 数等动态参数，分析这些测试结果并与相应的计算值相比较，进而评定承载能力。 目前，我国用动态试验法评定既有桥梁承载能力较好的是用测试所得的动态参 数，对计算有采用的参数加以修正，进而通过计算分析得到既有桥梁的通行能力或 承载能力。基原理如下：在进行桥梁的结构动力分析时，建立桥梁有限元动力特性 数学模型，通过计算分析，得到理论分析的动力参数。进行桥梁结构的试验模态分 析，用实测方法确定结构的动力特性参数，通过模态分析得到的动力参数与实际结 构的动力参数比较修正。但是受试验设备的限制，测点数目不可能太多，难以细致 钢筋混凝十简支梁旧桥承载力研究 的反映动力参数的变化情况。因此，用试验数据修正有限元分析的数据，即进行结 构动力学模型修正，以得到比较接近实际桥梁结构的动力参数，通过与完好结构动 力参数的比较以得到桥梁的承载能力。但是对于大多数桥梁而言，完好结构动力参 数数据已经无法实测得到，因此动力模型修正的实施尚存在一些技术和理论上的难 题1 0 1 。 2 2 2 以实桥缺陷的经验评定法 桥梁承载能力的不足，能通过结构一系列缺陷与病害的存在与发展来反映。再 与以往经验的判断分析和有关规范的对照比较来评定承载能力的大小。 裂缝是混凝土桥梁结构缺陷的一种集中表现。为了保证桥梁的正常营运，各国 都对不同使用条件下的裂缝允许宽度做出了规定。当裂缝宽度过大和数量显著增加 时，均对桥梁的承载能力有不良影响。 我国公路部门对双曲桥这种桥式，总结出了用缺陷评定承载能力的初步方法。 其主要根据裂缝及桥台水平位移来评定。当拱肋与拱波结合面的环缝宽度超过 0 2 m m 且沿全拱基本环通时，必须进行维修加固；当拱肋径向缝超过2 o m m 和虽然 小于此值，但裂缝不断增加时，必须进行加固；当拱波顶部裂缝大于0 5 m m 时必须 进行加固。当单拱双曲拱桥两桥台的水平位移大于l 2 0 0 0 时，一般需要加固处理。 一般地讲，这种评定方法必须针对每一种桥式做出相应的评定指标。并且需要 大量的经验和试验来支持评定指标的可行性。由于经验公式较多，各国规范也不一 致，其结果的离散性也很大，只能进行初步评定，要达到实用程度还有待进一步探 讨和研究。 2 2 3 实物调查比较法 其方法是由实际交通情况来鉴定桥梁承载能力的动态法。具体作法是：对被鉴 定桥梁进行长期的观测，根据桥梁通过的车辆荷载，并测定车辆通过时桥梁各主要 部位的挠度、应变、应力、裂缝开展情况等数据。然后，对这些数据( 车辆种类、 载重及其对应的挠度、应变、应力等) 进行系统分析，从而得出桥梁可以承受的荷 载等级。 该法与实际情况比较符合，评定出的承载能力与实桥很接近。但是，由于其工 作量太大，耗时太长，在实际中应用尚存在一些困难。 8 2 既有桥梁承载能力评定方法的现状 2 2 4 基于专家经验的方法 基于专家经验的评定法典型的代表是特尔菲法，它是通过无记名方式，函询各 专家的意见，经过多次的反馈和处理，将其变量减少到最低程度，并取得一致的结 论。专家系统评定方法就是利用具有相当于专家知识和经验水平的计算机系统对桥 梁进行评定。在桥梁工程方面，不论是设计、施工、管理还是维修，都存在不确定 性因素或理论研究未能解决的问题，这些问题难以依靠数值计算去处理，或者数值 计算难以迅速处理。其中有些问题可以利用专家系统去解决。国内外对于专家系统 在桥梁评定中的应用做了很多研究，开发了一些比较成功的专家系统。如：日本就 都大学和大孤大学开发的“钢筋混凝土损伤评定专家系统 ，系统研究结构的损伤 模式、损伤扩展模式和损伤原因，并且可以预测桥梁结构的耐久性指标。我国同济 大学开发的“桥梁安全性与耐久性评定的神经网络专家系统”，应用层次分析方法、 模糊理论与综合评定等一般的评定知识，提出桥梁安全的层次分析、综合评定法。 尽管基于专家经验的评定方法在理论上并未得到证实，但实践证明：专家可在缺乏 原始资料的情况下，综合目前状态下的有关信息，凭借个人的经验积累和判断能力， 对所评估事件给出有价值的估计。将此法用于桥梁评定或作为评定的辅助手段是有 可能的。 2 2 5 分析计算法 桥梁调查与分析计算相结合的评定方法，是国内外评定桥梁承载能力的主要方 法。 计算分析方法可以分为： ( 1 ) 经验系数法 经验系数法是以桥梁原有设计荷载等级为基础，同时考虑损伤程度、材料老化 程度、桥面行驶条件、实际交通情况、桥梁建造使用年限等因素，折算求出桥梁承 载能力的方法。 p - - p 。k ，k ：k 。i c ,( 2 一1 ) 式中，卜被鉴定桥梁的承载能力； p 。被鉴定桥梁的基本承载能力，即原设计承载能力； k 。残存承载能力系统，根据桥梁损伤程度、材料老化程度而定； k 厂桥面行驶条件好坏的系数； k 广_ 反映实际交通情况的系数； 9 钢筋混凝土简支梁旧桥承载力研究 k 。桥梁建造使用年限系数。 利用各种系数对桥梁基本承载能力进行计算，此法的关键问题是确定各种系 数，系数的建立必须经过广泛的调查研究。目前，由于这种研究工作做的不多，系 数较难确定，故此法采用的不多。 ( 2 ) 近似公式法 以验算桥梁主要受力构件的断面尺寸进行评定的方法，称为近似公式法。这种 方法大多情况下有经验或近似公式可用，在此不一一列出。 该法简单、方便，但是只能用于初步估计桥梁的承载能力。该法的缺点是不能 考虑桥梁存在的各种各样的缺陷，也就是说该法对既有桥梁的实际承载能力无法评 定。 ( 3 ) 理论计算法 其中又可分为设计理论法、非线性理论法。 a ) 设计理论法 设计理论法主要是根据实测材料性能、结构几何尺寸、支撑条件、外观缺陷及 通行荷载，按照桥梁结构的设计计算理论来评定承载能力。通常以“鉴定系数来 评定承载能力，其一般表达式为 k = ( r - g ) s ( 2 - 2 ) 式中，k 鉴定系数； r 构件承载能力； p 匿载内力； s 标准车辆的活载内力。 各国规范对于材料的设计强度、荷载横向分布、冲击系数等规定不同，因此式 ( 2 - 2 ) 的具体形式和涉及到的计算系数取值各异，所得的鉴定系数也不相同，甚 至差别极大。 b ) 非线性理论法 非线性理论法是根据桥梁结构形式、建筑材料、设计和施工技术资料以及既有 桥梁的损伤状态，综合考虑桥梁结构在一系列荷载作用的变形过程所呈现的几何非 线性和材料非线性和材料非线性性质，在进行合理而又系统的计算之后，对其承 载能力( 或极限承载能力) 做出比较切合实际的评定。采用非线性理论对既有桥梁 进行承载能力评定，无疑是比较精确的方法。如果采用的各种材料的本构关系能够 比较符合实际，对既有桥梁的缺陷考虑的充分，则这种方法是大有前途的。它不但 能对既有桥梁的承载能力( 或极限承载能力) 进行分析，对于新建或设计的桥梁结 1 0 2 既有桥梁承载能力评定方法的现状 构都能进行全过程分析。不足之处是该法比较复杂，无论是理论上还是在操作上， 相对于前述的各种方法都困难。 2 2 6 基于结构可靠理论的方法 近年来，国外在桥梁结构可靠性研究方面做了不少工作，正逐步由结构构件可 靠研究转向结构系数可靠度研究，并提出了结构系数可靠度研究中寻找失效模式的 多种方法，包括荷载增量法、b 分解法( b - - u n z i p p i n gm e t h o d ，t h o f t c h r i s t e n s e n a n dm u r o t s u ，1 9 8 6 ) 、领先概率法( l e a d i n gp r o b a b i l i t ym e t h o d ，k a m ，1 9 9 5 ) 、 分枝限界法( b r a n c ha n db o u n dm e t h o d ，t h o f t c h r i s t e n s e na n dm u r o t s u ，1 9 8 6 ) 、 改进分枝限界法( x i a oa n dm a h a d e v a n ，1 9 9 4 ) 等，及估算结构系统可靠度的区间估 计法和点估计法。利用结构可靠度基本理论和系统可靠度研究中寻找失效模式的多 种方法、系统可靠度的估算方法以及现代计算技术、现代管理方法而研制的桥梁管 理系统在美、英等国家被广泛采用。桥梁管理系统的根本目的是优化和利用有限的 资金把桥梁系统可靠度维持在一定水平上。 我国学者利用结构可靠度分析和计算的一次二阶矩理论并结合实验对现行桥 梁设计规范中的设计表达式和参数进行了可靠度分析和校验。同时，在结构可靠度 理论的发展和完善方面，如结构体系可靠度分析中的最小方差抽样、结构可靠度分 析的多响应面法、变量相关条件下可靠指标b 的计算、结构模糊可靠度分析及结构 可靠度的估算等，开展过研究，取得一定进展和突破。不少学者还致力于结构损伤 分析( 如混凝土碳化原理和时变规律分析、钢筋混凝土结构钢筋锈蚀原理和时变规 律分析等) ，并取得了丰硕的成果，为结构的时变可靠度分析和寿命预测研究打下 了坚实的基础。但在用可靠度理论对既有桥梁结构的承载力评估与寿命分析方面做 的工作还很少，并且大多是对结构构件或截面的可靠度分析，而关于结构整体或结 构体系的可靠度问题沿在研究阶段。 无论国内国外，可靠度用于桥梁结构体系还不成熟。由于对既有桥梁结构的承 载能力、正常使用功能函数及寿命预测的研究涉及的结构组成部分很多，有上部承 重构件、上部一般构件墩台身、基础、支座及桥面等，而且各组成部分涉及的破坏 形式( 或损伤形式) 有多种，如受弯破坏受剪破坏、裂缝超限导致耐久性不能满足 要求等，同时诸多因素的影响在可靠度分析与计算时又无法精确的定量给出，因此， 对既有桥梁的承载能力和正常使用可靠度研究难度较大，虽然理论上可行，但实际 困难重重。特别是桥梁的时变可靠度研究，未知数更多，目前还未有切实有效的分 钢筋混凝土简支梁旧桥承载力研究 析方法可供使用，有待研究。 2 2 7 现有承载能力评定方法应用情况总结 通过以上对目前一般应用的既有桥梁承载能力的评定方法的详细论述，可以看 出各种方法有一定的优越性及局限性。目前比较普遍采用的荷载试验法，静载试验 法具有直观、可靠的特点，但规模大，试验费用高；动载试验理论上说可以较准确 的评定桥梁的承载能力，但结构动力参数数据一般难以测得；实桥缺陷经验评定法 和实物调查比较法，需要大量的试验和调查其工作量巨大；基于专家经验的方法虽 然可以给出有价值的估计，但此方法一般只能作为评定的辅助手段，况且该方法在 理论上并未得到证实；桥梁调查与分析计算相结合的评定方法是评定桥梁承载能力 的主要方法，其主要不足是各系数取值的不唯一使用权得评定结果有很大差异；基 于结构可靠度理论的方法虽然理论上可行，但是实际操作时有较大困难。正是由于 目前应用的各种评定方法有一定的局限性且一般不能预测结构的极限承载能力，所 以有必要研究一套快速、准确、实用的评定既有桥梁极限承载能力的方法。 2 3 本论文研究的承载能力评定方法 本文提出的基于模型修正的钢筋混凝土简支梁桥极限承载能力评定方法是小 荷载试验为基础的模型修正的极限承载能力分析方法，其主要包括五个方面的工作 内容。 ( 1 ) 既有桥梁的调查内容和方法的研究。确定调查内容与检测方法，既有桥 梁的现场实施，以获取桥梁的初步的几何、物理参数及边界条件。 ( 2 ) 初始有限元模型的建模理论与技术研究。在调查和检测资料的基础上建 立合理而又接近实际状态的初始有限元模型。 ( 3 ) 既有桥梁的小荷载静力实验。对如何确定合适的荷载大小、加载方式、 测试内容等进行研究。 ( 4 ) 以静力试验数据为依据获取初始有限元模型。 ( 5 ) 利用有限元模型对既有桥梁进行极限承载力分析。 对桥梁检测理论和技术很多学者已做了大量工作，所以本文把以静力试验数据 的极限承载能力分析作为重点研究内容。为了对钢筋混凝土简支梁桥进行极限承载 能力分析，首先的工作是调查既有桥梁，建立与实际结构吻合的数学模型( 这里吻 1 2 2 既有桥梁承载能力评定方法的现状 合指数学模型和实际结构极尽相似，至少在工程上可以接受的误差范围以内) ，在 此基础上选取用合理的本构关系，利用有限元软件a n s y s 对桥梁结构进行全过程非 线性分析。 为了对桥梁进行准确的有限元分析，根据以往经验必须建立与实际结构吻合的 数学模型，而要建立与实际结构吻合的模型仅仅通过桥梁调查是不够的。因此，做 少量的试验往往是必需的。本文借鉴前人研究的成果，结合既有钢筋混凝土简支梁 桥的结构特点对此做进一步的研究。 钢筋混凝土简支梁旧桥承载力研究 3 既有桥梁调查分析与建模需求 桥梁调查是进行桥梁评定、维修和改造的前期工作。它的工作内容主要是进行 与桥梁有关的技术资料调查、现场的外观调查及表观检测。事实上根据桥梁的外观 调查可以直接对桥梁进行等级评估，并且各国有相应的规范，只是仅仅根据桥梁的 外观调查来评定桥梁往往造成评估结果因人而异，目前没有统一的标准。本章首先 综述了一般桥梁调查的内容，在此基础上详述了以建立有限元模型为目的的既有钢 筋混凝土简支梁桥所需进行的调查及分析。 3 1 既有桥梁调查及分析 桥梁调查是有经验的桥梁技术人员用肉眼或通过一些特殊的仪器对既有桥梁 进行详细的检测，将那些可以描述桥梁结构状况的特征定性的或是定量的表达出来 的过程，它是一项综合的工作。 3 1 1 技术资料的调查 技术资料调查的目的是为了了解从建桥开始至营运到现在的全过程。运营历程 的调查，对于解释不可预期的损坏和开裂，是有帮助的。调查过程中，需要收集如 下资料： ( 1 ) 设计资料：桥梁设计计算书( 包括有关修改设计的计算书) 、设计图纸、 桥位地质钻探资料和图纸； ( 2 ) 施工资料：有关的施工记录和材料试验报告、桥梁竣工图纸及说明书； ( 3 ) 维修加固及养护资料：历次桥梁调查的记录、维修加固及养护的情况记 录及有关图纸； ( 4 ) 交通量调查和交通荷载调查资料：经常通过车辆的车型、载重量及交通 量资料，历史上通过特殊车辆的记录； ( 5 ) 桥梁周围环境调查：极大的温度变化或侵蚀性的大气，往往能解释一系 列桥梁正常使用性能上的问题，女, n j , f - 露混凝土表面的恶化。基础是受环境影响的重 要部分，很少如同设计计算假设的那样起作用。 1 4 3 既自桥梁调查分析与建模需求 3 1 2 现场的表观检测 现场的表观检测，大致可分为桥梁现场的外观调查和材料的现场检测。表观检 测分析已经有了一定的技术规范可循，我国公路养护技术规范( j t j 0 7 3 8 5 ) 中， 已经规定了进行桥梁技术状况评定的标准。这部分存在的主要问题是检测结果的管 理( 数据库的开发) 和如何将表现破坏与结构的状态指标或能力联系起来。在表观 检测结果数据与桥梁指标的关联方法( 即如何从表观检测结果数据推断桥梁的运营 状态) 这一研究领域，模糊神经网络等信息科学方法表现出良好的应用前景。 ( 1 ) 桥梁现场的外观调查 桥梁现场的外观调查是通过桥梁调查检查人员的目测及有关量测仪器对桥梁 进行全面细致的检查，发现桥梁的缺陷或损伤的外部迹象，分析其产生的原因，以 便初步确定桥梁的薄弱部位。对于钢筋混凝土、预应力混凝土桥梁，还要检查钢筋 或预应力束的布置情况。 桥梁现场外观调查的具体内容细节由于不同地理位置侧重点不同，在此不详细 的一一介绍详细内容可以参考具体文献。 ( 2 ) 材料的现场检测 混凝土现场检测采用混凝土无损检测技术，包括混凝土强度检测、混凝土缺陷 检测和混凝土其它性能的检测。 ( 3 ) 钢筋锈蚀状况的检测 混凝土碳化的深度会影响钢筋的锈蚀程度。一般认为当混凝土保护层厚度大于 碳化深度时，钢筋没有锈蚀；保护层厚度与碳化深度接近时，则钢筋表面开始有局 部锈点出现；当碳化深度大于保护层时，锈蚀一般不可避免地出现。钢筋锈蚀状况 的检测将直接影响到结构承载力，钢筋的锈蚀会产生钢筋截面消弱，混凝土沿钢筋 纵向开裂，从而使得钢筋与混凝土之间的相互作用能力降低等一系列不利因素。钢 筋锈蚀状况的检测可采用如下的方法： a ) 对已发现露筋的混凝土，测试其钢筋与混凝土间存在的开路半电池电位， 根据电位的水平来判断钢筋的锈蚀状况； b ) 测试混凝土的电阻率，电阻率高，表明导电性差，钢筋的可能锈蚀速率 就低，反之则高； c ) 测试混凝土的碳化深度并将其与钢筋的保护层比较； d ) 测定混凝土中氯化物的含量，若未达到临界值，则不足以诱发钢筋锈蚀。 钢筋混凝士简支梁旧桥承载力研究 3 1 3 裂缝的调查及分析其成因 裂缝种类繁多，不同结构、不同部位的裂缝对结构的影响各不相同，因此要针 对具体结构具体分析。许多参考资料已经对此做了详尽的论述，在此不再赘述。 桥面铺装、人行道、栏杆等构件参与作用以及未意识到的的连续性等。这些潜 在的因素对提高桥梁承载能力是十分有用的。 ( 1 ) 荷载横向分布的影响 怎样假设桥梁的荷载横向分布规律对于计算桥梁的承载能力有重要影