（工程力学专业论文）刚架拱桥的检测与加固技术研究.pdf

原创性声明 i i i ii ijr 1 1 111 1 i i ii ij y 1718 7 2 3 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 猛盎两日期：三里止年月_ l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：导师签趔日期：盟咀月上日 摘要 随着国民经济的迅速发展，道路交通量和车辆荷载的大幅度增加， 上个世纪六、七十年代甚至更早修建的桥梁已经产生不同程度的破坏， 成为阻碍交通运输的瓶颈所在。拱桥具有外形美观、桥身结构坚固、承 载能力强、取材方便、造价及养护费用低等优点，在旧桥中占据了相当 大的数量。对现有桥梁采取相应的补强加固措施，可以节省大量的基建 投资，从而改善我国基本建设资金严重不足的状况，具有良好的经济效 益和社会效益。因此，桥梁结构的检测及维修加固成为我国桥梁工程中 一项重要任务。 本文以怀化湖天大桥( 5 0 ( 钢筋混凝土刚架拱桥) + 1 7 x1 6 米( 预 应力钢筋混凝土空心板) ) 为对象，通过现场检测试验和有限元模型分 析，对该桥的检测、有限元模型分析以及加大截面加固法和外贴碳纤维 布加固法进行了研究。主要工作和研究内容如下： 1 归纳总结了拱桥的病害及破坏特征，并对造成病害的原因以及 破坏的特点进行分析。总结出拱桥病害的检测方法及针对这些病害的 加固方法。 2 介绍了旧桥加固的几种常用方法，并简要介绍各种加固方法的 设计和施工工艺，阐明各加固方法的优缺点及其使用范围。详述了增 大截面法和外贴碳纤维布法的理论和施工方法，并对这些方法进行了 对比研究，同时对桥梁加固的后评价体系进行了简单的介绍。 3 对怀化湖天大桥进行了外观、静载和动载检测，并依据湖天大 桥实际构造情况，应用大型有限元软件a n s y s 建立大桥的有限元模 型，进行大桥工作状态的仿真分析。综合分析实际检测结果和理论分 析结果，提出大桥病害所在，为大桥的加固提供依据。 4 根据实验和理论分析结果，确定湖天大桥的加固设计方案，并 用有限元软件a n s y s 分析加固后该桥的力学性能，对加固后桥梁的工 作状态进行评价。 关键字拱桥病害，检测试验，增大截面加固法，外贴碳纤维布加固法， 有限单元法 a bs t r a c t a l o n gw i mr a p i dd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y , t h er o a dt r a f f i cv o l u m e a n dl o a di n c r e a s i n gi nl a r g es c a l e ，b r i d g e sc o n s t r u c t e di nt h e19 6 0 s - 7 0 sh a v e d a m a g e d i nv a r i o u sd e g r e e ，w h i c hb e c o m e sa no b s t a c l eo ft r a n s p o r t a t i o ni n c h i n a ma r c hb r i d g ei sw i t hg o o d - l o o k i n g , s o l i db r i d g ec o n s t r u c t i o n ，s t r o n g b e a r i n gc a p a c i t y , c o n v e n i e n c e i n d r a w i n gm a t e r i a l s a n dl o wc o s ti n c o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e ，t h en u m b e ro fw h i c hi sl a r g ei no l db r i d g e s 田1 ee x i s t i n gb r i d g e sr e i n f o r c e m e n tw i l ln o to n l yr e a ps i g n i f i c a n te c o n o m i c b e n e f i t s ，b u ta l s or e s u l ti ng o o ds o c i a lb e n e f i t sb ys a v i n gal a r g ea m o u n to f c o n s t r u c t i o n i n v e s t m e n t , w h i c hi m p r o v e st h es i t u a t i o no fas e r i o u s i n s u f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t i o nf u n d sf o ral o n gt i m e t h e r e f o r e ，t h ed e t e c t i o n a n dr e i n f o r c e m e n to f t h e b r i d g ei si m p o r t a n tf - 0 rt 1 1 eb r i d g ee n g i n e e r i n g t h i st h e s i st a k e st h eh u t i a nb r i d g ei nh u a i h u a ，h u n a n ，ar e i n f o r e e d c o n c r e t er i g i df r a m ea r c hb r i d g ew i t h5 0 + 17 x16 mp r e s t r e s s e dr e i n f o r c e d c o n c r e t eh o l l o ws l a ba sa no b j e c t t h r o u g ht h eo n s i t et e s ta n dt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e la n a l y s i st os t u d yt h er e s u l t so fd e t e c t i o na n dt h ef em o d e l a n a l y s i s ，t h ee n l a r g i n gs e c t i o nm e t h o da n dt h ee x t e r n a l l yb o n d e dc f r p c o m p o s i t e sm e t h o da r es t u d i e d t h em a i nc o n t e n t so fr e s e a r c ha r ea s f o l l o w s ： 1 s o m ek i n d so fd i s e a s e sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r es u m m a r i z e d a n dd e t e c t i o na n dr e i n f o r c e m e n tm e t h o d sa g a i n s tt h e s ed i s e a s e s b y a n a l y z i n go f t h ec a u s e sa lei n t r o d u c e d 2 s o m ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so fr e i n f o r c e m e n to fo l db r i d g e s a r ed e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g nm e t h o d ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ， t h em e r i t sa n dd e m e r i t sa n dt h e a p p l i c a t i o nr a n g e t h e n ，s o m e c o m p a r i s o n sa r em a d ef r o mt h et h e o r ya n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d s b e t w e e n t h ee n l a r g i n gs e c t i o nm e t h o da n dt h ee x t e r n a l l yb o n d e dc f r p n e e v a l u a t i o ns y s t e ma f t e rr e i n f o r c e m e n ti sb r i c r yi n t r o d u c e d 3 t h ed e t e c t i o no ft h eh u t i a nb r i d g ef r o mt h ea p p e a r a n c e ，t h es t a t i c a n dd y n a m i cl o a d si sc o m p l e t e d b a s e do nt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i t i c so f t h eh u t i a nb r i d g e ，t h ew o r k i n gm o d e lo ft h eb r i d g ei se s t a b l i s h e db y u s i n gt h ea n s y ss o f t w a r e ，a n di t sw o r k i n gs t a t ei sc o n d u c t e da s i m u l m i o na n a l y s i s t h er e s u l t sb o t hi n s i t ud e t e c t i o na n dt h e o r e t i c a l i l a n a l y s i sa r es h o w e dc o m p r e s s i v e l y , a n dt h ed i s e a s e s a r ep o i n t e do u t ， w h i c ho f f e r sr e a s o n sf o rt h er e i n f o r c e m e n t 4 o nt h eg r o u n do ft h et e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s ，a r e i n f o r c e m e n td e s i g ni sp r o p o s e df o rt h eh u t i a nb r i d g e s u b s e q u e n t l y , t h em e c h a n i cp r o p e r t i e so ft h eb r i d g ea rea n a l y z e db yt h ea n s y s ，a n d t h ea p p r a i s a lo ft h ew o r k i n gc o n d i t i o na f t e rr e i n f o r c e m e n ti sf o l l o w e d k e y w o 剐d sa r c hb r i d g ed i s e a s e s ，d e t e c t i o n ，t h ee n l a r g i n gs e c t i o n m e t h o d ，t h ee x t e r n a l l yb o n d e dc f r pc o m p o s i t e s ，f e m ! i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义l 1 1 1 我国公路建设中的既有桥加固1 1 2 桥梁加固的目的和要求2 1 3 桥梁检测加固的常用方法综述4 1 3 1 桥梁检测技术综述4 1 3 2 桥梁补强加固技术综述6 1 4 桥梁加固后的评价体系概述7 1 5 桥梁加固的国内外发展现状1 0 1 6 本文主要的工作内容。1 2 第二章混凝土刚架拱桥加固理论1 3 2 1 拱桥特点及主要病害13 2 1 1 拱桥及其特点1 3 2 1 2 拱桥常见的病害及破坏形式1 3 2 2 桥梁常用加固方法对比分析l5 2 3 增大截面加固法18 2 4 外贴碳纤维靠加固法2 0 2 5 本章小结2 2 第三章怀化市湖天大桥的检测试验与分析2 4 3 1 怀化市湖天大桥检测方案2 4 3 1 1 检测目的和检测项目2 5 3 1 2 加载工况控制2 5 3 2 整桥试验结果2 7 3 2 1 结构常规检测及结果2 7 3 2 2 静载试验及结论一j 31 3 3 动载试验及结果3 7 3 3 1 试验目的3 7 3 3 2 跑车试验3 8 3 3 3 跳车试验3 8 3 3 4 刹车试验3 8 3 3 5 动载试验结果评定4 0 3 6 本章小结4 l i v 第四章怀化市湖天大桥加固设计及加固前后受力分析4 2 4 1 有限元及a n s y s 简述4 2 4 1 1 怀化市湖天大桥加固前模型建立4 3 4 1 2 理论分析结果与实验结果比对分析4 8 4 2 怀化市湖天大桥加固方案及设计施工5 0 4 2 1 怀化市湖天大桥加固方案选择5 0 4 2 2 怀化市湖天大桥加固设计及施工5l 4 3 怀化市湖天大桥加固后模型建立与数据对比5 8 4 3 1 怀化市湖天大桥加固后数据分析。5 8 4 4 加固效果及评价6 2 4 5 本章小结6 2 第五章结论与展望6 3 5 1 结论：6 3 5 2 展望6 4 参考文献6 5 至j 【谢6 9 在学期间发表的学术论文及参加的科研项目7 0 v 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 我国公路建设中的既有桥加固 我国属于多山的国家，山地面积占全国总面积的2 3 以上。在公路交通建设 迅猛发展的同时，我国桥梁事业也飞速前进。截止到2 0 0 0 年底，据不完全统计， 全国拥有各类桥梁约五十万座。约三成分布在技术标准较低、通行能力较差的公 路上n 1 。近些年来，随着经济快速发展，桥梁受到的单车荷载和交通总流量都在 迅速增加，导致许多桥梁所受到的荷载己经超出了预期，进入“过载 状态锄。 为保障国家公路运输大通道的安全、畅通，这批过载桥梁需要进一步提高承载能 力，以应对快速增长的交通压力。 桥梁一般是公路交通运输能力的瓶颈所在，特别是建成早、使用时间较长的 桥梁，在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，结构发生了功能性退化口1 。 其中桥梁上部结构存在比较显著的问题是：桥梁设计荷载标准较低，运营荷载超 过设计荷载限制；桥面宽度狭窄，不能满足日益增加交通流量的需求；混凝土梁、 拱参与挠度较大，影响行车速度；钢筋锈蚀严重，顺筋方向有纵向裂缝，横向梁、 拱底存在裂缝，裂缝宽度超标，影响桥梁使用寿命，严重时可划分为危桥h 1 。截 至1 9 9 8 年底，全国公路桥梁总数2 1 0 8 万座，其中临时性桥梁3 5 3 万座，危桥 4 1 0 5 座，位于公路交通主干道上的临时性桥梁4 0 5 座，危桥1 2 5 3 座，分别占临 时性桥梁和危桥总数的1 3 和3 1 。武汉一黄石高速公路桥梁健康状况普查表明： 高速公路4 8 k m ，有大桥2 座，中桥4 座，小桥4 2 座，共计4 8 座。经过1 0 余年 运营，已经出现不同程度的病害。其中，一类桥梁7 座，二类桥梁1 8 座，三类 桥梁1 7 座，四类桥梁6 座。分别占桥梁总数的1 4 5 8 ，3 7 5 0 0 , 6 ，3 5 4 2 0 , 6 ，1 2 5 0 晦1 。 就四川省公路部门2 0 0 2 的全省公路普查发现，全省就有2 0 0 座以上的桥梁需要 维修或加固。这就说明，想要提高公路交通的通行运输能力，首先要解决的就是 既有病害桥梁的重建或者改造问题。 桥梁结构的耐久性问题不仅在我国各省市、地区不同程度的存在，在一些发 达国家，如美、日、西欧和北欧等国家，也严重存在。在世界范围内，它已成为 一个严峻的问题。在英国，1 9 8 0 年的建筑维修改造的桥梁占桥梁总量的2 3 。1 9 8 7 年美国国家材料顾问委员会提交的混凝土耐久性报告指出，二十世纪五十年代以 后修建的桥梁，尤其是混凝土桥面板这类工作环境较为严酷的结构，出现了病害、 开裂和严重破坏，其中部分使用不到2 0 年。据美国1 9 8 4 年的报道，其中5 7 5 万座钢筋混凝土桥中有一半以上出现钢筋腐蚀破坏，4 0 9 6 存在承载力不足，必须 进行修复与加固处理。在日本冲绳地区1 7 7 座桥梁的调查表明，桥面板和钢筋混 凝土梁的损坏率己达9 0 0 5 以上，而日本引以自豪的新干线使用不到十年，就出现 大面积混凝土开裂、剥蚀现象哺棚。 纵观我国的桥梁建设里程，在建国初期兴建了一大批混凝土结构的桥梁，随 着使用年限的增加，其承载能力均不同程度的受到影响，部分桥梁很难再满足现 代运输的要求，甚至有的已经阻碍了交通运输事业的发展。如果将它们全部拆除 并重新修建，是一种巨大的经济浪费。统计资料表明，在一些经济发达国家，工 程结构的维修和加固费用有的已达到或超过新建工程的投资。例如美国2 0 世纪 9 0 年代初期用于旧建筑物维修和加固上的投资已占到建设总投资约5 0 ，英国这 一数字为7 0 ，而德国则达到8 0 哺一。世界上经济发达国家的工程建设大都经历 了三个阶段，即大规模新建阶段，新建与维修并重阶段，工程结构维修加固阶段。 我国解放以来，从“一五 开始至现在一直在进行大规模的工程建设，当这些建 设活动到达顶峰之后，桥梁结构的耐久性问题将更加突出。因此，对现有钢筋混 凝土桥梁采取相应的补强加固措施，可以节省大量的基建投资，从而改善我国基 本建设资金严重不足的状况，具有巨大的经济效益和社会效益。因此，需要利用 现有的技术去加固与改造那些旧的桥梁结构，进而改变结构本身现存的一些病 害，提升现有桥梁的荷载等级，以便让这些桥梁能更长久、安全地服务于现代交 通运输事业n 。 全国交通基础设施“十一五 规划中指出，未来我国公路交通建设采取“新 建 与“既有改造”并举的方针。这便在很大程度上推动了对旧桥结构的正确鉴 定检测、有效加固方面的题研究。 1 2 桥梁加固的目的和要求 一般来说，桥梁加固工怍应包括日常养护维修、加固和改建三个内容1 引。 日常养护维修是一项经常性的工作，发现桥梁产生小的缺陷，必须及时处理， 由养护单位对缺陷进行修理加固。 加固是通过加大、加强或增加桥梁构件对重大病害进行彻底整治来提高整座 桥梁承载能力的措施。加固可以有各种不同的方式和方法，视桥梁的使用要求、 结构型式及其荷载承受能力的降低程度而定n 引。能长期保留加大桥梁结构承载能 力作用的加固，称为永久性加固；为维持临时通车而采用的临时性加固，称为临 时加固n 5 1 。 2 对旧桥进行拓宽、升高桥面，改变桥梁型式或改桥为涵，全部更换桥梁主要 承重构件或重建新桥等工作，一般称为桥梁的改建。 由于桥梁养护维修加固、改建加固与加固工作密切相关，加上习惯上的原因， 三者没有严格划分，为叙述方便，三者均遵照统一原则。 桥梁建成后，为确保正常运营，必须加强经常性的检查养护与维修。随着交 通运输的发展，交通量和重载车辆不断增加，因此要求通过对原有桥梁进行合理 而有效的加固，来提高通过能力和荷载标准。桥梁加固的目的和要求主要如下： 桥梁加固的基本目的n 刮： ( 1 ) 确保桥梁工程的安全、完整、适用与耐久 桥梁结构经常遭受风、雨、水流( 包括洪水、冰凌) 的侵袭，温度、湿度变化 的影响，甚至遭到地震的破坏；遭到车辆通过时的冲击及机械轮胎的磨耗；通航 河道上的桥梁，还可能受到船只的碰撞；在特定情况下，有时还会出现某些工程 项目的施工，在桥梁周围频繁进行，从而危及桥梁安全。所以，桥梁在运营使用 过程中，难免不会发生病害或损伤。一旦发生病害或损伤，就要及时进行维修。 小坏小修，随坏随修，防止病害扩大，确保桥梁结构的完整与安全。相反，产生 病害后不及时维修加固，由于病害的逐渐扩大，不但导致桥梁结构的提前损坏， 甚至可能发生塌桥事故。而桥梁的适用性与耐久性遭到破坏，势必影响交通运输 的畅通，给国家与人民带来重大损失。 ( 2 ) 掌握桥梁结构状况，完善基础资料，为加固提供必要条件 为对桥梁进行维修加固，必须掌握有关桥梁设计文件、施工记录、质量检验、 竣工验收，以及运营状况记录、检查记录、以往的维修加固记录等技术资料。但 有的桥梁由于建造年限较长，历经各种社会变迁，或者由于其他原因，致使技术 资料不全，甚至荡然无存。因此，在桥梁维修加固前，必须采用各种调查和测试 手段，建立和完善该桥必要的档案资料库，以掌握桥梁结构状况。资料库不仅为 桥梁维修加固创造了有利条件，还可为合理安排现场检查和决定加固方案提供可 靠依据。对管理部门来说，桥梁技术资料也包括进行桥梁维修加固时的必要记录， 特别是桥梁承载力的检定及其现状的掌握十分重要。 ( 3 ) 提高原有桥梁的通过能力与承载能力 对于中小型桥梁，若地基可靠，墩台承载能力足够，则可以在不加筑基础的 情况下，对桥台、桥墩进行拓宽加固，从而增加桥面行车道的宽度，达到提高车 辆通过能力的目的。对于原设计荷载等级较低，不能满足通行重车的桥梁，可根 据实际情况，采用各种加固方法对1 日桥加以改造。通过改造，使原有桥梁承载力 得到提高。 桥梁加固的基本要求为n 7 删： ( 1 ) 经济费用。一般来说，如果加固费用约占新建费用的1 0 - 3 0 ，即应 当优先考虑加固。 ( 2 ) 不中断交通或尽量减少中断交通。在加固与加宽同时进行的桥梁，可把 加宽集中在一侧，往往可以将加宽与加固错开，不搭便桥。 ( 3 ) 对已发现的缺陷，要一次加固好，不留后患。加固设计应按规范进行。 ( 4 ) 对原有桥梁结构的损伤应尽可能减至最低。 ( 5 ) 技术可靠、耐久使用、养护方便。 1 3 桥梁检测加固的常用方法综述 1 3 1 桥梁检测技术综述 既有桥梁的损伤检测问题在2 0 世纪5 0 年代就已经提出。2 0 世纪7 0 年代，经合 组织完成了有关桥梁检测、承载能力评估和桥梁养护等研究报告。1 9 8 0 年和1 9 8 2 年分别在巴黎和华盛顿召开了关于旧桥问题的国际讨论会议汹一。2 0 世纪9 0 年代 以来，既有桥梁的检测和状态评估问题越来越受到公路管理部门、研究者和工程 师的重视，除了大量的研究文献外，已经出版了若干关于桥梁检测方面的规程或 规范趁一。 为了保证既有桥的安全运营和尽可能延长其安全使用年限，应对既有桥进行 检测评估，而且应定期进行。所谓检测评估，就是对既有桥的整体和各组成部分 进行考察、了解、检查、检测，经过检算分析，有时还需辅以相关试验，对其病 害情况、损伤程度、病害与损伤原因、实有承载能力、功能以及能否正常运营等 作业鉴定、给出明确结论。桥梁的检测评估是提出补强加固建议的前提和基础， 在桥梁加固工程中，占有重要的地位。 桥梁结构状态检测分为局部检测和整体检测两种啪1 。局部检测是对桥梁需要 重点了解的部位进行细查查，目的是搞清结构局部的物理、力学和构造特性或实 际状态；整体检测则试图从全局上把握结构的实际状态。无论是局部检测还是整 体检测，从方法上看都可以分为表观检测和仪器检测两种。下面分别进行简单的 介绍。 ( 1 ) 表观检测方法 对桥梁进行检查，评定桥梁设计、施工及维修加固的质量与效果。桥梁的使 用效果与桥梁的设计、施工及维修加固质量密切相关。调查桥梁各部结构的营运 情况，分析出现缺陷的原因，可正确评价桥梁设计与施工的质量。 例如，检查发现钢筋混凝土梁的下缘出现裂缝，可能与钢筋的排列密度有关； 发现桥面车道板梁与梁之间的接缝处出现纵向裂缝，可能是由于减少或取消t 型 4 钢筋混凝土梁中的横隔梁，或虽有横隔梁，但焊接存在缺陷，而导致桥梁横向刚 度明显减弱的缘故；通过现场强度检验，发现构件各部分强度不均，甚至低于设 计强度，可能是施工质量上存在的问题。应该说，表观检测及分析已经有了定 的技术规程可循，这部分存在的主要问题是检测结果的管理和如何将表观破坏与 结构的状态指标或能力联系起来。 ( 2 ) 局部检测方法 局部检测除了采用视察法外，主要是采用各种技术仪器，如x 射线、超声波、 显微镜、声学及光学仪器对局部结构进行有效检测，一般说来，用于局部检测的 设备的价格昂贵，试验数据的解释需要专门的知识。进行局部检测之前，需要对 损伤的部位有大概的了解，检测部位必须是人员、设备可以达到的地方。 ( 3 ) 静态检测方法 对桥梁进行静载试验，量测与桥梁结构性能有关的参数。与桥梁的工作性能 有关的主要参数有变形、挠度、应变、裂缝等。通过静载试验，可测出这些参数， 从而分析得出结构的强度、剐度及抗裂性能据此判断桥梁的承载能力，桥梁静 载试验具体测定内容：( 1 ) 静应变测量。测试结构的静态应变量，从而推算结构 截面的应力分布、杆件的实际内力与次应力，混凝土和钢筋共同作用情况等：静 位移测量= 测量竖向静态位移量( 梁的挠度) 、水平静态移营( 梁活动端位移及墩顶 位移等) 。 由实测到的应变和位移可以推算出有关的内力( 如轴力和弯矩) 值和挠度值 等。将它与理论计算值进行对比，是判定桥梁结构工作状态的一个重要指标。 ( 4 ) 动态检测方法 动力荷载试验的目的在于研究公路桥梁结构的动力性能，该性能是判断桥梁 运营状况和承载能力的重要标志之一日。比如，动力系数是确定车轴荷载对桥梁 动力作用的重要技术参数直接影响到桥梁设计的安全与经济性能。桥梁过大的 振动可引起乘客和行人的不舒适。桥梁自振频率处于某些范围时，可由外荷载( 包 括行使车辆、行人、地震、风载、海浪冲击等) 引起共振的危险。这是以前动力 检测的主要目的。但是最近1 0 几年来，研究者试图扩大动力检测方法的范围和功 能，其主要设想可以由下面段话来概括： 结构损伤的发生必然导致结构参数( 刚度，阻尼和内部荷载) 的改变。如果恰 当地估计出这些变化，就能给结构损伤状态的评估提供一个量化的方法。利用振 动方法对桥梁进行结构损伤检测的基础是从桥梁振动模态的变化中能够估计出 桥梁结构参数的变化。桥梁振动模态通常可用常规的实验模态分析测试方法得 到。在桥梁的不同位置布置测点，通过结构损伤发生前后由这些测点记录的信 息可提取出的桥梁振动模态特性参数的变化，以此来确定结构损伤发生的位置、 大小及结构损伤类型。这是一个雄心勃勃的设想。目前比较得到认同的是结合系 统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试骚模态分 析法。这种方法已经被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、 荷载类别和动力学修改等问题中，现在研究者试图将这种方法用于土木工程结构 的状态检测。 ( 5 ) 桥梁承载能力评估法 桥梁承载能力评估是桥梁管理中的主要任务之一。建立有效、经济的桥梁承 载能力评估方法并使之规范化一直是公路管理部门和工程师所关注的中心问题。 我国交通部1 9 8 5 年颁布了公路旧桥承载能力鉴定方法( 试行) ，与此相关的还 有大跨径混凝土桥梁的试验方法日，1 9 9 6 年由交通部公路局颁布了“公路养 护技术规范。公路旧桥承载能力鉴定方法( 试行) 首先要求对桥梁结构的表观 损伤进行调查，对这些损伤进行解释，并按有关的桥梁设计规范对鉴定桥梁进行 验算。 1 3 2 桥梁补强加固技术综述 2 0 世纪7 0 年代，我国开始对1 日桥加固技术进行研究，总的看来，混凝土桥 梁加固方法从适用特点上可以分成五大类：一是加强薄弱构件；二是增加辅助构 件；三是改变结构体系；四是减轻结构恒重；五是桥墩、桥台及基础加固啪硝1 。 ( 1 ) 加强薄弱构件 在桥梁上，对于有严重缺陷的部位，或者因要通行重型车辆而不能满足要求 的部位，如：桥梁的跨中部位、支座部位、承受负弯矩的部位：拱桥的拱顶、拱脚、 i 4 拱跨部位：以及其它变截面处等，采取加强措施，进行补强。 ( 2 ) 增加辅助构件 在桥梁承载力不足或因为某种原因致使桥梁遭受破损时，可以在原有的结构 上增加新的受力构件，如：桥梁中增设主梁、横隔梁：简支梁之间加设辅助构件， 使其成为连续梁的工作状态：梁下部采用八字支撑方式，增加跨孔改变受力状态： 拱桥中采用梁式结构替代回填料等。特别注意的是：在更换原有结构上的有严重 缺陷、有不能修复的构件时，必须设置足够的临时支撑，或采取可靠的措施，以 保证整个结构在施工中的安全。 ( 3 ) 改变结构体系 根据桥梁的实际状况，改变结构体系可分为梁拱结合体系法和转换桥型加固 法。 梁拱结合体系法是指清除拱上建筑及实腹段范围内的填料，降低拱顶断面高 度，浇注钢筋混凝土桥面板，并用混凝土将拱上建筑与桥面板相结合，从而加强 拱上建筑的刚度，使原来单一的拱式体系转化为梁拱体系，使整个体系向柔拱 6 钢梁转化。 转换桥型加固法是指将箱板拱、箱肋拱式拱桥转换成拱桁结合拱。拆除原拱 上建筑，将原桥由箱板拱、箱肋拱或等腹拱式拱桥转换为拱桁结合体系，以减轻 转换拱上建筑重量并使主拱圈主要承受全部活载及活载引起的轴压力。拆除拱上 建筑时，如果旧桥是钢筋混凝土拱，应保留横墙脚钢筋，以便桁架节点固定到主 拱圈上，如主桥是石拱桥或横墙五钢筋时，应加设一定数量的锚固钢筋，用于锚 固桁架的腹杆。桁架腹杆采取三角为宜。 将箱板拱、箱肋拱、双曲拱和石拱桥转换为钢架拱。当钢筋混凝土拱横墙底 座无钢筋或石拱桥改造为桁架拱又一定困难时，可将拱上结构改变为钢架拱。计 算结果表明，钢架拱在空腹范围内拱圈的弯矩要比上述的拱式桥梁小，而且拱脚 弯矩也将减少得特别多。但是，此方法加固时，需拆除旧拱桥拱上结构。因此， 要特别使拱受力平衡，防止倒塌。在拆除过程中必须由跨中对称地向拱脚方向进 行，两侧进度一致应控制在计算许可值的2 m 范围内。 ( 4 ) 减轻结构恒重 减轻桥梁上部结构的恒重，改善原桥梁的受力状态，提高桥梁的承载力，特 别是在桥梁基础承载力受到限制，不能满足加固上部结构和提高活载承载力时， 通过减轻桥梁恒载的办法来提高承受活载的能力。如：将实腹式拱桥改建为空腹 式拱桥，或更换拱上填料的办法，对提高拱桥的承载力具有十分显著效果。 ( 5 ) 桥墩、台及基础加固 在桥梁结构中，有相当的一些缺陷是由桥梁墩、台和基础的病害引起的，因 此，需要从其着手进行加固处理。通常的办法是：用钢筋混凝土套箍并施加外部 预应力加固墩身。对于基础加固措施，常采用加桩法和扩大基础法进行处理。 1 4 桥梁加固后的评价体系概述 加强现有桥梁的养护和加固改造工作，是延长桥梁使用周期，保持使用功能， 保障行车安全的重要措施。因此，桥梁加固后的效果的评价也是公路管理部门关 注的重点问题之一防3 2 1 。 桥梁的后评价体系主要包括：桥梁加固目标评价和实施过程评价、桥梁加固 效果技术性评价、桥梁加固效果效益性评价、桥梁加固效果影响性评价、桥梁加 固效果持续性评价、桥梁加固效果综合评价等。 桥梁加固效果的目标评价就是评定加固项目立项或工可研时预定的目标的 实现程度。目标评价就是要从宏观角度出发，对照原定目标要完成的主要指标， 检查加固工程效果实际实现的情况和变化，分析实际发生改变的原因，判断目标 7 的实现程度，并且对项目原定决策目标的正确性、合理性和实践性进行分析评判， 给出改进的意见和对策。 桥梁加固效果的实施过程评价，是对加固工程的可行性研究、立项决策、实 施等全过程的系统的总结和回顾，其任务是全面评价加固项目前期工作及实施过 程中各主要环节的工作实绩，总结预测决策和工程管理中的经验教训，分析实际 情况变化的原因，鉴别实际效果偏离预期效果的合理程度，为桥梁加固的前期工 作和工程实施积累经验：同时，还需通过对项目实施后的有关实际数据的观测调 查，对比项目加固后的实际情况与加固前预测的差异，并分析变化的原因。 加固方案技术评价就是对桥梁加固实际采用的加固方案的技术性要求重新 进行分析，并根据工程实施的实际情况与工可研阶段的方案选择情况进行对比分 析，评价加固方案是否满足技术可行性、经济合理性、方案适用性等预期要求。 评价内容有加固工程的基本情况概述，包括加固的内容、方法及规模等：加固工 程技术要求的满足程度评价，包括加固方案应满足的各项技术性要求的分析评 价。 结构技术状况评价是对桥梁加固前后的整体技术状况进行评价，利用桥梁结 构或构件的特定信息，通过加固前后及设计与实施情况的对比分析，评价是否达 到了预期技术效果。结构技术状况评价是从工程技术角度评定其加固后的服务水 平，不仅确定其是否满足了设计要求，是否安全可靠，更重要的是确定桥梁加固 后的实际或真实技术状况。桥梁加固效果的结构技术状况评价包括安全性、耐久 性和适用性等三方面内容。 桥梁加固效果效益性评价是指，桥梁加固后使得桥梁的荷载等级、承载能力、 通行能力等技术状况得到很大程度的提高，使得原来不能通过的车辆可以通行， 从而产生巨大的直接经济效益和由此波及的间接效益。经济效益评价就是站在社 会的角度，根据资源合理配置的原则，对由于桥梁加固而引起的经济效益的进行 分析计算，从而评价桥梁加固的经济性。 桥梁加固效果的相对经济效益评价就是通过对加固旧桥和重建新桥两种不 同方案所需成本的对比分析，评价桥梁加固工程获得的相对经济效益。本文中的 新桥是指和加固后的桥梁相比，具有等同功能、桥型、跨径的同类桥梁。加固后 的桥梁不可能达到新建桥梁的水平，在服务水平、使用寿命等多方面存在较大的 差异。美国纽约州桥梁管理系统对本地区近两千座桥梁1 4 年的检测数据统计分 析，建立了桥梁退化模型，可知在任何情况下，修复后的桥梁都不能恢复到新建 桥梁的等级水平，而且会以比新建桥梁更陡的速率衰退。加固后的桥梁就像年久 的机器，因其体质本已劣化，虽然状况得到改善但与新建桥梁在服役年限( 即寿 命周期) 、日常检查和养护次数与费用、寿命周期内桥梁维修间隔时间与费用等 8 许多方面存在差异，进行相对经济效益评价时，要综合考虑两者的各种影响因素， 通过一定的技术经济手段，使之具备可比性。 桥梁加固效果的相对经济效益评价须考虑加固桥梁和新桥整个寿命周期内 的成本。桥梁和其他建筑物一样，“寿命周期不外乎要经历三个阶段：施工期、 服役期和老化期。桥梁加固工程的寿命周期与此类似，包括加固工程施工阶段、 加固后的服役阶段和最终老化报废阶段。寿命周期成本就是指在所确定的寿命周 期内为建立和保持桥梁结构的使用功能所需耗费的一切费用之总和。为保证评价 的可比性、计算准确性，本着简洁实用的原则，提出一个前提假设：在生命周期 内，加固后的桥梁结构不再进行大规模的大修加固工程，只进行日常维护、小修 和中修工作：新建的桥梁结构也不再进行大修加固，只是日常维护、小修：和中修。 虽然这种做法与现实是不相符合的，但是可以大大简化评价时的计算，是可取的。 由于时间因素对成本的分析影响非常大，所以在寿命周期成本的对比分析时 必须考虑通货膨胀和银行利率的影响，即计入资金的时间价值。相对经济效益评 价可以使用年值法进行评价，即把建设总成本按各自使用寿命期折现成每年的费 用，并根据使用性能的不同进行折减，然后加上每年的养护维修费用后，再进行 分析评价。 桥梁加固后的社会影响评价就是通过分析桥梁在加固实施后对社会、区域经 济及发展等多方面产生的作用和影响，对其作出科学、客观、合理的评价，为今 后加固决策提供参考依据。项目的社会影响评价涉及面广，影响因素多，概括起 来可以归纳为促进社会进步、促进经济发展、促进政治稳定、促进公路交通行业 发展等四方面内容。 桥梁加固效果的环境影响评价，应对照工可研时的环境影响分析，审查加固 实施后对环境影响的实际结果，环境管理决策措施、规定、参数的可靠性和实际 效果。通过对当地影响区域的大气环境、水环境、声环境等方面的监测和调查， 通过比较实际情况与加固前预测影响的偏离程度，研究产生偏差、误差的原因， 分析评价加固项目中通过采取环保措施后环境质量状况，各项污染的治理控制情 况等。环境影响后评价中应首先论述评价项目的环境保护审查、审批手续是否完 善，环保设施、技术资料是否齐全，环保制度是否健全等内容，然后从加固项目 对环境质量的影响和污染控制情况两个方面深入分析评价。 根据可持续发展的思想，桥梁加固工作既要考虑当前结构状况的需要，又要 考虑今后发展的需要。桥梁加固效果的持续性评价就是评价桥梁在加固工程完成 后，加固的各项效果能否继续保持下去，加固工程是否具有可借鉴性。桥梁加固 效果持续性评价其根本点在于确定桥梁加固后的经济使用寿命，只有在经济使用 寿命期内，桥梁加固的各种效果和效益才能持续发展，才能得到最大体现。桥梁 9 加固效果持续性评价就是评估桥梁加固后的经济使用寿命。影响桥梁经济使用寿 命的因素有桥梁加固后的剩余使用寿命、桥梁结构的使用价值、日常维修养护情 况、经济社会效益等。桥梁加固后的经济使用寿命就要从经济意义上综合考虑， 确定一个最佳的使用年限，使得在考虑了桥梁结构的实际剩余寿命、使用价值、 维护费用和经济社会效果等因素下的加固投资效益最佳。本文在桥梁失效准则和 结构时变可靠度理论的基础上，综合考虑了加固成本、延续时间内结构失效经济 风险、正常维护费用、运营后的经济社会效益之间的关系，以经济和优化理论为 基础，提出了加固后桥梁剩余经济使用寿命的预测方法，借以评价桥梁加固效果 的持续性。 全面评估桥梁加固后的效果，在前述工作的基础上还必须对加固项目进行综 合评价。桥梁加固效果综合评价是指桥梁加固工程在目标评价、实施过程评价、 技术性评价、效益性评价、影响性评价、持续性评价等的基础上，采取一定的综 合分析方法，以加固工程的目标和效果为核心，对加固工程进行全面系统的分析 和最终评价。综合评价方法很多，如成功度评价法、定量比较法、单纯矩阵法、 层次分析法、主成分分析法、灰色理论综合评价法、模糊综合评判法及神经网络 综合评价法等，国内外后评价机构中较多采用的是成功度评价的方法。本文在研 究传统成功度评价方法的基础上，针对桥梁加固项目后评价所需基础资料多、指 标繁、有些指标不易量化等特点，吸收了德尔菲评分法、层次分析理论、模糊数 学理论等的优点采用成功度综合评价方法对桥梁加固后的整体效果进行评价。 1 5 桥梁加固的国内外发展现状 桥梁的维修加固工程，越来越受到国内外工程界的重视。在国外，第二次世 界大战之后，除了大规模的恢复建设外，旧桥的维修和改造日趋重要。同时，由 于钢筋混凝土结构的广泛使用，结构理论日趋完善，钢筋混凝土桥梁的加固研究 也逐渐系统化、理论化。目前国外对钢筋混凝土桥梁的加固研究主要集中在日本、 美国两个国家，他们研究较多的是抗震加固嘲。 1 9 8 1 年4 月联合国经济合作与发展组织( o e c d ) 主持召开了关于“道路桥梁 维修与管理 的会议，会议提出如下六个方面的问题要求加以研究。 ( 1 ) 如何评价现有桥梁实际承载能力与安全度的问题。 ( 2 ) 如何及早的检查和发现桥梁产生的损伤及异常现象，正确的检定桥梁的 损坏程度，从而采用合理的维修加固方法的问题。 ( 3 ) 桥梁损坏与维修加固的实际应用问题。 ( 4 ) 桥梁维修加固技术，即采用维修加固的技术与方法的问题。