（土木工程专业论文）现役钢筋混凝土梁的弯区裂缝特征与桥梁检测评估的试验研究.pdf

天连理i 太擎i 程硕士学位论文 摘要 目前随着桥梁的修建时间的日渐久远，交通荷载的不断增长对于桥梁的 承载能力的要求越来越高，桥梁的承载能力逐渐降低，从而要求人们对于桥 梁的承载能力进行检测评估，而众多数量的桥梁需要检测，使得快速、准确 的评估方法受到关注。裂缝作为钢筋混凝土梁的主要特征，其开展情况反映 了桥梁的真实工作状态。 本文对于各国关于钢筋混凝土梁桥的检测评估规范进行了研究，比较分 析裂缝在桥梁评估中所起的作用，提出了桥梁检测中的裂缝特征参数。 依据钢筋混凝土基本原理，通过理论分析对裂缝的特征参数进行计算， 利用新旧钢筋混凝土梁的对比试验，分析总结了裂缝的特征参数与荷载作用 之间的关系，提出了在结构检测评估中的可使用的裂缝特征。 关键词：钢筋混凝土裂缝检测评估 太连理i 大学工程碛士擎位论文 a b s 1 1 r a c t a t p r e s e n tw i t h t h ea g eo f b r i d g e sb u i l t e dl o n g ，v e h i c l e l o a di n c r e a s i n ga n d s t r e n g t ho fb r i d g e sr e d u c i n g ，p e o p l eh a v e t oi n s p e c ta n de v a l u a t et h es t r e n g t ho f b r i d g e s s i n c et h e r ea r es om a n yb r i d g e st oi n s p e c ta n de v a l u a t e t h er a p i da n d a c c u r a t em e t h o d sa r ei nn e e d c r a c ki so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c s o fr e i n f o r c e dc o n c r e t eg i r d e r s f r o mt h ed e t a i l so fc r a c k e x p a n s i o n ，w e c a nl e a r n a b o u tt h e r e a l i t yo fw o r k i n g s t a t eo f b r i d g e s t h ep a p e rs t u d y so nb r i d g ei n s p e c t i o n & e v a l u a t i o ns p e c i f i c a t i o n so fo t h e r c o u n t r i e s ，a n a l y s e sc r a c ke f f e c to nb r i d g ei n s p e c t i o n & e v a l u a t i o n ，a n db r i n g s f o r w a r dt i l ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fc r a c k s a c c o r d i n g t 0t h eb a s i c t h e o r y o fr e i n f o m e dc o n c r e t e s t l u c t t l r e ，t h e p a r a m e t e r s o fc r a c k sa l ec a c u l a t e d r e l a t i o n sb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fc r a c k sa n dl o a d sa r eg i v e no u tt h r o u g ht h et e s t s o fn e wa n do l d r e i n f o r c e dc o n c r e t e g i r d e s h 1 aw o r dt h eu s eo fc r a c k so n b r i d g e i n s p e c t i o n & e v a l u a t i o n t u r e si sb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d ：r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ，c r a c k ，i n s p e c t i o n & e v a l u a t i o n 大连理工大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言- 各国服役桥梁的现状 桥梁作为能够提供铁路、公路、渠道等跨越河流、山谷或其它障碍并具有承 载能力的架空建筑物，是一种纽带，在道路联接中是不可缺少的，在整个交通运 输中发挥着至关重要的作用。但是，作为承受运行荷载的结构物，桥梁也有与人 类相似的“生、老、病、死”的过程。随着时间的推移，交通运输事业的不断发 展，各种新旧桥梁均会因外界自然环境的影响、交通荷载的反复作用等产生衰退 或损伤，从而造成桥梁承载能力下降，不能适应交通运输事业的发展。世界各国 在其经济发展的过程中，都会遇到这样的问题；而且愈是在经济发达的国家，随 着桥梁使用数量的不断增多及其使用期的不断延长，其面临的旧桥改造问题就愈 多。 在经济发达的美国，1 9 6 7 年1 2 月5e t ，横跨俄亥俄河的银桥发生垮塌事故， 造成6 4 人伤亡，其中4 6 人死亡。事故调查结果表明，这座建于1 9 2 8 年的旧桥 没有得到良好的保养，部分钢构件严重锈蚀并且最终导致该桥垮塌。美国朝野为 这一灾难震惊，对旧桥的维护改造工作进行规范。美国联邦公路局以及各级公路 管理部门也开始将旧桥改造工作提上重要的议事日程，制定了相应的措施和管理 程序，国家桥梁检测标准于1 9 7 1 年4 月开始应用于公路管理工作，公路桥更 换和改造项目随后于1 9 7 8 年开始实施。2 0 世纪8 0 年代中期，美国国会通过了 汽油税新税制，美国联邦公路局以增加公路预算为契机，以州际高速公路( 包括 桥梁) 的翻修、改建为重点课题，着手研究制定了修理、修复、翻修、改建的 4 r 计划，旧桥改造水平明显提高。联邦公路局每年向国会提交年度报告时，旧 桥改造总是与公路路面状况一起，作为一个单独的主题来陈述u j 。自1 9 7 8 年至 1 9 8 1 年共用四年时间对全国公路桥梁作了调查。截至1 9 8 1 年的统计，美国全国 共有公路桥约5 6 6 0 0 0 座，调查报告中叙述了5 1 4 0 0 0 座桥的现状。这些桥梁中有 4 0 以上( 超过2 0 0 0 0 0 座) 都有不同程度的损坏；9 8 0 0 0 座桥梁结构强度降低， 应停止或只能限载通行；1 0 2 0 0 0 座桥梁车行道太窄、桥下净空不够或承载力不 足。由于桥梁的陈旧老化，弃养失修，塌桥事故不断发生，给美国经济发展和人 民生活带来了极其不良的影响【1 。尽管如此，1 9 8 9 年，旧金山高速公路分析美国 全国桥梁目录指出，美国每年平均有一百五十到二百座桥梁部分或者完全坍 塌，有时坍塌还造成严重事故。在2 0 0 3 年度美国联邦公路局呈交给国会的报告 表明，美国在2 0 0 2 年度需要改造的旧桥有1 7 0 0 5 0 座，占全国桥梁总数的2 9 ， 有关详细情况见表1 。美国联邦公路局2 0 0 3 年的预算为2 4 2 亿美元，其中8 0 ( 约2 0 0 亿美元) 用于维持和提高基础设施的服务水平。通过旧桥改造，改善了 老旧桥梁的服务水平，取得了显著的经济效益和社会效益，根据美国联邦公路局 的资料，新建项目的投资收益率与改造过程中，公路的管理水平和技术水平也得 到提高。而在实际的旧桥改造工程中，尽管美国是一个科技高度发达的国家，但 大量采用的是传统的技术和工艺。 大连理工大学工程硕士学位论文 表一【2 】【3 】 桥梁状况硼s联邦资助公路非联邦资助公路合计 数量 暑 数量 暑 数量 数量 结构缺陷 8 1 7 76 32 0 0 9 51 1 75 9 8 7 82 1 18 8 1 5 01 5 功能缺陷2 1 7 1 21 6 。72 4 6 2 71 4 33 5 5 6 11 2 。68 1 9 0 01 4 无缺陷 1 0 0 3 3 57 71 2 7 4 4 97 41 8 7 7 0 86 6 34 1 5 4 9 27 1 合计 1 3 0 2 2 41 0 01 7 2 1 7 l1 0 02 8 3 1 4 71 0 05 8 5 5 4 21 0 0 日本在7 0 、8 0 年代，由于汽车运输急剧发展，汽车日益大型化、重型化， 交通量逐年增加，给现有公路桥梁造成了越来越大的压力。1 9 5 6 年以前按旧标 准设计施工的桥梁，其承载力更感不足。据统计，这类桥梁约有5 5 0 0 座，其中 普通混凝土桥约有4 5 0 0 座。 联邦德国于1 9 7 8 。1 9 7 9 年两年内，对一个州内的1 5 0 0 多座钢筋混凝土和预 应力混凝土公路桥作了全面检查，发现桥龄在5 0 6 d 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 至少有一处重要损伤，7 7 至少 有一处中等损伤；3 0 一3 5 年桥龄的钢筋混凝土桥中，有1 3 的桥梁上部结构至少 有一处严重损伤，3 7 至少有一处重要损伤，5 3 至少有一处中等损伤；2 0 - 3 0 年桥龄的，有8 的上部结构至少有一处严重损伤，2 4 至少有一处重要损伤， 4 6 至少有一处中等程度损伤。“1 在印度，大约有1 0 的公路桥梁需要替换，另有1 0 的桥梁有损伤迹象； 在前南斯拉夫，大约有1 9 的桥梁的运营状况不良。嘲 英国运输部曾在1 9 9 0 年抽样调查过两百座混凝土公路桥。调查结果表明， 大约3 0 的桥梁运营条件不良，预计英国运输部拥有的约6 千座桥的1 0 年修复 费用为6 2 0 0 万英磅。 9 1 1 2 我国服役桥梁的现状 中国是世界上建筑桥梁较早的国家，地域广阔，地形复杂，历史悠久，因此 拥有桥梁数量极大。尽管我国在解放初期的公路交通极为落后，1 9 4 9 年全国公 路通车里程仅8 0 7 万公里。建国以后，公路交通经历一段时期的恢复后开始获 得长足发展，1 9 5 2 年公路里程达到1 2 6 7 万公里，1 9 5 9 年达到5 0 多万公里；6 0 年代，我国继续大力兴建公路，随着公路事业的发展，公路桥梁建设也得到发展， 建成了一批具有中国特色的石拱桥、双曲拱桥、钢筋混凝土拱桥以及各式钢筋混 凝土和预应力梁式桥。 改革开放后，国民经济持续高速发展，公路运输需求强劲增长，公路基础设 施建设开始发生了历史性转变，8 0 年代国家干线公路网和国道主干线系统规划 先后制定并实施，使公路建设有了明确的总体目标和阶段目标；公路建设在继续 扩大总体规模的同时，重点加强了质量水平的提高，高速公路及其他高等级公路 的迅速发展改变了我国公路事业的落后面貌。 大连理工大学工程硕士学位论文 从统计数字看，到1 9 9 9 年，全国公路里程达到1 3 5 万公里，公路密度达到 1 4 1 公里百平方公里，为1 9 7 8 年的1 5 倍。1 9 8 8 年，我国第一条高速公路沪 嘉高速公路( 1 8 5 公里) 建成通车。此后，又相继建成全长3 7 5 公里的沈太高速 公路和1 4 3 公里的京津塘高速公路。到1 9 9 9 年底，全国高速公路通车里程已达 1 1 6 0 5 公里。短短1 0 年间，我国高速公路就走过了发达国家高速公路一般需要 4 0 年完成的发展历程。 高等级公路的快速发展对公路桥梁、隧道建设提出了较高要求，推动了公路 桥梁、隧道数量的增加和技术水平的提高。我国先后在主要江河和一些海峡建设 了一批深水基础、大跨径、施工难度很高的桥梁，到1 9 9 9 年底，全国公路桥梁 已达到2 3 万座，总延长8 0 0 6 公里。“1 我国通车公路路网中，截至2 0 0 0 年底，现有各式各样的桥梁共有2 7 8 8 0 9 座， 总计长度为1 0 3 1 1 7 9 4 延米，其中9 8 7 6 的为永久性桥梁，0 6 7 为半永久性桥 梁，o 5 7 为临时性桥梁；在现有桥梁中，特大桥1 5 4 7 座、1 3 1 6 8 9 延米，大桥 座1 3 7 8 3 座、2 3 4 9 4 0 2 延米，小桥2 0 9 5 3 7 座、3 6 9 8 1 3 2 延米；其中中、小跨径桥 梁约占桥梁总数的9 4 5 3 ，而它们中间的大部分主要分布在技术标准低、通行 能力差的县乡公路上，设计荷载标准大多为汽1 3 、拖6 0 或汽1 5 、挂8 0 ，其中 还有相当一部分桥梁的荷载标准仅为汽1 0 、履带5 0 ，甚至低于汽车一1 0 级。由 于交通运输事业的发展，交通量与日俱增，车辆载重显著提高，加之人为或自然 等因素的影响，已使得这些桥梁处于一种带病、超负荷工作状态。根据1 9 8 2 年 全国公路普查资料，我国公路现有桥梁中危桥约占3 5 4 ；而国道干线上的危桥 约占2 4 。而截止到2 0 0 0 年底，据不完全统计，我国公路上现有危桥9 5 9 7 座， 达3 2 3 4 5 1 延米，而且随着时间的推移，桥梁老化、损伤的数量和程度都在增加。 桥梁承载能力低、通过能力差成为我国公路路网通行能力低的一个重要因素。如 何对桥梁实际状态快速作出判断评估，确切评定其承载能力，以便采用科学合理 的经济适用方法进行加固、加宽等的技术改造，改善其适应度，提高公路路网通 行能力，是我国公路管养部门今后相当长的一段时期内所面临的一大紧迫任务。 全国公路桥梁概况 薤桥粱 总数永久性危桥 份 座 米 座米座 米 1 9 9 01 6 8 5 4 35 0 5 5 6 1 31 6 2 5 2 44 9 5 0 1 9 84 0 4 61 1 4 7 7 0 1 9 9 11 7 3 0 8 35 2 2 5 6 9 91 6 7 2 6 05 1 2 3 0 6 54 1 9 61 3 1 5 6 2 1 9 9 21 7 7 2 3 95 3 8 0 5 6 51 7 1 5 8 25 2 8 1 0 8 74 q 2 51 2 9 4 2 3 1 9 9 31 8 4 2 1 55 6 1 7 8 2 11 7 8 6 9 85 5 2 1 7 9 54 0 0 71 3 2 4 0 3 1 9 9 41 8 9 5 9 65 8 8 9 4 7 41 8 4 0 6 15 7 9 4 3 4 64 1 4 01 3 9 6 2 3 1 9 9 51 9 6 4 1 66 2 7 8 8 9 51 9 0 9 6 16 1 8 4 8 6 14 1 8 91 4 2 4 6 7 1 9 9 62 0 2 3 7 l6 5 9 0 3 9 01 9 7 9 5 16 5 2 5 4 4 34 0 2 21 3 9 3 2 5 1 9 9 72 1 0 8 2 26 9 5 1 9 4 82 0 5 7 0 76 8 6 2 4 8 74 1 0 91 4 3 3 5 8 1 9 9 82 2 0 0 0 l7 4 5 3 5 3 22 1 5 0 0 57 3 6 6 4 8 43 7 9 71 3 4 5 8 2 1 9 9 92 3 0 7 7 88 0 0 5 6 6 12 2 5 4 9 97 9 1 0 6 9 84 4 5 l1 6 0 4 9 l 大连理工大学工程硕士学位论文 截止到2 0 0 1 年底北京市公路养护县级以上路线的桥梁总数为1 5 7 4 座，共计 6 0 5 5 3 4 6 延米；其中1 9 4 9 年前修建的有1 1 座，1 9 5 0 1 9 5 9 年修建的有4 8 座， 1 9 6 0 - 1 9 6 9 年修建的有2 7 2 座，1 9 7 0 1 9 7 9 年修建的有5 6 7 座，1 9 8 0 1 9 8 9 年修 建的有3 5 7 座，1 9 9 0 1 9 9 9 年修建的有3 0 1 座，2 0 0 0 年后修建的有1 8 座；桥梁 技术状况一类的有8 8 6 座，二类的有6 0 3 座，三类有7 4 座，四类的有1 1 座。【1 伽 至2 0 0 0 年底，江西省全省桥梁总计达8 5 2 2 座2 6 6 5 8 2 延米，特大桥2 1 座2 9 7 2 0 延米，大桥3 7 6 座6 4 2 1 3 延米，中桥1 5 7 4 座7 6 1 2 4 延米，小桥6 5 5 1 座9 6 5 2 5 米， 全省危桥共有3 5 7 座1 2 5 9 9 延米，分别占全省桥梁总数和总延米长度的4 1 9 和 4 7 4 ，其中：危桥国道为4 8 座4 1 8 0 延米、省道为6 3 座2 8 8 9 延米、县道为1 2 1 座3 6 1 4 延米、乡道为1 2 5 座1 9 1 6 延米。 1 1 1 经济发达的广东省虽然从9 0 年代开始，加快了桥梁建设及改造的步伐，但 目前在干线公路网上还有2 0 8 0 座( 约占2 0 ) 荷载标准在汽- 1 0 以下的低标准 桥梁，以及存在1 2 4 0 座( 约占1 1 ) 桥面宽度在6 米以下的窄桥；同时存在三、 四类桥梁1 1 0 0 座，约占桥梁总数的1 0 。6 0 年代以前修建的桥梁有1 2 6 1 座， 占总数的1 9 ；7 0 年代修建的桥梁有1 5 5 7 座，占总数的1 4 ；8 0 年代以前修 建的桥梁有1 7 8 0 座，占总数的1 7 ；9 0 年代以后修建的桥梁有5 4 8 8 座，占总 数的5 0 。从广东桥梁普查情况看，在现有的1 8 万多座桥梁中，桥梁设计标 准低、承载力不足的桥梁达4 2 4 4 座，而现状接近危桥的四级桥梁中，国道有6 座，省道有1 1 0 座，县乡公路则达347 座。“4 截至2 0 0 1 年底，辽宁省的危桥1 0 7 1 7 延米，占总长1 9 ，1 9 4 座，占总数 的1 1 。而目前，这个数值可能还要高。这就给我们提出了新的问题，如何快 速、准确判断桥梁所处的状态，为管理部门提供可靠的依据。 1 3 旧桥维修的重要意义 与人类的生老病死相似，桥梁也同样经历着风雨侵蚀，由新而旧，其承载能 力也在逐渐减弱。我国公路桥梁绝大部分为建国后所建，桥龄在2 0 - 3 0 年以上的 为数不少。在几十年漫长岁月中，桥梁结构物遭受风、雨、水流( 包括洪水、冰 凌) 等的浸袭，温度、湿度变化的影响，甚至遭到地震的破坏：遭受车辆的冲击 及机械轮胎的磨耗：在特定惰况下，还会出现基础下沉或其它破坏等，所以，桥 梁在使用过程中，发生病害或损伤在所难兔。 有关专家指出：当今世界上经济发达国家的建设大体上经历三个阶段，第一 阶段大规模新建，第二阶段新建与维修改造并重，第三阶段除部分新建外，重点 转向旧建筑物的维修改造，井使其现代化。七十至八十年代，世界各国均开始重 视这一转变。 随着我国国民经济的不断发展，交通运输量大幅度增长，公路交通在国民经 济中的作用和地位愈来愈显著地为人们所重视。 一一一一 一一一 一一一一 黼觥郸涨 。 搋赇计船 一一一一 一一一一 大连理工大学工程硕士学位论文 从统计数字看，到1 9 9 9 年，全国公路里程达到1 3 5 万公里，公路密度达到 1 4 1 公里百平方公里，为1 9 7 8 年的1 5 倍。1 9 8 8 年，我国第一条高速公路沪 嘉高速公路( 1 8 5 公里) 建成通车。此后，又相继建成全长3 7 5 公里的沈太高速 公路和1 4 3 公里的京津塘高速公路。到1 9 9 9 年底，全国高速公路通车里程已达 1 1 6 0 5 公里。短短1 0 年间，我国高速公路就走过了发达国家高速公路一般需要 4 0 年完成的发展历程。 高等级公路的快速发展对公路桥梁、隧道建设提出了较高要求，推动了公路 桥梁、隧道数量的增加和技术水平的提高。我国先后在主要江河和一些海峡建设 了一批深水基础、大跨径、施工难度很高的桥梁，到1 9 9 9 年底，全国公路桥梁 已达到2 3 万座，总延长8 0 0 6 公里。“1 我国通车公路路网中，截至2 0 0 0 年底，现有各式各样的桥梁共有2 7 8 8 0 9 座， 总计长度为1 0 3 1 1 7 9 4 延米，其中9 8 7 6 的为永久性桥梁，0 6 7 为半永久性桥 梁，o 5 7 为临时性桥梁；在现有桥梁中，特大桥1 5 4 7 座、1 3 1 6 8 9 延米，大桥 座1 3 7 8 3 座、2 3 4 9 4 0 2 延米，小桥2 0 9 5 3 7 座、3 6 9 8 1 3 2 延米；其中中、小跨径桥 梁约占桥梁总数的9 4 5 3 ，而它们中间的大部分主要分布在技术标准低、通行 能力差的县乡公路上，设计荷载标准大多为汽1 3 、拖6 0 或汽1 5 、挂8 0 ，其中 还有相当一部分桥梁的荷载标准仅为汽1 0 、履带5 0 ，甚至低于汽车一1 0 级。由 于交通运输事业的发展，交通量与日俱增，车辆载重显著提高，加之人为或自然 等因素的影响，已使得这些桥梁处于一种带病、超负荷工作状态。根据1 9 8 2 年 全国公路普查资料，我国公路现有桥梁中危桥约占3 5 4 ；而国道干线上的危桥 约占2 4 。而截止到2 0 0 0 年底，据不完全统计，我国公路上现有危桥9 5 9 7 座， 达3 2 3 4 5 1 延米，而且随着时间的推移，桥梁老化、损伤的数量和程度都在增加。 桥梁承载能力低、通过能力差成为我国公路路网通行能力低的一个重要因素。如 何对桥梁实际状态快速作出判断评估，确切评定其承载能力，以便采用科学合理 的经济适用方法进行加固、加宽等的技术改造，改善其适应度，提高公路路网通 行能力，是我国公路管养部门今后相当长的一段时期内所面临的一大紧迫任务。 全国公路桥梁概况 薤桥粱 总数永久性危桥 份 座 米 座米座 米 1 9 9 01 6 8 5 4 35 0 5 5 6 1 31 6 2 5 2 44 9 5 0 1 9 84 0 4 61 1 4 7 7 0 1 9 9 11 7 3 0 8 35 2 2 5 6 9 91 6 7 2 6 05 1 2 3 0 6 54 1 9 61 3 1 5 6 2 1 9 9 21 7 7 2 3 95 3 8 0 5 6 51 7 1 5 8 25 2 8 1 0 8 74 q 2 51 2 9 4 2 3 1 9 9 31 8 4 2 1 55 6 1 7 8 2 11 7 8 6 9 85 5 2 1 7 9 54 0 0 71 3 2 4 0 3 1 9 9 41 8 9 5 9 65 8 8 9 4 7 41 8 4 0 6 15 7 9 4 3 4 64 1 4 01 3 9 6 2 3 1 9 9 51 9 6 4 1 66 2 7 8 8 9 51 9 0 9 6 16 1 8 4 8 6 14 1 8 91 4 2 4 6 7 1 9 9 62 0 2 3 7 l6 5 9 0 3 9 01 9 7 9 5 16 5 2 5 4 4 34 0 2 21 3 9 3 2 5 1 9 9 72 1 0 8 2 26 9 5 1 9 4 82 0 5 7 0 76 8 6 2 4 8 74 1 0 91 4 3 3 5 8 1 9 9 82 2 0 0 0 l7 4 5 3 5 3 22 1 5 0 0 57 3 6 6 4 8 43 7 9 71 3 4 5 8 2 1 9 9 92 3 0 7 7 88 0 0 5 6 6 12 2 5 4 9 97 9 1 0 6 9 84 4 5 l1 6 0 4 9 l 大连理工大学工程硕士学位论文 截止到2 0 0 1 年底北京市公路养护县级以上路线的桥梁总数为1 5 7 4 座，共计 6 0 5 5 3 4 6 延米；其中1 9 4 9 年前修建的有1 1 座，1 9 5 0 1 9 5 9 年修建的有4 8 座， 1 9 6 0 - 1 9 6 9 年修建的有2 7 2 座，1 9 7 0 1 9 7 9 年修建的有5 6 7 座，1 9 8 0 1 9 8 9 年修 建的有3 5 7 座，1 9 9 0 1 9 9 9 年修建的有3 0 1 座，2 0 0 0 年后修建的有1 8 座；桥梁 技术状况一类的有8 8 6 座，二类的有6 0 3 座，三类有7 4 座，四类的有1 1 座。【1 伽 至2 0 0 0 年底，江西省全省桥梁总计达8 5 2 2 座2 6 6 5 8 2 延米，特大桥2 1 座2 9 7 2 0 延米，大桥3 7 6 座6 4 2 1 3 延米，中桥1 5 7 4 座7 6 1 2 4 延米，小桥6 5 5 1 座9 6 5 2 5 米， 全省危桥共有3 5 7 座1 2 5 9 9 延米，分别占全省桥梁总数和总延米长度的4 1 9 和 4 7 4 ，其中：危桥国道为4 8 座4 1 8 0 延米、省道为6 3 座2 8 8 9 延米、县道为1 2 1 座3 6 1 4 延米、乡道为1 2 5 座1 9 1 6 延米。 1 1 1 经济发达的广东省虽然从9 0 年代开始，加快了桥梁建设及改造的步伐，但 目前在干线公路网上还有2 0 8 0 座( 约占2 0 ) 荷载标准在汽- 1 0 以下的低标准 桥梁，以及存在1 2 4 0 座( 约占1 1 ) 桥面宽度在6 米以下的窄桥；同时存在三、 四类桥梁1 1 0 0 座，约占桥梁总数的1 0 。6 0 年代以前修建的桥梁有1 2 6 1 座， 占总数的1 9 ；7 0 年代修建的桥梁有1 5 5 7 座，占总数的1 4 ；8 0 年代以前修 建的桥梁有1 7 8 0 座，占总数的1 7 ；9 0 年代以后修建的桥梁有5 4 8 8 座，占总 数的5 0 。从广东桥梁普查情况看，在现有的1 8 万多座桥梁中，桥梁设计标 准低、承载力不足的桥梁达4 2 4 4 座，而现状接近危桥的四级桥梁中，国道有6 座，省道有1 1 0 座，县乡公路则达347 座。“4 截至2 0 0 1 年底，辽宁省的危桥1 0 7 1 7 延米，占总长1 9 ，1 9 4 座，占总数 的1 1 。而目前，这个数值可能还要高。这就给我们提出了新的问题，如何快 速、准确判断桥梁所处的状态，为管理部门提供可靠的依据。 1 3 旧桥维修的重要意义 与人类的生老病死相似，桥梁也同样经历着风雨侵蚀，由新而旧，其承载能 力也在逐渐减弱。我国公路桥梁绝大部分为建国后所建，桥龄在2 0 - 3 0 年以上的 为数不少。在几十年漫长岁月中，桥梁结构物遭受风、雨、水流( 包括洪水、冰 凌) 等的浸袭，温度、湿度变化的影响，甚至遭到地震的破坏：遭受车辆的冲击 及机械轮胎的磨耗：在特定惰况下，还会出现基础下沉或其它破坏等，所以，桥 梁在使用过程中，发生病害或损伤在所难兔。 有关专家指出：当今世界上经济发达国家的建设大体上经历三个阶段，第一 阶段大规模新建，第二阶段新建与维修改造并重，第三阶段除部分新建外，重点 转向旧建筑物的维修改造，井使其现代化。七十至八十年代，世界各国均开始重 视这一转变。 随着我国国民经济的不断发展，交通运输量大幅度增长，公路交通在国民经 济中的作用和地位愈来愈显著地为人们所重视。 一一一一 一一一 一一一一 黼觥郸涨 。 搋赇计船 一一一一 一一一一 大连理工大学工程硕士学位论文 车辆增长率在不断提高，各种重型车辆尤其是工程用重型运输车不断出现，己远 远超出了老规范甚至是8 5 年桥规的设计荷载，致使沿线道路及桥梁均遭到了不 同程度的破坏。 在我国现有桥梁中，除按1 9 7 2 年与1 9 8 2 年的设计标准的设计与建造的桥梁 基本能够满足近期要求外，在此之前，特别是5 0 年代后期及6 0 年代的一些桥梁 大都发生荷载吨位不足，特别是近十几年来，公路交通运输量不断增加，公路桥 梁负荷日趋加重，加之旧桥部分老化、破损，甚至发生干线公路桥梁重车无法通 过的情况。桥梁的超负荷运营对于其自身产生了严重的损伤，这对于交通安全造 成了极大的隐患。 为了确保公路交通正常运营，必须加强对公路桥梁的维修养护，为汽车运输 提供安全、舒适、快速的行车条件。而我国高等级公路里程不断增长其中很多 是利用原有线路进行改造，沿线众多旧桥己不能满足新的荷载等级的需要，迫切 需要对其进行技术改造。若将其拆除重建，不仅要耗费大量资金，而且工期也较 长。 据估计，目前美国旧桥改造需投资3 9 0 0 亿美元，如按每年3 2 0 亿美元计算， 也需十来年时间才能完成旧桥加固和改造的任务。其经验是旧桥加固或改造仅需 新建桥梁的1 0 左右的资金。国内旧桥加固或改造的经验也表明，在一般| 葡兄 下，桥梁的加固费用约为新建桥梁费用的i 0 2 0 ；双曲拱桥的加固改造费用 约为新建桥梁费用的2 0 4 0 ，且工期大为缩短；旧桥加固或改造措施都可以 在不中断桥上运输或通航的条件下设施因此，加速我国旧桥加固或改造技术的 研究，不仅能更好地、及时地为现代交通运输服务，而且可以为国家带来巨大的 经济和社会效益。 因此，有计划、有步骤地对现有桥梁加强进行调查研究，分析破损原因， 判断其结构的真实状态，从而采取相应的技术措施，就显得很有必要了。“”修 补之前，需要对既有桥梁的损伤进行科学诊断和可靠性判定，充分了解桥梁的实 际情况，为经济可靠地利用既有桥梁提供依据，避免桥梁突发性事故的发生。通 过对众多塌桥事件的考察发现，几乎所有塌桥事件都不是在静止状态下发生的， 而是在外荷载的激振下坍塌的，这些外荷载有风荷载、车辆、洪水、地震等构成 的，及时的监测维修是保证交通安全的重要措施。桥梁的坍塌只是桥梁损坏的极 端现象，而这些极端现象的出现都是桥梁逐步损伤和存在隐患所导致的，要避免 此类惰况的发生，必须防患于未然，及时对桥梁迸评定、评估、和维修加固，从 而可以获得较好的经济效益。 合理的办法应该是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。通常比较经济合理 的办法是挖掘现有桥梁的承载潜力，对不合格的桥梁采用加固维修使其承载能力 等级提高以满足现代交通的需求。因此，开展桥梁损伤检测方法研究具有重要的 实际意义，桥梁承载力的鉴定已成为亟待解决的重大问题。 1 4 国内外研究状况 桥梁是确保公路交通的咽喉，其承载能力和通行能力又是控制全线的关键。 因此，如何检验、评定旧桥承载能力，进行维修、加固、补强以提出提高桥梁承 大连理工太学工程硕士学位论文 载等级的有效方法等问题的研究、试验和实践推广，已引起了世界性的关注，并 且建立了国际性的专门机构从事研究。 桥梁承载力评估源于上个世纪中叶，有资料记载，上个世纪中叶，英国的一 些铁路桥梁因列车通过而倒塌，人们开始重视桥梁承载力的问题。1 8 4 4 年，法 国和英国对b r i t a n n i a 桥进行了模型试验，而后，于1 8 4 9 年起进行了系统的模 型试验和实桥测试，并开始从理论上研究桥梁的动载冲击问题。1 50 年来，人们 一直对桥梁动态和静态特性进行研究，以期对桥梁工作时的行为有一个全面地了 解和评估，确保桥梁的安全工作。 自上世纪8 0 年代起，在一些工业发达国家，桥梁工程的重点逐步转移到既 有桥梁的养护维修、鉴定评估的加固改造方面，并已取得长足发展。1 9 8 0 年， 英国工程师协会( i s e ) 发表了既有结构的评估“；1 9 8 1 年，由西方2 4 个 国家参加的“国际经济合作与开发组织”( 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 如何正确评价现有桥梁的实际承载能力与安全度的问题； 2 如何及早地检查发现桥梁产生的破损及异常现象，正确地鉴定结构物的 损坏程度，从而采用合理的维修加固方法间题； 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，即采用维修加固新的技术与方法问题； 5 桥梁设计与维修管理的关系，即如何把维修加固中发现的f 可题，放到今 后桥梁设计上进行考虑的问题； 6 桥梁维修加固的未来展望，即维修加固方法将来会怎样发展，如何提出 更合理的维修管理方法与策略的问题。 1 9 8 0 年在巴黎和布鲁塞尔、1 9 8 2 年在华盛顿先后都召开了关于旧桥问题的 国际专题讨论会议；1 9 9 0 、1 9 9 3 和1 9 9 6 ，在英国召开了三次国际桥梁管理会议。 1 9 8 2 年召开的“国际桥梁与结构会议”，1 9 8 3 年召开的“第十七界国际道 路会议”上，都有关于桥梁的安全性评价、检查与维修加固等方面的论文报告， 提出了“桥梁检查”、“桥梁承载能力的鉴定”、“桥梁养护”等多篇有价值的 论文报告。 由此可见，对旧桥、危桥的状态评估、加固维修，以及如何提高其承载力的 问题研究、试验与推广，己经引起了世界性的关注。很多资料还表明，当前有些 交通发达的国家，桥梁建设的重点已放到了旧桥的加固与改造方面，而新建桥梁 己降低为次要地位。 自上世纪七十年代以来，我国根据交通运输事业发展的需要，就开始了旧桥 加固或技术改造方面的试验研究工作，如广东、福建、江苏、云南、河南等省都 取得了旧桥加固或改造方面的经验，针对不同体系各种桥梁的病害，提出了承载 能力的分析方法及行之有效的加固措施。桥梁结构状态检测分为整体检测和局部 检测两种。整体检测试图从全局上把握整个结构的实际工作状态。局部检测是对 结构目标部位进行集中重点的检查，局部检测一般以无损检测技术为工具。局部 检测技术目前己经较为成熟，可较精确地对结构缺陷部位进行定位、探查、甚至 定量分析。常用的局部无损检测技术有：声发射法、超声法、射线法、涡流法、 大连理工大学工程硕士学位论文 光学诊断怯、磁粉法、泄漏法、红外诊断法、探地雷达法等。局部检测目的性极 强，检测结果具体、准确，多用在结构目标部位的常规检测，检测结果直接作为 结构维修加固的依据。其缺陷是工作繁琐，一般需在预知损伤部位与可安放较复 杂的测试设备的部位进行检测，无法对大型结构进行全面检查，只有在整体检测 方法确定目标部位以后使用较为合适。整体检测技术可连续或间隔地检查结构安 全状态，并可用来指导对损伤可疑部位进行评估，提高检测效率。 桥梁承载力的影响因素很多，主要有：桥梁原来的设计荷载等级、施工质量 以及桥梁结构完好状况、结构材料性能的好坏等。桥粱原设计荷载及施工资料， 一般可通过查阅有关技术档案得到，而对结构完好程度、材料老化程度和强度降 低程度的评价，由于还有其他许多直接或间接的因素影响桥梁的承载力，因此要 进行定量分析，但这是一个较困难的工作。现有桥梁承载力的确定，目前通常多 采用如下五种方法： 1 实物调查比较法：即利用实际交通情况来检定桥梁承载力的动态方法。 其具体做法是：对要检测的桥梁进行长期观测，根据桥梁通过的车辆荷载，测定 车辆通过时桥梁主要部位的挠度、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) 进行统计分析，从而 得出桥梁可以承受的荷载等级。这种方法主要是由公路管理部门实施的一种评估 方法，这需要在管理中长期对桥梁进行观测，积累大量的资料和数据。但此法调 查起来工作量较大，花费时间长，一般只适用于公路管理机构在长期的监测过程 中进行桥梁的评估，且其评估也仅是一种模糊的估计，与实际承载力有一定的出 入。 2 荷载实验法：以等于或稍大于实际需要的荷载值作为试验荷载，实测桥 梁各主要部位在荷载作用下的反映，如挠度、应变、应力、裂缝开展等效值；然 后通过分析比较，得出当挠度、应变、应力值及裂缝宽度值小于规范值时所对应 的荷载等级，该荷载等级就是桥梁可通过的安全承载力。目前国内外比较多的采 用这种方法，此法被认为是比较成熟的，且能够正确的反映桥梁的静态承载力。 静荷载试验法有几种情况，一是按照公路桥涵设计规范给定的标准荷载( 如 汽一2 0 或挂一i o o 等) 对实桥施加静载，测得挠度、裂缝、应变、横向分布系 数等，根据实测值换算的结构刚度值与理论值进行比较，符合要求则被认为结构 抗力能满足相应荷载效应的要求，结构处于安全工作状态；反之需要做加固或进 行必要的技术处理，这种方法多用于新桥验收使用，看其是否能满足设计荷载要 求，如能满足要求便认为此桥合格，至于它尚有多少潜力，这不是评估所关心的。 二是在不进行桥梁破坏的状态下，确定其最大的承载力；在第一种方法的基础上， 按结构外荷载与产生的挠度等响应呈线性关系的弹性工作原理，绘制荷载挠度 曲线等，从而外推算出该桥的承载力，这种承载力的准确性取决于外推曲线的正 确性，此种方法多用于在普通桥梁因特殊原因要过超载车辆时的评估，以确定能 否通过大型车辆。三是对一些废弃或即将拆除的旧桥进行试验，此种实验属于研 究性质的，它采取的方法是破坏性加载试验，通过逐级加载测试，直至破坏，从 而得到科学实验的数据，此种实验属破坏性的试验。静荷载实验法( 实载法) 能 够准确地评估出桥梁静态的承载能力，具有很强的实用性、可靠性，但它也存在 不足之处，静荷载试验时需要关闭交通，对于僻静道路上的桥梁尚且可行，但对 于于道上而且无其它道路可以绕行的桥梁，所产生的影响是非常大的；另一个不 大连理工大学工程硕士学位论文 足则是：桥梁是在动态条件下工作的，虽然在静态载荷下某些桥梁的承载力尚能 满足要求，但在动载下则可能不满足，甚至会出现严重的问题。 3 分析计算法：对要进行检测的桥梁结构进行检查( 搜集资料、结构检查 及基础的检验等) ，然后将检测所得的有关资料和检验测量结果，运用桥梁结构 计算理论及有关的经验系统进行分析，从而评定出桥梁承载能力的安全度。这种 从调查人手，利用计算理论及经验系数，分析计算出桥梁承载力的方法称为分析 计算法。分析计算法一般又分为经验系数计算和理论计算两种方怯。但分析计算 法实际上是按照公路桥涵设计规范进行验算，它所评估出的承载力实际是设 计能力，是从理论方面去考虑的，从方法上说是简便易行的，但它的不足之处是 偏于理论上的考虑，与实际的承载力仍然存在着差异，因此从使用角度上看，显 得有些不够经济。分析计算法的评估有两个标准：一是按桥梁承载能力极限状态 进行评估：桥梁结构部分或大范围( 整体地) 屈服、开裂、进入弹塑性状态，或 丧失稳定性、倾覆、滑动、乃至达到疲劳极限状态，称作桥梁承载力极限状态， 又称“破坏极限状态”。在此状态时的桥梁的结构能力( 即抵抗或承受外荷载效 应的能力) 称为桥梁结构极限承载力，即结构抗力效应值，它是以塑性理论为基 础的。它的评定标准是：荷载效应的不利组合值小于或等于结构抗力效应值。另 一种是按桥梁正常使用极限状态的定义进行的评估：桥梁结构在日常较大荷载作 用下，某些部分会出现开裂、屈服等非弹性状态，在观感上己有挠曲、变形或振 动加大等使人不放心，应对其监视或适当维修，此状态称作桥梁正常极限状态； 此时桥梁结构的绝大部分仍是处于弹性( 线性) 状态，又称为“工作极限状态” 或“营运极限状态”。它是以弹性理论或弹塑性理论为基础的，以结构正截面或 斜截面强度，或应力、挠度、裂缝宽度三个方面的限值控制的。 依据此方法，长安大学教授贺拴海提出钢筋混凝土梁式结构裂缝特征与损伤 评估方法试验研究，通过八片钢筋混凝土梁裂缝特征参数的试验分析研究，建立 了应用裂缝特征统计参数评估其结构性能的预测模型，通过在室内进行小梁的静 载破坏试验，观察纯弯段内梁的裂缝间距、裂缝宽度和裂缝高度变化，选择纯弯 段内的裂缝平均高度、裂缝总宽度及裂缝平均间距为裂缝特征统计参数，分析它 们与弯矩之间的关系，来反映出梁的相应的工作状况。 4 经验类比是根据相类似结构进行类比，尤其是对于工业化的桥梁生产， 它们的跨径及其它参数基本是一致的，在有些不具有实际测试条件的时候、或从 经济角度的方面考虑时可采用此方法，但该项方法多在新桥验收时使用。 5 动态法是以动态试验的结果作为依据进行评估的一种方法，它利用冲击 荷载包括车激及随机激振( 如风载、行驶过往的车辆等) 来测得振动数据，然后 经数据分析处理后，提取与桥梁承载力有关的特征参数来进行评估。快速富利叶 变换的出现及计算机技术推动了数字信号处理和模态分析技术的发展，这些技术 使得通过振动测试对结构系统进行评估成为可能。目前动态法尚处在发展阶段， 世界一些发达国家都在这方面进行探索，还没有统一标准。当桥梁存在损伤( 裂 纹) 时，其固有频率都会有所下降，但却很难给出定量的结果，只有在特定情况 下才会有一个定量的结果。其优点是评估的数据所处的条件与桥梁的工作条件相 近，但其方法的准确及原理还需进一步研究。传统的动力检测方法虽然具有操作 简单、快捷的优点，但它也存在很大的缺陷：l 、不能掌握结构的可靠程度，不 大连理工大学工程硕士学位论文 知道结构在异常条件下安全性有多大；2 、不能即时了解结构的实时工作状态， 如桥梁是否出现裂缝，裂缝发展程度如何等。 我国在桥梁动态法承载力评估方面尚处在起步阶段，在动态评估方面，湖南 大学、西安交通大学、西安公路研究所、成都城市建设科研院、重庆公路研究所 及交通部第二公路勘察设计研究院等都做了一定的工作，但仍属干初级阶段，尚 未有成熟的成果可用。目前国内虽然意识到动态评估的重要性，充分了解到动态 特性与承载力关系的相关性，但大多数仅限于测试一下桥梁的动态性能、固有频 率、阻尼参数，没有讨论动态特性与故障之间的联系。部分资料表明动态评估承 载力的几种可能的途径：频率一刚度挠度一承载力的关系；阻尼裂缝一应力 一承载力的关系；振动一结构体系一承载力的关系；振幅一动力影响一承载力的 关系。上述方法只是几种可能的途径，对于旧桥的承载能力评估而言，在某种意 义上说，只有动荷载作用下的评估才是可靠的，但是如何评估其承载能力，尚有 相当的问题需要解决，而且有较大的难度和深度，它不仅需要进行大量的桥梁测 试、分析，还要进行静、动对比试验，建立识别方法、依据或标准，工作周期长， 投资费用人，对实验设备、分析仪器及软件、技术水平要求比较高，这些给研究 工作带来了很大的困难。 桥梁承载力评估的方法多种多样，目前世界各国工程技术人员也都致力于这 方面的研究，他们采用的方法也各不相同，但归结起来是