（道路与铁道工程专业论文）简支梁桥鉴定与数据自动化分析的研究.pdf

摘要 针对现有及新建桥梁需要快速、准确的评价其承载能力与技术状况这一急需解决的 问题，阐述桥梁承载能力评定的基本概念和主要内容，开发了桥梁检测数据自动化分析 系统，通过实例验证了此分析系统的准确性。利用实桥荷载试验的检测数据，结合桥梁 计算理论，能够及时、准确的为检测桥梁的加固与改造提供充分的技术依据和为新建桥 梁的竣工验收提供科学依据。 关键词：承载能力( 评寰厂横向分布 动态加载结构抗力 a b s t r a c t i no r d e rt oa s s e s st h ec a r r y i n g - c a p a c i t ya n dt e c h n i c a lc o n d i t i o no fe x i s t i n ga n dn e w b r i d g e sr a p i d l ya n da c c u r a t e l y , i te x p a t i a t e st h ef u n d a m e n t a lc o n c e p t sa n dm a i n c o n t e n t s t h e a s s e s s i n gs y s t e mf o rb r i d g ec h e c k d a t aa r ed e v e l o p e d t h ee x a m p l e st e s t i f i e dt h a tt h es y s t e mi s a c c u r a t ei tc a no f f e rt h eo l db d a g e sw h on e e dt 0b er e i n f o r c e da n dr e f o r m e ds u f f i c i e n t t e c h n i c a li n f o r m a t i o nt h r o u g ha c t u a lb r i d g ee x a m i n e t od a t aa n d b r i d g e st h e o r y k e yw o r d s ：l o a d - c a r r y i n ga b i l i t y ，a s s e s s m e n t ，l a t e r a ld i s t r i b u t i o n ，d y n a m i cl o a d i n g ， s t r u c t u r eo p p o s e e n e r g y 前言 随着国民经济的快速发展，交通运输出现了重载、高速、大流量的现代运输结构的 发展趋向，公路交通在此结构中发挥着重要作用。新路网的不断涌现，使陆路交通的咽 喉桥梁扮演蓍越来越重要的角色。因此，对现有桥梁和新建桥梁承载能力进行快速、 准确的评定，从而为旧桥的加固和改造提供准确的技术资料和为新建桥梁的竣工验收提 供技术依据，是非常必要的。本文借鉴以往的研究成果，结合生产实际对桥梁承载力的 评定和相关计算程序及软件的编制等问题进行了探讨和研究，编制了简支梁桥检测数据 自动化分析软件，以期达到实际生产应用的目的。 简支梁桥鉴定与数据分析自动化的研究 1 综述 1 1 问题的提出 随着中国经济的飞速发展，交通运输事业在国民经济中扮演的角色也越来越重要， 交通运输量的大副度提高，行车密度及车辆载重也越来越大，尤其是推行拖挂运输和集 装箱运输后，重型车辆日益增多。使现有公路桥梁中相当一部分( 特别是修建年代己久 的桥梁) 已满足不了使用上的要求。因此，对现有桥梁( 即旧桥) 的结构性能与使用质 量提出了更高的要求。 在国外，美国从1 9 7 8 年至1 9 8 1 年共用四年时间对全国公路桥梁中5 1 4 0 0 0 座作过实 地调查，其中4 0 以上的桥梁都有不同程度的损伤，9 8 0 0 0 座结构薄弱，必须关闭交通 或降低使用标准或立即进行整修；约1 0 2 0 0 0 座功能老化或桥面太窄或承载力太小。在公 路尤为发达的日本也约有5 5 0 0 座桥梁承载力不足，其中钢筋混凝土桥梁约有4 5 0 0 座。 同样，德国和英国等发达国家的公路运输中也有相当部分的桥梁存在着不同程度的病害。 众多资料表明，当前一些交通发达的国家，桥梁建设的重点已放在旧桥加固和改造方面， 而新建桥梁已降为次要地位。在国内，据1 9 8 2 年公路普查资料。我国公路现有桥梁中危 桥约占3 5 4 ，5 0 一6 0 年代修建的桥梁大都表现为承载力不足。在国道干线上，设计荷 载等级低于汽- 1 0 级标准的占5 4 在铁路桥梁方面，全国每年花费在日常维修、加固 和换梁等方面的资金也相当可观。 公路桥梁技术标准低通行能力差，使桥梁往往成为公路交通运输的“颈口”，为适 应交通运输不断发展的需要，保证现有和新建桥梁的安全使用，对于经过多年使用、有 病害与破损比较严重、对结构正常使用已构成有害影响或存在潜在危害的一些桥梁，必 须通过必要的结构检验和计算，综合评定其承载能力与技术状况确定现有桥梁的使用 条件和改造时应采取的技术措施，以提高桥梁的承载能力，延长使用寿命，充分发挥现 有桥梁的使用价值，从而能大幅度节省国家开支。 1 2 国内外研究现状 由于桥梁类型众多，影响因素庞杂、研究工作繁琐及部分桥梁缺乏资料，因而无 论是发达国家，还是发展中国家，桥梁承载力评定尚无统一方法，评定理论尚未系统化、 规范化在美国，桥粱承载力评定为重要研究课题，然而全国无统一的承载力判定方法， 仍由各州按其独自方法进行：在英国，目前还没有可供桥梁工程师们评定各种桥梁承载 力的规程和标准：在日本和我国桥梁承载力评定也正处在研究的初步阶段，主要是针对 座或一类桥梁的具体事例进行承载力的评定，没有形成评定理论的系统化、规范化。 所以，自8 0 年代起，在一些工业发达的国家。桥梁工程的重点已逐步转移到桥梁的养护 维修、鉴定评估和加固改造方面。1 9 9 0 年。英国工程师协会( i s e ) 发表了 既有结构 的评估 ：1 9 9 1 年，国际经济合作与发展组织( o e c d ) 召开了“关于道路桥梁维修管理 东北林业大学硕士学位论文 国际会议”，另外，在工程实践方面，美、英、加拿大等国家也在近几年颁布了基于结构 性理论和设计规范的桥梁评定规范或文件。 近年来，我国对于i ! e i 桥的利用和改造得到了极大的重视，并积极开展桥梁评定方面 的研究工作，逐步积累资料和经验；公路桥梁界颁布了基于设计规范的桥梁承载力鉴定 文件，并在现有桥梁的检算分析、检测技术、综合评价及其技术改造标准等方面进行了 大量的试验研究工作，取得了可供实用的结果。另外，各种现代化的检测设备与计算软 件的出现，大大提高了检测数据的真实性与准确性。缩短了先前桥梁数据的计算时间， 为桥梁维修加固或新建桥梁的施工提供了可靠的试验数据与理论计算结果。美国大地公 司研制的b d i 结构测试系统就是现在较为常用的半静态和低频率动力测试的结构测试系 统。 1 3 桥梁检测评价的目的与意义及本文目的和主要内容 针对我国实际的修建情况，桥梁检测目的与意义主要是为了现有桥梁的实际承载能 力评定，为桥梁的使用及维修加固提供必要的依据，建立和积累必要的技术资料，同时 也可检测桥梁结构的质量，确定工程的可靠度，推动和发展旧桥评定的设计计算理论。 首先，桥梁由于营运使用多年，主要部位出现缺陷，如裂缝、错位、沉降等，通过 检测，确定桥梁各部分损坏的程度及实际承载能力。原来按旧标准规定的荷载等级设计 建造的桥梁，现在由于交通量的不断增加，车辆载重量的不断加大，对桥梁通行能力和 承载能力的要求也愈来愈高，通过检测，可确定现有桥梁的荷载等级，从而决定是否需 要通过加固来提高其荷载等级。近年来，随着我国现代化工业建设的发展，特大型工业 设备，集装箱运输，逐渐频繁，超重车辆必须过桥的情况时有发生，通过检测，可确定 超重车辆是否能安全通过，并为l 艋时加固提供技术资料。此外，桥梁遭受特大灾害，如 因地震、洪水等而受到严重损害或在建造、使用过程中发生严重缺陷等( 如质量事故、 过度的变形和严重的裂缝以及意外的撞击受损断裂等) 。通过检测评定为桥梁的维修与加 固提供可靠依据 其次，现有桥梁资料不全，或缺乏资料，通过检测，建立和积累技术资料，为加强 科学管理和提高桥梁技术水平提供必要条件。系统地收集桥梁技术数据，建立桥梁数据 库- 作好桥梁计算机管理系统的基础工作，以便更好地养护管理好桥梁，并能指导今后 的桥梁养护、加固和维修工作 最后，对于一些重要的大桥或特大桥粱，在建成之后，通过检测，评定其设计和施 工质量，确定工程的可靠度对采用新型结构的桥梁通过检测可验证理论的实践性和 可靠度进一步发现问题，总结经验。以便对结构设计理论及结构型式加以改进，使其 更完善对经过维修和加固的桥梁进行竣工检测，可检验维修加固的质量，并验证加固 方法的合理性与可靠度通过检测，能够了解到桥梁的实际受力状态，判断结构的安全 承载能力和使用条件。 因此，本文的目的是快速准确的评定桥梁的承载能力和技术状况，为桥粱( 简支梁 桥) 的维修与加固以及管理提供可靠的技术资料而本文的内容主要阐述了桥粱承载力 2 简支梁桥鉴定与数据分析自动化的研究 评定的基本概念、主要内容和方法，根据我国现有的技术水平和桥梁状况，利用外观检 查、设计规范和荷载试验相结合的评定方法，对相关各部分内容进行了详尽的分析，并 在此基础上开发了简支粱桥检测数据自动化分析系统，而且通过实例验证了此系统的准 确性。 2 桥梁承载力评定 评定就是评价估计某一事物的价值或优劣。对于桥梁工程而言，桥梁评定就是评定 承载力，确定材料强度或对结构条件的分类。桥梁评定的内容包含在“可靠性”中。而 桥梁结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三个方面，三者相互关联且各有重点。 按照极限状态的观点，安全性评定指对结构的极限破坏状态的评定，即承载能力或强度 的评定，因其与人身安全和财产损失有关而成为桥梁评定的主要内容。适用性评定指对 结构的运营极限状态的评定，它对结构是否能正常使用提供依据。耐久性评定主要指对 材料强度和结构损伤的评定，其结果为安全性、适用性评定提供重要信息，对混凝土桥 梁，其耐久性是在设计规范中规定保护层厚度和限制裂缝宽度来保证的。承载力评定还 与结构或构件的极限强度、稳定性等有关 因此，桥梁承载能力评定的工作内容一般包括三部分：桥梁检查、桥梁检算和桥梁 试验。 2 1 桥梁检查 桥梁检查是在管理部门经常性检查的基础上进行的一项特殊性检查，也是结构检验 工作的基础。桥梁检查是通过对现有桥梁各部分的技术状况的现场观察与检测，查明结 构缺陷、破损的现象和性质以及产生的原因，严重程度与发展趋势等，分析与评定既有 的缺陷或破损对结构承载力与正常使用可能产生的影响。 桥粱各部分的技术状况是由安全性、适用性和耐久性组成的，这些性能与许多因素 相关，如因为设计、施工和使用过程中引起的缺陷，也可能由于人为的因素或自然灾害 等引起的损伤等。只有对各种因素的影响进行综合分析，才能对桥梁技术状况作出比较 切合实际的评定。 桥梁检查的主要内容为：桥面系( 例如桥面铺装、伸缩缝、排水管、人行道板、栏 杆及缘石等构件) 的现状，主梁、横隔梁、支座、墩台与盖梁等构件现状，结构主要受 力构件强度的测试，主要受力构件混凝土开裂的检测与描绘等。 2 1 1 桥梁现状 一桥面系 桥面系是桥梁结构直接承受荷载的重要构造。它的状态对于桥梁的运营质量和使用 条均有很大影响因此，桥面系的各个组成部分应经常保持良好的技术状况和具备正常 3 东北林业大学硕士学位论文 工作条件。桥面系的检查一般包括以下内容： 1 桥面铺装层检查 桥面铺装层主要检查桥面纵坡、路面平整度、磨耗及损坏情况。沥青混凝土桥面铺 装的缺陷及损伤有：裂缝、坑槽、车辙、拥包、磨光、起皮等；水泥混凝土桥面铺装的 主要缺陷有：裂缝、剥落、坑槽、磨光等。此外还有桥面横坡和桥面净宽是否与设计相 符。 2 伸缩缝检查 伸缩缝宽度是否合适，有无拉开、抵拢、沉渣填塞及过车有无振动现象；锚固件是 否损坏，接头是否平顺，其设施是否完善，能否满足使用要求；是否影响主梁的正常伸 缩。 3 排水设施检查 排水设施设置是否合适，设备是否完善，工作状况是否正常，如若不能保障排水畅 通，将会导致桥面积水和渗水，易引起交通事故和影响桥梁承重结构的耐久性。 4 人行道、栏杆检查 人行道板是否开裂或破损。栏杆柱与扶手是否顺直、变形过大和断裂等，能否满足 安全和景观的要求。 二主梁检查 主梁是承受荷载的主要承重构件，除了应满足强度、稳定性的根本要求外，同时还 应满足刚度与耐久性的使用要求。 主梁的检查主要有以下几个方面： 1 主梁的各个部分尺寸，如梁商、肋宽、间距等是否与设计相符。以及平、纵面 位置。 2 主梁混凝士是否有裂缝，裂缝的宽度及开展情况，用刻度放大镜量出裂缝的宽 度，画出裂缝的开裂情况图。 3 主梁混凝土表面是否存在蜂窝、麻面或者剥落情况。 三支座检查 支座是形成结构计算图示，适应桥跨结构自由变形，并将桥梁上部结构的全部荷载 传至墩台的装置，是桥梁的重要组成部分。桥梁支座应经常保持清洁、滑润及良好的工 作状态应检查支座钢板是否被尘埃等物堆积掩盖钢板是否锈蚀滑动支座是否能够 按设计要求滑动 四墩台及基础检查 检查墩台砌体有无风化、水蚀、剥落、破损及裂缝，对严重的裂缝，应测量其具体 位置及尺寸( 包括长度、宽度、深度、间距) ，并绘出裂缝图；墩台有无下沉、水平位移、 倾斜等情况- 对有下沉、位移、倾斜变位等情况的墩台，应采用物探、钻孔、开挖等方 简支梁桥鉴定与数据分析自动化的研究 法对地基基础进行探察，查清地基情况，并检查梁端、支座及墩台的相对位置关系；基 础埋置深度是否满足洪水冲刷要求，有无过度冲刷或基础冲空等现象；检查盖粱和墩台 表面有无开裂和破损现象，以及是否变形或倾斜等情况。 通过对桥梁结构的总体检查，可以使我们初步了解桥梁结构的现有状况，但仍需将 桥梁结构的缺陷、损伤、裂缝及变形综合起来分析寻找出各种原因，从而确定桥梁技 术状况所属的类别与桥梁的使用条件。 2 1 2 主梁混凝土的裂缝 一混凝土裂缝的分类 混凝土的开裂，在钢筋混凝土结构中一直是个具有普遍性的技术关键，研究结果表 明，钢筋混凝土结构在正常使用期间出现开裂现象是不可避免的。但是大量的工程实践 与经验证明，结构的破坏也正是从混凝土的开裂及不断扩展、老化开始的。 桥梁结构混凝土开裂的发生与发展机理复杂，涉及多种因素，如结构的环境条件， 设计构造，材料，施工及使用维修等都可能影响到结构混凝土的开裂与分布。 结构混凝土的裂缝按其产生原因分为正常裂缝和非正常裂缝。 正常裂缝主要是有荷载的作用所引起的，出现在受拉区的裂缝宽度细小，分布比较 均匀。正常裂缝一般不影响结构的强度和降低结构的承载能力，只使结构的耐久性受到 一定的影响。这一类裂缝的继续开展并达到一定宽度时，则会引起钢筋的锈蚀、降低使 用寿命，如果这种裂缝达到了规定的宽度限值，只要它是稳定的，不继续开展，说明结 构要采取措施加以保护。以免结构长期受到有害介质的侵蚀。 非正常裂缝往往是由于混凝土硬化时收缩，施工时拆模吊运不当或不合理的构造与 配筋等因素所造成的此类裂缝，只要采取适当的施工与构造措施，一般是可以避免的， 例如注意混凝土拌和料的级配与混凝土养护，合理布置防裂钢筋，掌握拆模吊运的时间， 加强预制场地基础的夯实和支撑等它大多为集中的宽大裂缝，并有继续开展老化的趋 向。这种裂缝对结构的正常工作与使用将构成危害 结构混凝土在各种因素作用下，出现开裂现象虽不可避免，但为保证结构的耐久性， 满足使用条件，基于调查结果，按裂缝产生的阶段、裂缝形态、设计资料、混凝土级配 及气候条件等要素，逐步地对可能引起结构裂缝的各种因素进行肯定与否定，对开裂原 因进行分析，找出各种分析中的共同原因。综合判断从而推断出开裂的最终原因。此 外，裂缝对结构的危害还主要表现在对结构物适用性的降低。适用性一般是对非承重结 构，主要包括防水、美观及气密性等 混凝土结构比较容易出现裂缝，在一定范围内，规范是准许结构带裂缝工作的。裂 缝对结构极限承载能力短期虽然无直接关系，但能预示结构承载力可能不足或存在严重 问题，可通过结构验算加以判断和排除，最终确定是否需要加固补强或立即加固补强。 一裂缝的量测 目前- 最常用的观测裂缝发展方式是在构件表面刷一层石灰浆，然后借助放大镜用 肉眼查找裂缝，白色石灰浆涂层有利与衬托出试件表面的细微裂缝通常需要测量裂缝 5 东北林业大学硕士学位论文 的宽度和深度。测量裂缝的宽度一般采用刻度放大镜。较简便的方法是采用印有不同宽 度线条的宽度板与裂缝对比确定裂缝宽度。有时也可以用塞尺、长标距裂缝应变片、千 分表引伸仪确定裂缝宽度。裂缝深度一般取芯确定。对于浅裂缝和深裂缝可采用超生法 量测。 2 1 3 混凝土强度检测 一般来讲，在以分析计算为主的评定方法中，因桥梁已经建成，从而要求材料强度 以实际量测结果为准，而不能直接引用设计图纸规定的标号。因此，混凝土强度检测在 我国范围内已经进行了回弹法、“超声一回弹”综合法、钻芯法、拔出法等无损与半破损 方法相结合的研究和应用。先后编制了无损检测的标准有以下几种：回弹法检测混凝土 抗压强度技术规程( j g j f f 2 3 - - 9 2 ) 、钻芯法检测混凝土强度技术规程( c e c s 0 3 8 8 ) 、 超声一回弹综合法检测混凝土强度技术规程( c e c s 0 2 ：8 8 ) 、超声法检测混凝土缺 陷技术规程( c e c s 2 1 ：9 0 ) 等。针对实际工程情况，选用不同的检测方法，从而达到 检测混凝土强度的目的。其检测工作的步骤按图2 - l 进行 匝困一匝困 回一回一回一固 圈2 - 1 混麓土銎度检测程序框图 翠守 堕塞墨堑竺塞兰墼塑坌堑! 一垫些生塑王一 2 1 4 桥梁技术状况的初步评定 根据桥梁细部检查的结果按交通部标准公路养护技术规范( j t j 0 7 3 - - 8 5 ) 的 有关规定，以上、下部承重构件为桥梁技术状况的主要评定指标，其中有一项不符合指 标者，按降一类处理的规定内容，结合桥梁其他部位的技术状况，按表2 1 综合评定桥 梁的技术状况为第几类桥梁，并确定对桥梁采取何种加固措施以改善桥梁的技术状况。 表2 - 1 桥粱技术状况评定标准( j t j 0 7 3 - - - 8 5 ) 一类 二类三类 四类 1 桥面平整完好l 桥面基本平整 l 桥面严重开裂，1 桥面严重破坏支离 完好。局部开部分损坏 破碎 裂 桥2 人行道完整清洁 2 人行道欠清2 人行道多处损坏 2 人行道及栏杆严重 面洁，个别杆件 歪斜、残缺、危及人 系3 伸缩缝完整芷常脱落 3 胂缩缝损伤较为身安全 3 伸缩缝基本完严重3 伸缩缝严重损坏，失 好 去作用 1 上部结构完好无 1 上部结构基本1 混凝土梁、拱有1 混凝土粱、拱有永久 渗水完好，仅表面剥落、露筋现象 性严重变形有纵向 上有部分缺陷裂缝，钢筋严重锈 部蚀裂缝超过04 t u r n 结2 裂缝宽度在容2 石拱圈局部变形2 石拱裂缝超过2 m m ， 构2 裂缝宽度在容许范许范围内3 裂缝宽度超出最 或发生开台现象 囝内大限值 1 墩台各部分完好l 墩台基本完1 垮台或基础1 墩台不稳定，有滑 好，仅表面有出现较大缺动、下沉、倾斜、冻 下局部缺陷陷害现象裂缝有开和 部2 浅基已作防护处2 浅基未作防护2 矫基出现局部冲现象，变形大于计算 结理效果矗好处理但冲刷刷。有危及基础值 构在容许范围内的可能2 桥基冲刷大于计算 值，并被严重冲空 东北林业大学硕士学位论文 淤 一类二类 三类四类 1 支座各部分清洁完1 支座尘埃堆 i 钢支座螺栓松动i 钢支座锚栓折断， 支好 积，略有锈蚀上、下钢板开裂 老化2 橡胶支座老化变2 橡胶支座老化开裂 座2 活动支座伸缩、转2 支座滑动面干 形3 混凝土支座开裂压 动正常 涩碎 4 活动支座坏死 使 用正常使用继续使用有限制使用，如限有限制使用或停止使 条载、限速等用 件 技 术 正常维修养护加强维修养护。可同过荷栽试验须通过荷载试验确定 措或小惨排除缺陷确定大、中修补及加固或改建技术方案 施加固技术方案 此外，对桥梁检查中的其他重点项目如主梁、伸缩缝、墩台和墩台基础应根据实际 情况对照表2 - 2 、2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 作好记录，从而给予桥梁技术状况的初步评定。 表2 - 2 主粱缺陷状况的检查( 参考) 评定标准 等级状态特征养护维修措施 l 主粱结构完好无损，钢筋混凝士竖向裂缝宽度 很好 o1 5 m m 预应力钢筋混凝土无竖向裂缝日常养护 主粱结构基本完好，混凝土表面出现局部剥落、露筋， 2 良好 但其面积勺，钢筋混凝竖向裂缝宽度 0 2 r a m 预应日常养护 力混凝土无竖向裂缝 局部修补 主集结构出现剥落、露筋，其总面积 l o ，钢筋混凝 3临界 土竖向裂缝宽i o 2 5 r a m 预应力混凝土竖向裂缝哪i m m 局部修复 简直粱桥跨中恒载挠度 02 5 r a m ，预应力混凝士竖向裂缝 0l n u n 。简直 整体加固或重新 粱娇跨中恒簸挠度 1 3 6 0 0 ，悬臂粱的恒载挠度 u 3 0 0建桥 8 简支梁桥鉴定与数据分析自动化的研究 表2 - 3 伸缩缝装置缺陷状况的检查( 参考) 评定标准 等级状态特征养护维修措施 l很好 基本无缺损现象日常养护 2良好 接头周围部分后铺筑料出现剥落、凸凹不平、渗水、硬日常养护 物卡死等，但程度较轻，或伸缩缝装置本身出现轻微缺损局部修补 接头周围部分后铺筑料出现较为严重的剥落、凸凹不 3 临界 平、渗水、硬物卡死等，或伸缩缝装置本身出现中等程度的局部修复 缺损 4差 部分伸缩缝本身出现严重缺损 更换部分伸缩缝 装置 5 全部更换伸缩缝 很差 大部分伸缩缝本身出现严重缺损 装置 寰善- 4 墩台缺陷状况的检查( 参考) 评定标准 等级状态 特征 养护维修措施 l 很好 墩台各部分完整无损 日常养护 2 良好 域台基本完好，表面出现轻微剥落、裂缝，但剥落日常养护 面积q 裂缝宽度在公路养护技术规范限值以内 局部修补 3 临界 墩台表面出现剥落、露筋其面积 l o ，裂 4 差 缝宽度超过公路养护技术规范 值较多，或出现较为 加固改造部分墩 严重的倾斜、水平位移和沉降 大部分斌台出现大面积剥落、露筋，钢筋锈蚀，裂 5 很差 缝宽度超过公路养护技术规范) 值鞍多或出现严重 加固或重新修建 的倾斜、水平位移和沉降 9 东北林业大学硕士学位论文 表2 - 5 墩台基础缺陷状况的检查( 参考) 评定标准 等级状态 特征养护维修措施 l很好基础完整无损，浅基础已作好防护处理效果良好日常养护 2良好基础基本完好，表面出现轻微剥落、松散但其面积日常养护 3 ，无冲刷现象局部修补 3 临界基础表面出现剥落、露筋、松散，但其面积 1 0 无局部修复 冲刷现象 4 差部分基础表面出现大面积剥落、露筋、松散或基地出现加固改造部分基 严重冲刷础 大部分基础出现大面积剥落、露筋、松散或基地出现严 5很差重冲刷 2 2 桥梁检算 桥梁检算是在桥梁检查基础上，密切结合桥梁实际状况按现行设计理论与计算方 法进行理论与实际相结合的分析方法。在本检测数据自动化分析系统检算过程中，适当 考虑实际技术状况对结构承载能力的影响，使捡算结构比较接近实际受力状态，从而为 桥梁承载能力进行综合评定提供理论依据 在本检测数据自动化分析系统中，作者结合了有关规范、设计文件、相关计算部分 的源程序与软件等参考书，编译成该检测数据自动化分析系统，下面就本系统中所使用 到的相关理论、计算方法和过程作简单的介绍，以便使用者能较快的应用与掌握该系统。 2 2 1 承载能力检算原则 影响桥梁承载力的因素是很多的，主要有：桥梁原有的设计荷载等级、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，所以桥粱承载力检算的一般原 则为： 一承载能力检算的一般原则： 1 桥梁的检算应按公路桥涵设计通用规范( j t j 0 2 3 - - 8 5 ) 规定的结构设计理论 l n 简支粱桥鉴定与数据分析自动化的研究 和计算方法进行。 2 桥梁的检算荷载应根据现有桥梁所在线路的等级、交通发展等因素选择，如需临 时通行超过设计荷载标准的超重车辆时，应按超重车辆荷载进行验算。 3 永久荷载的计算以桥梁调查获得的结构实际尺寸或者结构补强加固后的实际重 量计算。 4 现有桥梁的结构抗力，应以结构材料的实测强度，按公路桥涵设计通用规范 有关规定内容和方法进行计算。 5 现有桥梁的检算，应根据桥梁的具体情况着重对结构的主要控制断面和结构的薄 弱部位进行检算。一般情况下，可只对结构的承载能力进行检算，但当结构开裂较严重、 结构刚度明显降低或结构出现异常变形等情况时，还应对结构的使用功能状态进行检算。 6 对于桥梁上部结构的检算，一般须进行抗弯承载力检算，但当梁端附近混凝土出 现斜裂缝时，还应进行抗剪承载力的检算。检算时，应根据桥面铺装混凝土的完好程度 以及其与梁体的结合情况确定桥面参与主梁共同工作的程度 7 对于结构形式与跨度均相同的多孔桥梁应选择结构缺陷或病害较为严重的桥孔 进行检算，检算的断面应选择受力情况最不利或断面受到削弱的部位。 8 当墩台结构出现不均匀沉降、倾斜或滑移等异常情况时，除应探明地基的实际情 况外，还应对墩台等构件的承载能力和地基的承载强度进行检算。进行地基检算时，可 按有关规定对地基的承载强度予以适当的提高。 掌握了以上桥梁检算的一般原则，再结合桥梁检查的内容，就可以应用桥梁计算理 论对桥梁结构物进行桥梁检算。 二桥梁承载能力检算的基本公式 桥梁承载能力是按公路旧桥承载力鉴定办法，对结构承载能力极限状态进行检算 的，一般表达式为： 品( 。g ；_ q ) n 几( 舞；鲁) c 式中： s r 一荷载效应函数o g r | _ 永久荷载及其安全系数。 q 广可变荷载及其安全系数； 凡一结构抗力函数： y 广结构工作条件系数： l t c 、y 。一混凝土设计采用值及其安全系数； 艮、y l _ 嘲筋强度设计采用值及其安全系数 z l 一旧桥检算系数，见表2 - 6 。 东北林业大学硕士学位论文 表2 - 6 桥粱校验系数z 一值 z l 桥梁状况 桥梁备构件混凝土质量良好裂缝宽度未超过规范值桥梁未产生病 lo ll 害，桥梁各部分均能正常1 = 作。 桥梁构件混凝土质量较差，裂缝宽度超过规范值桥梁产生 o9 l0 一般病害，桥梁各部分基本能正常工作 桥梁各构件混凝土及钢筋产生严重质量问题，较多裂缝宽度超过规 09 以下 范值或裂缝仍在继续发展，桥粱产生严重病害带病工作 2 2 2 桥梁设计荷载 桥梁检算时一般按设计荷载进行检算。如遇到提高荷载等级或通过超重车梁时，则 应按要求的荷载进行检算。本系统是按如下公式编译与计算结构内力的。 一结构恒载内力 主梁恒载内力，包括主梁自重引起的主梁自重内力和二期恒载( 如桥面铺装、人行 道、栏杆、灯柱等) 引起的主梁后期恒载内力。 由于简直梁桥一般采用满堂支架现浇或整孔吊装施工方法，主梁自重作用于桥上 时，结构已是最终体系，因而主梁自重内力为s g l ；如果主粱为等截面。其自重集度舀 为沿跨长均布，可按均布荷载乘以主粱内力影响线总面积计算；如果主梁为变截面，自 重集度g ( x ) 沿跨长变化，则可按下式计算： s g l = ，l 甙x ) “x ) d x ( 2 _ 2 ) 式中：s 6 广一主粱自重内力( 弯矩或剪力) ： g ( x 卜一主梁自重集度； “x 卜相应的主粱内力影响线坐标。 二期恒载内力可简化为均布荷载平均分配到各个主梁上，集度为9 2 。这样，主梁全 部恒载集度g = g l4 - 9 2 ，恒载内力可按下式计算： s g = g 。q 式中：q 主粱内力影响线面积 ( 2 3 ) 二可变荷载内力 可变荷载为设计使用期内，其作用位置和大小、方向随时间变化，且其变化与平均 值相比不可忽略的荷载。按其对桥涵结构的影响程度，分为基本可变荷载( 又称活载) 笪塞墨堑竺塞皇塑塑坌塑皇垫j 生堂卫堕兰l 一 和其他可变荷载。 在桥梁设计中考虑的基本可变荷载有汽车、平板挂车和履带车的车辆荷载和人群荷 载。因此，按设计文件或检算要求选取，活载内力计算分为两步：第一步求某一主粱的 最不利荷载横向分布系数m ；第二步应用主梁内力影响线，将荷载乘以横向分布系数后， 在纵向按最不利位置的内力影响线上j n 载，求得主梁最大活载内力 1 荷载横向分布系数的计算 在荷载横向分布系数的计算中，常用的计算方法有杠杆法、偏压修正法、横向铰接 板( 梁) 法、横向刚接梁法和比拟正交异性板法( 又称e m 法) 等根据桥涵结构的 实际受力方式，按上述的某一种方法计算出某一片主梁的横向影响线，再根据规范有关 规定，按横向影响线以设计车道进行单位轴重动态加载，求出最不利横向位置和此时的 荷载横向分配系数。 2 活载内力的计算 公路桥梁所要承担的活载是各式各样的，荷载的形式、类别、量级、位置等也均是 任意复杂的。为了便于分析问题。公路桥涵设计通用规范中列有基本可变荷载：汽车 一1 0 级、汽车m 1 5 级、汽车2 0 级、汽车一超2 0 级等四个等级以及人群荷载、履带一 5 0 、挂车8 0 、挂车一1 0 0 、挂车- - 1 2 0 。其轴压间距、车距、偏载位置及作用力的大小 均已知利用上面己得出了横向分布影响线，根据规范在纵向加载的规定，进行纵向的 动态加载，从而求出活载的内力。由于简直梁纵向影响线相对简单，最不利荷载位置容 易确定，因此，本系统中直接给出了规范规定的标准车辆在纵向的最不利加载程序。此 外，系统还增加了实际测试车辆的总、横向动态加载的计算。 活载内力的计算公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 及示意图2 2 、2 3 ： 汽车活载：s n = 【1 + u ) m i p i y l 挂车活载：s | = m ip i y l 人群活载：s ，= l t l rq r o 式中：s i 一主粱汽车活载内力( 弯矩或剪力) s | _ 一主梁挂车活载内力( 弯矩或剪力) ： ( 1 + u 卜汽车荷载的冲击系数按表2 - 7 选取：人群活载不计冲击影响； 衰 7 钢筋混凝土、混凝土和石砌桥涵的冲击系教 ( 2 4 ) ( 2 _ 5 ) ( h ) 结构种类跨径或荷载长度( 米)冲击系数( 1 + ) l 粱 l 51 3 0 l 4 5i0 0 注：冲击系数( 1 + u ) 是随着跨径或荷载长度l 的增大而减小的当l 在表列数值之问时，可以用直 线内插法求得 1 3 查苎苎些查兰堡主堂焦丝苎一 l 一汽车荷载的折减系数，规范规定对三车道桥涵按三列车道设计时，汽车荷 载可折减2 0 ；对四车道桥涵按四列车道设计时，汽车荷载可折减3 0 ，但折减后的 结果都不得小于用两车列设计计算的结果：人群荷载不予折减； m ，一荷载横向分布系数，计算主梁弯矩时可用跨中荷载横向分布系数代替全跨 各个点上的，在计算主梁剪力时，应考虑在跨内的变化； p 一汽车的轴熏； y 一主梁内力影响线的纵坐标； s 一主粱人群活载内力( 弯矩或剪力) ； m ，一人群苟载横向分布系数； q r _ 人群荷载集度； q 一主粱内力影响线面积。 l 。：。山一一 g 或q r 圈2 _ 2 荷麓纵向加载 i 圈2 - - 3 人群荷载或恒载纵向加蕊 3 荷载效应 ( 1 ) 恒载效应 s 1 2 h s o ( 2 ) 活载效应 s p 2r q ( s q + s r ) 式中：s e _ 主梁恒载效应( 弯矩或剪力) ； s p 一主梁活载效应( 弯矩或剪力) ： 曙、珥恒载和活载的荷载系数。 1 4 ( 2 _ 7 ) ( 2 8 ) 简支粱桥鉴定与数据分析自动化的研究 2 2 3 主梁抗力 根据公路桥涵设计通用规范规定，按承载能力的极限状态计算分析结构可能提 供的最大抗力值，即结构所能承受的极限承载能力。桥梁结构的承载能力极限状态是结 构将破坏的一种临界状态，在桥梁的正常使用中不准许出现这种状态，承载能力极限状 态的主要控制标准是结构构件所能达到的最大承载能力，即结构的抗力值。计算结构抗 力值时，主梁混凝土和受拉钢筋强度按设计进行计算，结构按实际尺寸进行检算。应用 钢筋混凝土结构设计计算原理当主梁为t 形截面时，跨中正截面抗力计算公式为： 当r b x r | a g 时为第一种类型的t 型截面，按公式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 计算： 11 二心岛x = 二心4 ( 2 9 ) ”i y j r o b l x ( h o 一 ( 2 1 0 ) 式中：y 。、y 广分别为混凝土和钢筋的除了安全系数； 凡、k 一分别为混凝土的抗压设计强度和钢筋的抗拉设计强度； a 点力钢筋的总面积； x 一混凝士受压区高度： m _ 湎抗力式中其余符号为结构尺寸见图2 4 和2 - _ 5 。 当r b ix r l a l 时为第二种类型的t 型截面。按公式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 计算 去心( 6 j 一6 ) 曩+ 1 以r o b x = 去4 ( 2 一1 1 ) 屿2 去删一6 ) h i ( h o 一争去& b x ( h o 一争c 一， 式中符号同前 i 嘭彩缓缓彩缓黝rl = = r rr 叶 h h 田2 第一种类跫t 型t 面结构抗力计算示童圈 1 5 东北林业大学硕士学位论文 b 圈2 - - - $ 第二种类型t 型截面结构抗力计算示意图 ) h i yc 当主梁截面为空心板或箱形截面时，可先换算成工字型截面。在按t 型截面公式计 算。对于空心板截面，首先将截面挖空，按面积相等和惯性矩相等的条件近l 以地换算为 矩形孔，然后再转换成工字型截面；对于箱形截面，只需把两腹板和并成肋板形成工字 型截面，即可按t 型截面计算公式计算主梁抗力。 2 2 4 承载能力鉴定系数 一桥梁结构的使用承载能力 桥梁结构的使用承载能力( 跨中弯矩) m 。】是在结构抗力值m j 中减掉所有不 变荷载效应r i m 。所余部分即为专供可变荷载使用的抗力值，即 【m q 】2 m j r | m g( 2 一1 3 ) 式中：【m 。】使用承载能力； m 广- 桥梁结构抗力值； r ，荷载系数( 恒载) ； m r 呕载效应。 显然，所有活载效应的组合值必须小于或等于使用承载能力，如同所有荷载效应的 组合值必须小于或等于结构的抗力值一样，这是一个严格的界限，也是承载能力极限状 态的另一种表达方式。 二论承载能力鉴定系数 现有桥梁的承载能力应以承载能力鉴定系数k 进行评价。承载能力鉴定系 数k 的数值表示为结构构件可能提供的使用承载能力的检算值对检算车辆荷载效应与其 它荷载效应总和的倍数。用结构构件可能提供的使用承载能力的检算值除以根据规范计 算出的荷载效应得出倍数为理论承载能力鉴定系数l ( d ，而用结构构件可能提供的使用承 载能力的检算值除以根据实际量测( 荷载试验) 数据而推算出的荷载效应得出的倍数为 1 6 强 瑁一 一 亍 笪查墨堡鳖塞兰墼塑坌堑叟垫些塑竺茎 实际承载能力鉴定系数k 。 z l m i s g s p ( 2 一1 4 ) 式中：l ( d 一理论承载能力鉴定系数； z r 一旧桥检算系数，取值见表2 七： s 。一主梁恒载效应( 弯矩或剪力且s 。中含荷载组合系数、组合提高系数) ： s ，一主梁活载效应( 弯矩或剪力且s 。中含荷载组合系数、冲击系数、组合提高系 数) 。 当k d 1 时，表示结构构件的承载能力符合检算荷载的使用要求；当i ( d l 时，表示结构 构件的承载能力不足检算荷载的要求 2 2 5 结构刚度 桥梁结构的刚度常以跨中断面的相对挠度衡量，主梁跨中挠度是结构的各构件在荷 载作用下变形的综合反映，是评价结构构件抵抗变形能力大小的重要指标。 在汽车荷载作用下，不计冲击作用的简支梁桥的主梁跨中最大挠度值应小于规范中 规定的l 6 0 0 ，各主梁跨中挠度按下式计算： y d = 瓦m 面p , , a u ( 2 _ 1 5 ) 式中：y d 一主梁跨中挠度； m r 前载横向分布系数： p 矾- 换算集中荷载： l 主梁计算跨径； e 主粱混凝土弹性模量； i 。一- 对于钢筋混凝土筒支梁，取开裂截蔼换算惯矩，对于预应力钢筋混凝土粱， 取换算截面惯矩 如果计算结果满足y l 小于规范的容许值，则表明桥梁结构的刚度满足检算荷载 的使用要求，否则不满足使用荷载的要求。 2 3 桥梁试验 桥梁试验是继桥梁检查与桥梁拴算之后，对现有桥梁进行，模拟加载，通过检测， 了解和掌握结构在荷载作用下的实际工作状态与性能的一项科学实验为现有桥梁的评 定提供依据。一般在下列情况下考虑进行荷载试验： 1 桥梁的施工质量合格，使用状况良好，检算主要指标虽不符合要求但超过幅 度较小( 3 0 以内) 可能还有提高荷载等级的承载潜力。 2 桥梁的施工质量很差可能存在隐患仅调查、检算难以确定桥梁承载能力。 1 7 东北林业大学硕士学位论文 1 桥梁在意运中损坏较严重。可能影响桥梁承载能力。 2 桥梁缺乏设计、施工资料或桥跨结构受力不明确，不便准确进行桥梁承载能力 检算。 3 旧桥加固增强效果的检验。 4 为了科研或积累资料需要时进行试验。 桥梁试验按试验荷载的性质分为静荷载试验和动荷载试验。静载试验是将试验荷载 静止地作用于试验桥梁的预定位置，使结构处于特定的受力状态下进行工作，静载试验 可设置较多的试验项目和观测内容，能够比较全面的分析结构的工作状态和结构性能， 同时进步分析结构的实际承载能力。动载试验是利用动荷载的作用( 如跑车、跳车、 刹车等) ，是结构产生一定形式的振动，通过动态测试系统测取有关振动参数对结构的动 力特性和动力响应进行实验分析。 2 3 1 静载试验 一试验计划 桥梁的荷载试验是一项复杂而又细致的工作，应在桥梁调查和捡算的基础上确定试 验项目，仔细地考虑试验的全过程预计可能出现的问题及其处理方法，制定切实可行 的试验计划，保证试验工作的顺利进行。 荷载试验要弥补桥梁调查和检算中的不足，使桥梁承载能力鉴定工作进一步深化。 试验计划的主要内容包括： 1 试验目的。 2 准备工作。 3 加载方案与实施。 4 测点设置与观测。 5 加载控制与安全措施 二试验内容及准备 1 静载试验内容 简支梁桥上部结构静载试验的主要内容： ( 1 ) 主粱跨中断面上、下边缘混凝土最大应力( 应变) 和主粱下缘主钢筋最大 应力( 应变) ，混凝土应力沿主粱高度的分布规律： ( 2 ) 主梁跨中断面的挠度： ( 3 ) 裂缝的出现和扩展包括初始裂缝的长度、宽度、位置、方向和形状，以及 卸载后的闭合情况： ( 4 ) 荷载的横向分布规律； ( s ) 梁端剪力。 2 试验准备 在正式加载试验前应认真做好试验的前期准备和现场各项准备工作以保证荷载试 1 8 简支粱桥鉴定与数据分析自动化的研究 验工作的顺利进行。试验准备工作一般包括下列内容： ( 1 ) 通过观测与比较，选择主粱开裂较严重或技术状况较差的一孔或几孔作为试 验孔； ( 2 ) 搭设工作脚手架及仪表支架； ( 3 ) 测点放样几测点表面处理； ( 4 ) 测试仪器和仪表的组配和标定； ( 5 ) 加载车辆或设备、装置的选择和准备 ( 6 ) 测定值的估算： ( 7 ) 试验组织及试验人员的分工。 三试验荷载、程序和规则 i 试验荷载的选择 试验荷载应根据荷载试验目的、试验项目、现有桥梁的实际状况及试验场所能提供 的设备条件等因素进行选择。一般采用载重汽车荷载，对于裸梁试验，可选择水泥袋等 重物模拟均布荷载进行加载，并考虑其在控制断面上产生的效应与设计荷载相同或尽量 相近。 2 试验程序 为了消除温度对测量结果的影响，提高测试精度，同时为了尽可能减小中断交通带 来的不便，荷载试验通常在夜间进行。在夜间进行加载试验时，测试人员应统筹分配好 工作，因为试验荷载的加载一般按分级加载方式进行，加载级数般分为四级，或按结 构的技术状况和加载的设备能力等因素确定。每次加载时均应准确就位，卸载时应卸至 结构影响区域以外。每次加卸载的持续时间，取决于结构构件变形稳定所需的时间，要 求前一级荷载内结构变形相对稳定后，方可进行下一级荷载的加载。所以，测试人员一 部分在桥面上作步载放线，另一部分将各种仪器调平或读初读数。 3 试验规则 ( 1 ) 静力荷载持续时间 每次加、卸载的持续时间取决于结构最大变位测点达到稳定标准所需要的时间。实 际观测时。对于跨中截面，可另加边梁钢筋应变的稳定作为控制指标，实行“双控”，以 确保测试结果的可靠性和测试过程的安全性。对于支点剪力试验和桥墩沉降试验，则以 变位控制。 ( z ) 终止加载的控制条件 制测点应力值已达到或超过用弹性理论规范计算的控制应力值时： 控制测点的最大变位挠度超过规范的容许值； 由于加载，使结构裂缝的长度、宽度急剧增加，新裂缝大量出现，裂缝宽度超过 准许值的裂缝大量增多对结构使用寿命造成大的影响时。 四试验结果整理 9 东北林业大学硕士学位论文 1 静荷载试验效率 静荷载试验效率的规定兼顾考虑了两方面的因素：试验的安全性和试验结果的真实 性。 ( 1 ) 试验荷载与设计荷载的比较 试验荷载与设计荷载具有直接的可比性，对于具有多个集中荷载的汽车车队，汽车 荷载需进行如下换算： 当简直梁桥桥跨上作用n 个集中荷载p i 庐1 , 2 ，n ) 时，根据挠度等效原则并假 定简直梁的挠曲线为正弦半波曲线如图2 _ _ 6 ，按虚功原理，可将作用与桥跨的各个集 中荷载p i 换算为作用与跨中断面的等效集中荷载p 0 ，起计算公式为： 只= 杰# s i n 孚 ( 2 1 6 ) ，_ l 厶 式中：p ，一等效集中荷载。 p r 一车辆轴重； 。广各轴距所在一边距支点的距