既有钢筋混凝土简支梁桥的承载力评估

1、中国西部科技 年月（上旬）第卷第期 总 第期 既有钢筋混凝土简支梁桥的承载力评估 刘 鑫 （中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 ） 摘 要：随着公路线路的载重及运量不断增长、交通流量及荷载等级的不断提高，为了满足现有的交通需求，通常会采 取车道拓宽改建，提高桥梁的车辆荷载标准等措施，这就涉及到桥梁的承载能力问题。但早期修建的既有钢筋混凝土桥 梁结构由于各种原因存在承载能力不足的问题，为了保障公路畅通，对既有公路桥梁承载力的评估显得尤为重要。 关键词：桥梁结构；钢筋混凝土桥；承载力评估；荷载试验 引言 在英国，的桥梁修建于年以后，然而在不到 设计寿命的使用时间后，就发现大部分桥梁需要维修。

2、英国运输部曾在年抽样调查过座混凝土公路桥梁， 调查结果表明约的桥梁的运营条件不良 。在美国，美 国 联 邦 公 路 总 局 （ ） 统 计 目 前 桥 梁 总 数 为 ，座，超过的桥梁被认为是性能退化或承载能力 不足，其中将近的桥梁被划为不符合要求，。公路桥 梁方面，截至年底，公路桥梁座 ， 其 中 危 桥 座，大量既有桥梁的正常使用功能和安全性存在不同 程度隐患与缺陷 。同时调查资料表明 ：处于国、省主要 干道的既有桥梁，由于设计荷载标准低和构件承载力不 足，逐步成为阻碍公路交通发展的“瓶颈”。特别是大 型、重型车辆与日俱增，导致公路交通安全与畅通受到严 重影响。 对既有桥梁进行检测和评估，

3、真正了解桥梁的实际状 态，包括损伤状况、实际承载力和使用寿命等，可以使得 既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计 更加合理、经济，从而提高桥梁的承载能力和改善其使用 功能并保障结构的使用安全具有重要的社会意义、经济价 ， 构分析、工程经验判断和现行的设计规范相结合为基础， 结合实桥的无损检测和静载试验的结果进行评估，这易为 评估者所接受和理解。 （）动力评估方法。基于动力的桥梁承载力评估方法 的基本思想 为：结构的动态和静态特性均为结构工作性 能的表征，静态特性是动态特性一种特例，“静”包含在 “动”之中。由于现代科学技术的发展，计算机、高精度 的动态测试仪器、分析软件的普及和应用

4、，人们可以比较 精确地测试和分析结构的动态性能，进而来评估桥梁的承 载力。 进行实桥动载试验是动力评估方法之一，我国规范 对 动载试验未给明确的表达，但有这 样一段文字叙述：“动 载试验的主要目的是测试汽车荷载对桥梁的动力作用，因 此可采用接近于标准汽车荷载的汽车进行试验，仅仅采用 动力法鉴定桥梁承载能力目前还没有成熟的经验，因此本 方法中没有列入”。对此，本文对既有桥梁的动力评估进 行了探讨。 桥梁评估实例 桥梁概况 某桥始建于年，建成，由跨钢筋混凝土简 支梁和跨为钢桁梁共计跨简支梁组成。该桥下部结构共 有个桥台，个桥墩。 根据本桥设计资料，大桥钢筋混凝土简支梁设计荷载 为汽车级，验算荷载为

5、拖。由于大桥在修建时没有 采取抗震措施，年对大桥进行了抗震加固。在各墩台 上梁的内外侧设置混凝土挡块，在鱼腹式上承钢桁架梁之 间及钢桁架梁桥梁与相邻孔钢筋混凝土梁之间设置钢拉 杆。抗震设防烈度为度。 由于该桥设计标准较低，加上当时国家建筑材料极为 匮乏，钢材和水泥奇缺，许多材料和主要受力构件都是废 物利用，同时该桥又属于战备桥梁，工期要求较紧，边设 计边施工，没有进行严格的设计审查，因此该桥在建造时 就留下了极大的安全隐患。 值和广泛的应用前景。 评估方法 （）静力评估方法。我国规范 中对桥梁评定分为一 般评定和适应性评定两种方法，前者由负责定期检查者进 行，采用综合评定方法，考虑桥梁各部件权

6、重，对全桥总 体技术状况进行等级评定；后者则是委托有相应资质及能 力的单位进行，对试验结果判断的依据则是规范 。 现有桥梁设计规范是桥梁承载能力评估的基础，评估 工作在分析计算上和新桥设计是基本一致的。我国旧公路 钢筋混凝土及预应力混凝土桥的检算公式在设计规范公式 的基础上乘以小于的检算系数，其数值按桥梁实际状况 （混凝土质量、裂缝宽度、桥梁病害等）取；其余各符号 的含义及取值与设计规范一致。其思路是以设计过程的结 收稿日期： 修回日期： 作者简介：刘鑫，男，工程师，长期从事桥梁、路基等工程的设计、施工和管理工作。 08 开 发 应 用 各个测点的竖向位移进行了测试。限于篇幅，本文仅以第 十三

7、跨（钢筋混凝土简支梁）为例进行研究。 钢筋混凝土简支梁截面 梁和梁 的竖向位移和弯 矩的实测值、理论计算值如图所示。 结构应力 钢筋混凝土简支梁截面应力变化表所示。 有限元模型图 桥梁病害 经过三十多年的运营，该桥结构老化、破损现象日趋严 重，人行道板严重坠落，人行道栏杆破坏，桥面上各个梁连 接处已经断裂，伸缩缝破坏，路面出现明显的凹凸不平，车 辆通过时颠簸严重，对桥梁产生很大的冲击作用，桥上振感 明显。混凝土梁部分出现较多的结构性裂缝，跨中截面裂缝 已延伸到梁顶翼缘板部分，梁截面已基本没有受压区。钢桁 架梁部分锈蚀非常严重，整个梁锈斑痕痕，大部分构件锈痕 已穿过防锈底漆，深入到钢构件内部，联

8、结板和铆钉的锈蚀 也非常严重，从外观看，钢桁架梁已处于非常危险的状态。 桥梁基础冲刷严重，主河道桥墩和沉井基础迎水面部分混凝 土已被冲刷剥落，钢筋裸露。桥头引道也已严重破坏。近年 来，随着城市基础建设的发展，该桥车流量不断增加，所有 这些病害使该桥的承载能力降低，严重影响过往车辆的安全 通行以及过往行人的安全。 表 混凝土梁截面混凝土应力的实测值、计算值和 单位： （注：、分别为梁上、下翼缘应力 “”表示 拉应力，“”表示压应力。） 结构性能评定 （）根据静位移分析结果可以看出：该桥的竖向刚度 能够满足通过汽级荷载的要求，横向静刚度不足。 （）根据混凝土表面应力实测值可以看出，在各种工 况作用

9、下，和理论计算值相比，梁上、下翼缘应力基本上 未出现异常变化情况，实测值的变化趋势和理论分析结果 基本一致，最大拉应力和最大压应力没有超过规范的规定 的该混凝土等级的设计允许值，且各个测点的应力校验系 数 在较大应力处绝大部分都小于。 （）根据静力分析结果：该桥的静应力强度虽然满足 通过汽级荷载的要求，但刚度存在不足，必须对该桥进 行维修加固。 动力评估 根据车辆激振和脉动法测试和记录的响应信号，通过 传递函数、功率谱密度函数和频谱分析等数学分析，大桥 钢筋混凝土梁共测试跨，仅将跨的横向和竖向第一 阶振型所对应的自振频率（周期）的实测值、理论计算值 分别如表所示。 图 第十三跨 梁跨中弯矩与挠

10、度曲线 图 第十三跨 梁 跨 中 弯 矩 与 挠 度 曲 线 静力评估 结构位移 根据相关研究文献，本次静载试验只对该桥第十二 跨、第十三跨（钢筋混凝土简支梁）和第八跨（钢桁梁） 表 大桥各跨梁第一振型自振频率（周期）的实测值和理论计算值 （）由表可以看出：大桥混凝土梁结构的横向第一 阶自振频率（周期）的实测值皆普遍小于理论计算值，说 明混凝土梁的横向动力刚度不足；竖向第一阶自振频率 09 中国西部科技 年月（上旬）第卷第期 总 第期 基本表征，因此基于静力和基于动力的桥梁承载力评估方 法都是行之有效的方法。其中，静力评估方法比较直观、 成熟，但是需要中断交通、需要调集加载车辆、测点布设 比较

11、繁杂等，代价比较高。动力评估具有测试简便、不妨 碍交通、技术先进等优点，但需要比较复杂的理论分析与 计算，计算工作量比较大。对于既有桥梁由于许多不确定 因素的存在，建议联合利用静力评估和动力评估两种方 法，相互补充、相互校核。这样可以对既有桥梁的承载力 进行准确评估，以其为主管部门提供可靠的科学依据。 参考文献： ， ， （ ） ： （周期）的实测值皆普遍大于理论计算值，说明混凝土梁 的竖向动力刚度满足设计要求。 第一阶振型图 ， ： 万 臻斜拉桥结构可靠性评估及剩余寿命预测西南交通 大学博士学位论文， ，（） ，（）： 宗周红，任伟新，郑振飞既有桥梁承载能力评估方法地震 第一阶振型图 （）导

12、致以上结果的原因主要为：对钢筋混凝土梁， 横向联结较差，各片梁跨中截面结构性裂缝较大，影响了 结构的整体刚度；对钢桁架梁，铆届板锈蚀严重，削弱了 各个构件的联结，使结构的整体性较差。 综合以上分析可以得出如下结论：大桥混凝土简支梁 和钢桁架梁横向和竖向动力刚度不足，不能满足使用要 求，与静力分析结果一致。 结束语 我国现在面临许多既有桥梁的状态评估、维修、改造 与加固的巨大压力和挑战，而桥梁评估与桥梁设计有很大 的不同。由于结构的静态性能和动态性能都是结构性能的 工程与工程震动，（）： 王有志，孙大海，徐鸿儒钢筋混凝土简支板梁式桥病害调查分 析与评价华东公路，（）： 中 华 人 民 共 和 国

13、 交 通 部 公 路 桥 涵 养 护 规 范 北京：人民交通出版社， 中 华 人 民 共 和 国 交 通 部 公 路 旧 桥 承 载 能 力 鉴 定 方 法 （ 试 行）人民交通出版社， ， ， ，（）： ， ， ： ，（）： 本文对功能点分析方法的基本概念进行 了说明，详细介绍了功能点分析方法的实施方案和计算步 骤，提出了基于功能点分析方法的度量体系，可以帮助决 策者采取主动和量化的方式解决软件项目中固有的问题， 获得更精确的规模度量和更客观的评价，从而促进软件项 目成功。在今后的研究中，应把研究重点放在目前存在的 分析过程复杂和适用范围有限上面。相信随着功能点分析 方法的不断演化与发展，其实用领域一定会更加广泛，成 为未来最主要的软件规模度量方法