中小跨度梁橋承載力評(píng)定基本理論簡(jiǎn)述

王樹(shù)蘭

0 引言

在實(shí)際道路交通網(wǎng)中，中小橋梁數(shù)量很多，分布又廣，且混凝土梁橋占較大比重。要在每座橋上像大跨橋那樣，安裝結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，至少在目前是不現(xiàn)實(shí)的。只能通過(guò)定期或不定期檢測(cè)評(píng)定方法，對(duì)中小橋梁的安全性能做出評(píng)定。

橋梁承載能力評(píng)估的工作內(nèi)容，一般可由橋梁檢查、橋梁檢算和橋梁試驗(yàn)三部分組成。

1 橋梁檢查

橋梁檢查是在管理部門經(jīng)常性檢查的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一項(xiàng)特殊性檢查，也是結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)工作的基礎(chǔ)。橋梁檢查是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有橋梁各部分的技術(shù)狀況的現(xiàn)場(chǎng)觀察與檢測(cè)，查明結(jié)構(gòu)缺陷、破損的現(xiàn)象和性質(zhì)以及產(chǎn)生的原因，嚴(yán)重程度與發(fā)展趨勢(shì)等，分析與評(píng)估既存的缺陷或破損對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力與正常使用可能產(chǎn)生的影響。橋梁各部分的技術(shù)狀況是由安全性，耐久性與適用性組成，這些性能與許多因素相關(guān)，如因設(shè)計(jì)、施工與使用過(guò)程中引起的缺陷，也可能由于人為的因素或自然災(zāi)害等引起的損傷等。只有對(duì)各種因素的影響進(jìn)行綜合分析，才能對(duì)橋梁技術(shù)狀況作出比較切合實(shí)際的評(píng)價(jià)。橋梁檢查的主要內(nèi)容為:橋面系——如橋面鋪裝、伸縮縫、排水管、緣石、人行道及欄桿等構(gòu)件的現(xiàn)狀;主梁、橫梁、支座與墩臺(tái)等構(gòu)件現(xiàn)狀;結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件強(qiáng)度的測(cè)試;主要受力構(gòu)件混凝土開(kāi)裂的檢測(cè)與描繪等。

1.1 橋面系

橋面系是橋梁結(jié)構(gòu)直接承受荷載的重要構(gòu)造，它的狀態(tài)對(duì)于橋梁的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和使用條件均有很大影響。因此，橋面系的各個(gè)組成部分應(yīng)經(jīng)常保持良好的技術(shù)狀況和具備正常工作的條件。橋面系的檢查一般包括以下內(nèi)容:

1)橋面鋪裝層。橋面鋪裝層是否平整，有無(wú)開(kāi)裂與破損現(xiàn)象，磨損程度。橋面橫坡和橋面凈寬是否與設(shè)計(jì)相符。2)人行道。人行道板是否開(kāi)裂或破損。欄桿柱與扶手是否順直、變形過(guò)大和斷裂等。3)排水管。排水管數(shù)量是否與設(shè)計(jì)相符，部件是否殘缺，排水通暢情況。4)伸縮縫。伸縮縫破損程度，是否影響主梁的正常伸縮。5)主梁。主梁是承受荷載的主要承重構(gòu)件，除了應(yīng)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性的根本要求外，同時(shí)還應(yīng)滿足剛度與耐久性的使用要求。主梁的檢查主要有以下幾個(gè)方面:a.主梁的各部分尺寸如梁高、肋寬、間距等是否與設(shè)計(jì)相符。b.主梁肋混凝土是否有裂縫，裂縫的寬度及開(kāi)展情況，用刻度放大鏡量出裂縫的寬度，畫出裂縫的開(kāi)裂情況圖。c.主梁混凝土表面是否存在蜂窩麻面或者剝落的情況。6)支座。支座是形成結(jié)構(gòu)計(jì)算圖示，適應(yīng)橋跨結(jié)構(gòu)自由變形，并將橋梁上部結(jié)構(gòu)的全部荷載傳至墩臺(tái)的裝置，是橋梁的重要組成部分。橋梁支座應(yīng)經(jīng)常保持清潔、潤(rùn)滑及良好的工作狀態(tài)。應(yīng)檢查支座鋼板是否被塵埃等物堆積掩蓋，鋼板是否銹蝕，滑動(dòng)支座是否能夠按設(shè)計(jì)要求滑動(dòng)。7)墩臺(tái)。墩臺(tái)是橋梁的主要承重構(gòu)件，是橋梁的重要組成部分，它承受著全部橋跨的重量和汽車、人群荷載。應(yīng)檢查蓋梁和墩臺(tái)表面有無(wú)開(kāi)裂和破損現(xiàn)象，以及是否變形或傾斜等情況。根據(jù)橋梁檢查結(jié)果進(jìn)行綜合分析，確定橋梁技術(shù)狀況所屬的類別與橋梁的使用條件。

1.2 主梁混凝土裂縫的分析和量測(cè)

1)混凝土裂縫的分類?；炷恋拈_(kāi)裂，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中一直是個(gè)具有普遍性的技術(shù)關(guān)鍵，研究結(jié)果表明，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用期間出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象是不可避免的。但是大量的工程實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)證明，結(jié)構(gòu)的破壞也正是從混凝土的開(kāi)裂及不斷擴(kuò)展、老化開(kāi)始的。橋梁結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)裂的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制復(fù)雜，涉及多種因素，如結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件、設(shè)計(jì)、構(gòu)造、材料、施工及使用維修等都可能影響到結(jié)構(gòu)混凝土的開(kāi)裂與分布。結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫按其產(chǎn)生原因分為正常裂縫和非正常裂縫。正常裂縫主要是由荷載的作用所引起的，出現(xiàn)在受拉區(qū)的裂縫寬度細(xì)小，分布比較均勻。正常裂縫一般不影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和降低結(jié)構(gòu)的承載能力，只使結(jié)構(gòu)的耐久性受到一定的影響。但這一類裂縫繼續(xù)開(kāi)展并達(dá)到一定寬度時(shí)，則會(huì)引起鋼筋的銹蝕、降低使用壽命;如果這種裂縫達(dá)到了規(guī)定的寬度限值，只要它是穩(wěn)定的，不繼續(xù)開(kāi)展，說(shuō)明結(jié)構(gòu)要采取措施加以保護(hù)，以免結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受有害介質(zhì)的侵蝕。非正常裂縫往往是由于混凝土硬化時(shí)的收縮，施工時(shí)拆模吊運(yùn)不當(dāng)或不合理的構(gòu)造與配筋等因素所造成。此類裂縫，只要采取適當(dāng)?shù)氖┕づc構(gòu)造措施，一般是可以避免的，例如注意拌合料的級(jí)配與養(yǎng)護(hù)，合理布置防裂鋼筋，掌握拆模調(diào)運(yùn)時(shí)間，加強(qiáng)預(yù)制場(chǎng)地基礎(chǔ)的夯實(shí)和支撐等。非正常裂縫大多為集中的寬大裂縫，并有繼續(xù)開(kāi)展老化的趨向，這種裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的正常工作與使用構(gòu)成危害。結(jié)構(gòu)混凝土在各種因素作用下，出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象雖不可避免，但為保證結(jié)構(gòu)的耐久性，滿足使用條件，應(yīng)嚴(yán)格限制混凝土裂縫寬度，我國(guó)各有關(guān)規(guī)范大都限定最大裂縫寬度不得超過(guò) 0.2mm。2)裂縫的量測(cè)。目前，最常用的發(fā)現(xiàn)裂縫的方式是在構(gòu)件表面刷一層石灰漿，然后借助放大鏡用肉眼查找裂縫，白色石灰漿涂層有利于襯托出試件表面的細(xì)微裂縫。通常需量測(cè)裂縫的寬度和深度。量測(cè)裂縫的寬度一般采用刻度放大鏡。較簡(jiǎn)便的方法是采用印有不同寬度線條的寬度板與裂縫對(duì)比確定裂縫寬度。有時(shí)也可用塞尺、長(zhǎng)標(biāo)距裂縫應(yīng)變片、千分表引伸儀確定裂縫寬度。裂縫深度一般取芯樣確定。對(duì)于淺裂縫和深裂縫可采用超聲法量測(cè)。3)主梁混凝土強(qiáng)度檢測(cè)。主梁混凝土強(qiáng)度主要采用回彈法檢測(cè)。

2 橋梁承載能力檢算

1)橋梁的檢算應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法進(jìn)行。2)橋梁的檢算荷載應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有橋梁所在線路的等級(jí)、交通發(fā)展等因素選擇，如需臨時(shí)通行超過(guò)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的超重車輛時(shí)，應(yīng)按超重車輛荷載進(jìn)行驗(yàn)算。3)永久荷載的計(jì)算以橋梁調(diào)查獲得的結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸或結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固后的實(shí)際重量計(jì)算。4)現(xiàn)有橋梁的結(jié)構(gòu)抗力，應(yīng)以結(jié)構(gòu)材料的實(shí)測(cè)強(qiáng)度，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》有關(guān)規(guī)定內(nèi)容和方法進(jìn)行計(jì)算。5)現(xiàn)有橋梁的檢算，應(yīng)根據(jù)橋梁的具體情況著重對(duì)結(jié)構(gòu)的主要控制斷面和結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行檢算。一般情況下，可只對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行檢算;但當(dāng)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂較嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)剛度明顯降低或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常變形等情況時(shí)，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的使用功能狀態(tài)進(jìn)行檢算。6)對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)的檢算，一般須進(jìn)行抗彎承載能力檢算;但當(dāng)梁端附近混凝土出現(xiàn)斜裂縫時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行抗剪承載能力檢算。檢算時(shí)，應(yīng)根據(jù)橋面鋪裝混凝土的完好程度及其與梁體的結(jié)合情況，確定橋面參與主梁共同工作的程度。7)對(duì)于拱橋主拱圈的檢算，應(yīng)根據(jù)拱上建筑的具體構(gòu)造、完好程度和檢算斷面的位置等條件進(jìn)行，并適當(dāng)考慮拱上建筑的聯(lián)合作用。8)對(duì)于結(jié)構(gòu)形式與跨度均相同的多孔橋梁，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)缺陷或病害較嚴(yán)重的橋孔進(jìn)行檢算，檢算的控制斷面應(yīng)選擇受力情況最不利或結(jié)構(gòu)斷面受到削弱的部位。9)當(dāng)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降、傾斜或滑移等異常情況時(shí)，除應(yīng)探明地基的實(shí)際情況外，還應(yīng)對(duì)墩臺(tái)等構(gòu)件的承載能力和地基的承載強(qiáng)度進(jìn)行檢算。進(jìn)行地基檢算時(shí)，可按有關(guān)規(guī)定對(duì)地基的承載強(qiáng)度予以適當(dāng)?shù)奶岣摺?/p>

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，數(shù)值分析方法得到廣泛應(yīng)用，也促進(jìn)了樁—土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究的發(fā)展。數(shù)值分析方法主要有:有限元法、邊界元法。

3 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)是按照預(yù)定的試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)方案，將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，觀測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫等參量試驗(yàn)項(xiàng)目，然后根據(jù)有關(guān)規(guī)范和規(guī)程的指標(biāo)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能及使用能力。

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有兩個(gè)方面:1)根據(jù)控制點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與相應(yīng)的理論計(jì)算值進(jìn)行比較，來(lái)說(shuō)明結(jié)構(gòu)所處的工作性能和安全儲(chǔ)備;2)將控制點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與規(guī)范的允許值進(jìn)行比較，從而說(shuō)明結(jié)構(gòu)所處的工作狀況。

4 動(dòng)載實(shí)驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)是利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)(加速度、動(dòng)撓度)等參量的試驗(yàn)項(xiàng)目。一般情況下，動(dòng)載試驗(yàn)多在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，也可根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際需要在室內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)載試驗(yàn)。

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)是在橋梁處于振動(dòng)狀態(tài)下，利用振動(dòng)儀器對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)各種振動(dòng)量進(jìn)行測(cè)定、記錄并加以分析的過(guò)程。因此，在進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)通過(guò)激振方法使橋處于一種特定的振動(dòng)狀態(tài)，以便進(jìn)行相應(yīng)項(xiàng)目的測(cè)試。其次，要合理選取測(cè)試儀器儀表組成振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一般由拾振部分、放大部分和分析部分組成，其原理如圖 1所示，這兩部分可以由專門儀器配套使用，也可以交換使用。因此，要根據(jù)試驗(yàn)的環(huán)境條件和試驗(yàn)的要求，選擇組配合理的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性如固有頻率、阻尼系數(shù)和振型等，它們只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，如結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布、支承情況和材料性質(zhì)等，而與荷載等其他條件無(wú)關(guān)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本特征，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析所必需的參數(shù)。在動(dòng)載試驗(yàn)中，可獲取大量橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的各種振動(dòng)量如位移、應(yīng)力、加速度等時(shí)間歷程曲線。由于實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)往往很復(fù)雜，一般都是隨機(jī)的，直接根據(jù)這樣的信號(hào)或數(shù)據(jù)來(lái)分析判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)的性質(zhì)和規(guī)律是很困難的，一般需要對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)波形進(jìn)行分析與處理，以便對(duì)結(jié)構(gòu)的性能做進(jìn)一步分析。常用的分析處理方法可以分為時(shí)域分析和頻域分析兩種。時(shí)域分析是直接對(duì)時(shí)程曲線進(jìn)行分析，可以得出諸如振幅、阻尼比、振型、沖擊系數(shù)等參數(shù);頻域分析是把時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅立葉變換的數(shù)學(xué)處理變換為頻域信號(hào)，揭示信號(hào)的頻率成分和振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特性。得出這些振動(dòng)參量后，就可以根據(jù)有關(guān)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁承載能力評(píng)定是一項(xiàng)復(fù)雜細(xì)致的工作，需要充分的準(zhǔn)備工作，詳盡的了解橋梁現(xiàn)有資料，認(rèn)真分析計(jì)算，從而為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供可靠的理論依據(jù)。

[1] 查品才.既有橋梁承載能力評(píng)價(jià)方法分析探討[J].山西建筑，2010，36(10):331-332.