橋梁結構安全性評估與臨時加固設計方法研究

王海華 郭龍 王龍林 蔣國富

摘 要：以工程結構可靠性為核心，介紹了國內外超重荷載橋梁的安全性評估研究動態(tài)，并對其主要的安全性評估模型進行介紹，以14臺電力機械設備的運輸過程所經過的沿線5座橋梁為例，對該橋梁的受力特點進行分析，并對其安全性進行合理評估，在此基礎上提出相應的橋梁臨時加固方法，從而提高超重荷載下橋梁的自身安全性能，確保大型機械設備的行駛通暢。

關鍵詞：超重荷載;橋梁結構;安全性評估;臨時加固設計

中圖分類號：U445.7+2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0193-04

Study on Safety Evaluation and Temporary Reinforcement Design Method of Bridge Structure

Wang Haihua1， Guo Long2， Wang Longlin1， Jiang Guofu1

（1. Guangxi Transportation Science and Technolongy Group Co.， Ltd.， Nanning 530007， China; 2. Test and Inspection Center of Hebei Provincial Communications Planning and Design Institute， Shijiazhuang 050091， China）

Abstract：Taking the reliability of engineering structure as the core， this paper introduces the research trends of safety assessment of over loaded bridges at home and abroad， and introduces the main safety assessment models. Taking 5 bridges along the line that 14 electric mechanical equipment pass through in the transportation process as an example， it analyzes the stress characteristics of the bridge， and makes a reasonable assessment of its safety. On this basis， the corresponding temporary reinforcement method of the bridge is proposed， so as to improve the safety performance of the bridge under the overweight load and ensure the smooth driving of the large mechanical equipment.

Key words：overweight load;bridge structure;safety assessment;temporary reinforcement design

橋梁作為道路的交通樞紐，對于社會的溝通、經濟的發(fā)展具有重大作用。至2017年底，我國現(xiàn)有橋梁80余萬座，累計長52256km[1]。

目前我國的汽車保有量日趨增多，至2011年底，全國的機動車保有量已經達到2.23億，汽車保有量達到1.04億輛，為第二大汽車保有國[2]。與機動車數量日益增多相比，我國現(xiàn)役橋梁的危險系數也在逐步升高，危險橋梁數已超過萬座，對人們的日常出行產生了較大的威脅，對管養(yǎng)部門的維護也是一種挑戰(zhàn)。

如何平衡好日漸增多的車輛與橋梁結構安全之間的問題呢？這對于經濟發(fā)展和國民安全來說是一個亟須解決的問題。首先應當考慮的是橋梁的安全性評估，只有做好橋梁自身的安全評估后，才能根據評估結果以及橋梁自身結構特點、所處環(huán)境等情況，給出增強橋梁安全的針對性建議。

橋梁在使用過程中將受到溫度、風、車輛等不同類型荷載的反復作用，很多橋梁自身的結構安全性能將發(fā)生變化，如材料的強度、耐久性退化等，導致其承載能力逐步衰減。因此，通過一個有效的檢測方法，對現(xiàn)役橋梁的整體結構進行測試與評估，建立在役橋梁結構實際承載力計算模型、實際剛度計算模型、實際可靠性指標計算模型，從而對橋梁的實際承載作用大小、結構牢固性能等方面進行數據化處理，最終對橋梁的安全性能進行評估，根據評估結果有針對性地選擇臨時加固方法。

1 國內外研究動態(tài)

1971年，美國完成了《國家橋梁測試規(guī)程》（NBNIP）第一版，及3個指南手冊以完成測試和評估系統(tǒng)。通過對2007年明尼蘇達州Minneapolis橋主橋倒塌事故的詳細分析，在原有荷載評定的基礎上制定了“荷載-抗力”評定系統(tǒng) [3]。

在橋梁安全檢測方面，國際上眾多建筑領域研究人員對其評估檢測等提出了許多有效的理論。如Brito JD等人在鋼筋混凝土橋梁的研究基礎及背景下發(fā)明了橋梁管理專家系統(tǒng) [4]。

結合橋梁自身的結構特點、磨損缺損程度等，我國橋梁安全研究領域的專家們提出了適合我國現(xiàn)狀的橋梁安全檢測和評估方法。陸亞興等人采用橋梁缺損狀態(tài)的指標BCI;潘黎明等人通過結合層次分析法與模糊綜合評判原理，制定了斜拉橋的安全體系，以及相應的安全評估算法 [5]。柳春光等人根據橋梁可靠性理論和隨機振動理論，對橋梁自身結構構造安全性、牢固性的算法進行了研究 [6]。

2 超限車輛荷載計算模型

以柳州市運輸14 臺大型電力設備荷載為分析目標，設備凈重902.5kN，運輸車輛尺寸參數、梁體及車輛本身重量在各軸上的荷載分布如圖1所示。

3 超重荷載下橋梁結構的安全性能評估

橋梁的評估包括3個相互關聯(lián)的內容，即安全性、耐久性和適用性。其中安全性是核心，因此橋梁自身承載能力的大小是橋梁安全性評估的首要內容。只有保證了橋梁的安全性，方可用于運營，即橋梁的適用性。橋梁的安全和適用又是耐久性的前提條件，沒有安全性和適用性的橋梁，其耐久性再好也毫無意義。而耐久性又能體現(xiàn)橋梁的可服務期限，是橋梁修建的經濟價值的體現(xiàn)。

安全性評估其本質是對橋梁自身承載能力大小的極限狀態(tài)評估，即橋梁的結構強度評估。對于不同的部位、不同結構，應當使用不同的評估方法。評估的主要目的是通過檢測、檢算等，預判橋梁的自身承重性能，從而避免橋梁在后續(xù)使用過程可能發(fā)生的災難性后果。

耐久性評估是指橋梁在正常使用和維護條件下，其可使用年限是否能達到設計要求。主要從評估結構的材料物理特性退化、疲勞和腐蝕損傷等指標來評價橋梁的性能。

適用性評估通常是指橋梁在正常使用極限狀態(tài)的評估，主要評價橋梁在溫度、風、車輛等荷載作用下，結構的變形、振動參數等，分析橋梁是否滿足正常使用要求。

目前通常采用橋梁荷載試驗和橋梁結構檢算的方法來評估橋梁的承載能力。

荷載試驗主要是通過在橋梁上施加具體大小的載荷來收集相關的橋梁結構信息，對其進行有限元模型的建立和分析，通過對比，對橋梁的承載能力、損傷情況等進行合理的評估。我國2015年發(fā)布了《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》，對橋梁的荷載試驗作了相關規(guī)定，對測試的內容、工況、測點均有明確且詳細的說明，為橋梁安全性能測試提供了相應的指導，并為其提供依據 [7]。

橋梁結構檢算主要是根據目標荷載等級要求按橋梁的設計規(guī)范進行。根據現(xiàn)場調查和檢測結果所確定取用的檢算參數應與實際情況相符合。必要時，還應根據結構的預應力、恒載分布狀況，開裂狀況等的檢測評定結果，對結構初始狀態(tài)、計算模型的邊界條件等進行合理調整[7]。對于鋼結構橋梁，通常采用引入檢算系數Z1或Z2的方法進行修正計算;對于圬工結構根據檢測結果，通常還需引入折減系數ξc;對于配筋混凝土橋梁還需引入折減系數ξs和惡化系數ξe。

4 安全性評估模型

以鋼筋混凝土橋梁為例，對于臨時性超重荷載通行情況，因荷載是在統(tǒng)一指揮、按約定計劃和方式通過橋梁的，其結構安全性評估可從以下3個參數進行分析：①反映橋梁總體狀況的檢算系數Z1或Z2，②結構的有效截面折減系數ξc和ξs③承載能力惡化系數ξe。結合橋梁的現(xiàn)場調查和檢測結果，對參數進行計算分析，采用公式（1）[7]對結構的實際承載能力進行修正，達到安全性評估目的。

4.1 橋梁結構的檢算系數分析

檢算系數Z1由結構的缺損狀況α1、材質強度α2和自振頻率α3 3個指標的評定標度所計算確定的結構承載能力檢算系數評定標度D[7] 進行計算確定，特殊情況下也可采用專家調查法確定。

4.2 橋梁結構的有效截面折減系數分析

ξc依據材料的風化β1、碳化β2、物理與化學損傷β3 3項檢測指標的評定標度R[7]進行計算確定。

4.3 承載能力惡化系數分析

ξe通過缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、混凝土碳化狀況、鋼筋保護層厚度、氯離子含量及混凝土強度7項指標及橋梁所處的環(huán)境條件計算惡化狀況評定標度E[7]。

5 原橋結構安全性評估

5.1 驗算原則

本次運輸統(tǒng)一指揮，按擬定線路通過橋梁，運輸車輛較接近掛車情況，計算按照掛車組合進行承載能力極限狀態(tài)計算，結構計算與驗算過程中，構件尺寸、材料強度以實際調查和實際檢測結果為依據，同時綜合考慮原設計值。

驗算時對橋梁上部結構采用“Midas Civil”有限元軟件進行計算，計算考慮超重車輛作用下上部結構的承載能力是否滿足要求。

5.2 驗算步驟

本次大型電力設備運輸線路上共有橋梁5座，具體跨徑見表1，橋梁設計荷載等級除響水河橋為汽車-超20級、掛車-120外，其它橋均為城-A級（CJJ 77-98）。

5.2.1 現(xiàn)場調查與檢測

（1） 對途經橋梁進行全面的外觀檢查和技術狀況評定，并根據《城市橋梁養(yǎng)護技術標準》（CJJ 99-2017）對橋梁的技術狀況進行評估。

（2） 采用超聲回彈法檢測橋梁主要構件的混凝土強度，采用酚酞溶液檢測碳化情況。

（3） 測量和復核橋梁的結構尺寸。

（4） 對T梁的鋼筋布置及保護層厚度進行檢測。

（5） 對橋梁的自振頻率進行多點、多方向測量。

5.2.2 各評估參數計算

按安全性評估模型相關系數評估要求，對沿線5座橋梁的調查和現(xiàn)場檢測結果進行處理，綜合分析得各橋的安全評估參數如表1所示。

5.2.3 安全評估計算

根據各橋的設計和竣工資料并結合現(xiàn)場檢測情況對橋梁進行建模計算，本次采用Midas Civil有限元軟件建立空間梁格模型及后處理程序進行計算分析，以響水河橋為例，控制T梁內力計算結果模型如圖2和圖3所示，安全性評估結果如表2所示。

表2中僅列出效應比較大的梁數據，其中MQ表示最大荷載效應（kN·m），MK表示折減后的最大抗力（kN·m），QQ表示最大荷載效應（kN），表示折減后的最大抗力QK（kN）。

由以上安全性評估計算結果知，響水河橋正截面抗彎基本滿足要求，但斜截面抗剪已不滿足要求，為運輸安全必須對其進行加固維修。

6 超重荷載下橋梁臨時加固設計方法

盡管每次超重車輛在橋梁通行時間比較短，但對橋梁而言，仍需確保其在通車過程中足夠安全。這就需要首先對沿線橋梁進行安全評估，然后對安全性能達不到要求的橋梁，結合其自身特點和環(huán)境狀況，進行加固維修以達到預期目標。

經實地調查研究發(fā)現(xiàn)，在役的梁式橋和拱橋的臨時加固方案主要有橋下臨時支撐法、增大截面法、粘貼鋼板或碳纖維復合材料法、橋上橋通過法、體外預應力法等，其中前3種使用最為廣泛。

6.1 橋下臨時支撐法

當橋下空間可利用時，采用在橋下增設支墩的辦法以臨時縮短橋梁的凈跨徑，減少正截面彎矩，提高橋梁的承載能力，進而確保橋梁在超重車輛通行下的安全。

6.2 增大截面法

增大截面法是在原結構表面植筋，并在植筋上綁扎新增受力主筋，然后澆筑混凝土。該方法既增加了主筋，又增加了有效截面積，結構剛度和強度得到提高，最終達到提高橋梁的承載能力目的。增大截面法在加固T形梁、板拱等較廣泛。

6.3 粘貼鋼板或碳纖維復合材料法

隨著車流量的增加，橋梁的主梁出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象越來越多，特別是在超重車輛作用下，很容易發(fā)生主梁結構的變形過大和主受力結構出現(xiàn)因應力過大而產生受力裂縫，如橋梁跨中附近主梁底面的橫向裂縫，支點附近的斜向裂縫等。

粘貼鋼板或復合材料法是在主梁受力薄弱部位采用粘結劑將鋼板或復合材料粘貼到混凝土表面。以鋼板或復合材料作為對原結構的補強鋼筋，相當于增加了配筋率，進而提高結構的承載能力。同時可有效封閉受力裂縫，提高結構的耐久性。

該方法中的鋼板或碳纖維布厚度有限，基本不改變原結構的尺寸，對結構的有效面積影響極小，但工藝成熟、技術可靠、短期加固效果好。

本次響水河橋采用粘貼鋼板加固法進行加固，具體為在T梁底面粘貼6mm厚的鋼板來提高其正截面抗彎承載力，在支點至L/8范圍粘貼U形鋼條來提高其斜截面抗剪承載力。

7 結語

針對在役超重荷載橋梁結構的安全性能進行了評估，并介紹了國內外研究現(xiàn)狀的調研。針對一個具體的案例展開介紹了3種臨時加固方式，包括橋下臨時支撐法、增大截面法、粘貼鋼板或復合材料法。超重荷載的橋梁結構安全性評估涉及到建筑學、結構學、力學等多學科的知識，本文通過結合作者自身的一些研究和實踐，旨在為建立服役超重荷載的橋梁結構安全性評估體系提供一些比較具有價值的參考，由于研究水平和結果的局限性，部分評估內容還需要進一步探討與豐富。

參考文獻

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[5]Ming Yuan，Dong Huang Yan.Optimization on Closure Scheme of Multi-Span Prestressed Concrete Box-Girder Bridge [J].Advanced Materials Research，2011，1067：2369-2375.

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[7]交通運輸部公路科學研究院.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程（JTG/T J21-2011） [M].人民交通出版社，2011.