胥文煊

摘要： 提出了橋梁承載力演變理論，并將該理論概括為 4 個(gè)階段：承載力耗散階段、承載力衰變階段、承載力潰損階段和承載力提升階段；對(duì)各階段的科學(xué)定義、性態(tài)特征、影響因素、效應(yīng)度量、構(gòu)模體系及量化分析作了概化，可為已成橋的技術(shù)評(píng)價(jià)和改造利用提供理論依據(jù)與應(yīng)用借鑒.

關(guān)鍵詞： 橋梁工程；承載力演變理論；概化；耗散；衰變；潰損

Abstract: the bearing capacity of the bridge is put forward the evolution theory, and the theoretical generalization for four stages: dissipative stage, bearing capacity of the bearing capacity of decay stage, crushing loss stage and bearing capacity of the bearing capacity of ascension stage; In each stage of scientific definition, characteristics of state, influence factors, effect measures, modeling system and the quantitative analysis of the generalized, the technology has already become the bridge evaluation and reconstruction of providing the theoretic basis and the reference for application.

Keywords: bridge engineering; Bearing capacity evolution theory; Generalized; Dissipative; Decay; Crushing loss

中圖分類號(hào)：K928.78文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

前言：在現(xiàn)有路網(wǎng)中，舊橋?yàn)閿?shù)眾多，舊橋承載力的評(píng)價(jià)和維護(hù)改造是道路運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié).按現(xiàn)有橋梁承載力評(píng)定程序和方法，需要對(duì)待評(píng)的大量橋梁逐一進(jìn)行加載測(cè)試，工作量巨大，不但難以有效實(shí)現(xiàn)且費(fèi)用昂貴.要客觀而準(zhǔn)確地對(duì)橋梁承載力進(jìn)行評(píng)定，必須全面科學(xué)地建樹(shù)橋梁承載力的理念. 所謂橋梁承載力是指橋梁在服役期限內(nèi)某一考察時(shí)刻對(duì)使用功能荷載和環(huán)境災(zāi)害性荷載的綜合承受與抵御能力. 由此，定義了橋梁在服役期限內(nèi)不同時(shí)刻有不同的承載力，即承載力遵循著隨使用年限而逐漸衰變的總體變化趨勢(shì)；但若在某一時(shí)刻對(duì)橋梁實(shí)施技術(shù)改造，以使其結(jié)構(gòu)性能得以改善和增強(qiáng)，則橋梁承載力將在改造后相應(yīng)獲得提升.總之，橋梁承載力將隨時(shí)間歷經(jīng)增減變化的過(guò)程和趨勢(shì). 這種變化我們可以用“演變”來(lái)加以概化. 因此，橋梁由建成投入運(yùn)營(yíng)直至加固維護(hù)和最終退役全過(guò)程承載力的變化理論，可統(tǒng)稱為“橋梁承載力演變理論”.

新橋建成，按設(shè)計(jì)要求旨意，將具有較多的安全儲(chǔ)備，也即具有富余的承載力，但隨著使用年限的延移，將開(kāi)始呈現(xiàn)明顯病態(tài)，在這長(zhǎng)過(guò)程中，富余的承載力被消耗掉了，我們稱這個(gè)區(qū)段為“承載力耗散階段”；自橋梁出現(xiàn)病害直至舊危橋，對(duì)安全營(yíng)運(yùn)構(gòu)成威脅之前的這個(gè)階段，稱為“承載力衰變階段”；當(dāng)橋梁在使用功能荷載或環(huán)境災(zāi)害性荷載協(xié)迫下，喪失結(jié)構(gòu)承載功能，或從根本上改變橋梁結(jié)構(gòu)體系而成為危形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞或垮塌的這個(gè)短暫階段，稱為“承載力潰損階段”；當(dāng)對(duì)舊橋?yàn)闈M足使用要求，加以再利用，而進(jìn)行技術(shù)加固、維護(hù)或改造，從而提高了原橋的承載力，將這個(gè)階段稱為“承載力提升階段”.基于以上的概化分析，將“橋梁承載力演變理論”的演變軌跡劃分為以下 4 個(gè)階段：即①承載力耗散階段；②承載力衰變階段；③承載力潰損階段；④承載力提升階段.

1 承載力耗散階段

1. 1 承載力耗散的定義

橋梁新建后投入營(yíng)運(yùn)，至開(kāi)始出現(xiàn)宏觀的、可洞察其明顯損傷病害之前臨界的這個(gè)階段，將安全度取值較高、偏于富裕的承載力被“消耗”掉，稱這個(gè)階段為“承載力耗散階段”.

1. 2 耗散階段橋梁的性態(tài)特征

新橋建成后，在較長(zhǎng)的營(yíng)運(yùn)過(guò)程，橋梁性態(tài)一般較為良好，變形小、行車(chē)平穩(wěn)舒適，隨著使用年限的增加，橋梁的良好使用性態(tài)將逐步減退，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)變形逐漸增加，位移加大，內(nèi)部缺陷擴(kuò)展，動(dòng)力效應(yīng)加劇，懸吊橋梁體系出現(xiàn)張馳不均衡現(xiàn)象. 使橋梁主要承力構(gòu)件強(qiáng)度降低. 由于這些性態(tài)演變而影響到行車(chē)和使用的舒適性. 隨著上述性態(tài)的變異，將促使橋梁病害的形成和加劇. 從而使富裕的承載力逐漸被耗散掉.

1. 3 承載力耗散的影響因素

影響承載力耗散的因素較多，而且也較為復(fù)雜，難以定量描述. 其因素既有結(jié)構(gòu)本身原因，也有來(lái)至環(huán)境的影響，既有設(shè)計(jì)施工材料前期缺陷，也有維護(hù)管理后期影響. 概括起來(lái)由下列因素確定：

1）構(gòu)件早期內(nèi)部缺陷及其發(fā)展；

2）重復(fù)荷載疲勞累計(jì)效應(yīng)；

3）砼收縮徐變效應(yīng)；

4）水、溫、氣環(huán)境腐蝕效應(yīng)；

5）超負(fù)荷使用或管理維護(hù)不善等.

2 承載力衰變階段

2. 1 承載力衰變的定義

繼橋梁承載力耗散至富余承載力趨于耗盡之臨界，再繼續(xù)演變，則橋梁由于累計(jì)損傷，而顯現(xiàn)出明顯的病害特征，因此，賦予橋梁承載力衰變的定義是：橋梁開(kāi)始出現(xiàn)可宏觀直覺(jué)的病害特征，到逐漸衰變，直至老舊破損、使用功能趨于警戒狀態(tài)的這個(gè)階段稱為“承載力衰變階段”.

2. 2 承載力衰變的主要特征

2. 2. 1 承載力衰變的外部特征

橋梁病害的加劇是承載力衰變的外部特征. 由于橋梁損傷的積累與超負(fù)荷運(yùn)行，由于外部環(huán)境對(duì)橋梁的嚴(yán)重侵蝕，使得橋梁承力的主要構(gòu)件裂縫擴(kuò)展，砼碳化和鋼筋銹蝕加劇，從而表現(xiàn)出橋梁衰變的外部特征.

2. 2. 2 承載力衰變的力學(xué)行為特征

橋梁衰變的力學(xué)行為特征是：橋梁整體或主要承力構(gòu)部件產(chǎn)生較大的位移和變形，控制截面承受應(yīng)力極限有明顯的降低，出現(xiàn)了難以恢復(fù)的撓度和變位，橋梁動(dòng)力效應(yīng)顯著，以至引起構(gòu)件局部受力體系的改變等等.

2. 2. 3 承載力衰變的使用效能特征

當(dāng)橋梁處在承載力衰變過(guò)程，在營(yíng)運(yùn)中將明顯地影響行車(chē)的舒適性，橋梁振動(dòng)加劇，使行車(chē)速率、載重量、車(chē)輛通行能力將受到較大影響，嚴(yán)重者將危及行車(chē)的安全性.

2. 3 承載力衰變的主要影響因素

引起橋梁承載力衰變的主要因素有：

1）砼裂縫的擴(kuò)展；

2）砼碳化與剝落；

3）鋼筋銹蝕加??；

4）鋼筋砼粘結(jié)抗撥力減退；

5）承力構(gòu)件損傷與變形；

6）石料風(fēng)化、脫落與錯(cuò)位；

7）懸吊體系腐蝕、松馳與老化等.

3 承載力潰損階段

3. 1 承載力潰損的定義

橋梁結(jié)構(gòu)趨于危形體系或臨近破壞垮塌，喪失承載作用的非安全極限狀態(tài)的短暫階段，稱為“承載力潰損階段”.處于承載力潰損階段的橋梁是已經(jīng)發(fā)生局部事故或臨近重大事故的邊緣，或已出現(xiàn)急發(fā)事故的前兆期，無(wú)論何種狀況均是十分危險(xiǎn)的階段.

3. 2 橋梁潰損的形成條件及表現(xiàn)特征

3. 2. 1 承重結(jié)構(gòu)體系改變體系改變是導(dǎo)致橋梁潰損垮塌的危險(xiǎn)狀態(tài)，分述如下：

1）桿系結(jié)構(gòu) 4 鉸體系的形式：如 3 鉸拱式體系，因砼施工分期澆筑，在使用中某些剛性接頭位置出現(xiàn)塑性鉸，變?yōu)?4 鉸危形體系.

2）靜定結(jié)構(gòu)局部承壓桿件的破壞：如靜定桁架體系，其中只要有一桿喪失作用，則變成可變結(jié)構(gòu)而垮塌.

3）懸吊中、下承式系桿拱拉桿斷裂，這種系桿拱式體系，由于系桿斷裂會(huì)導(dǎo)致橋梁局部或整體垮塌.

4）梁式或拱式體系受彎性態(tài)的演變：梁式體系受彎狀態(tài)的改變、拱式體系拱上承重荷載的突變，都將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎曲性態(tài)極大改變，甚至出現(xiàn)垮塌事故.

4 承載力提升階段

4. 1 承載力提升的定義

對(duì)尚未出現(xiàn)橋梁潰損以前的舊橋衰變期，通過(guò)承載力評(píng)定及加固維護(hù)技術(shù)實(shí)施，從而提高其結(jié)構(gòu)使用性能，對(duì)舊危橋的再利用階段稱為“承載力提升階段”.

4. 2 承載力提升原理及可能性

4. 2. 1 承載力提升原理

當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)使用功能荷載、抗御各種災(zāi)害性荷載的承受能力不足或安全程度不夠時(shí)，則必須提升其承載力. 承載力提升的原理是增強(qiáng)與提高結(jié)構(gòu)整體的剛度、強(qiáng)度與穩(wěn)定性，達(dá)到足以承受交通負(fù)荷需求和抵御各種環(huán)境災(zāi)害破壞的綜合能力.

4. 2. 2 承載力提升的可能性

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可能對(duì)各構(gòu)部件做到等強(qiáng)度和等剛度. 使其主要各承力和傳力部分總會(huì)呈現(xiàn)性態(tài)不同的薄弱部位，對(duì)薄弱部位的加強(qiáng)是必要和可能的，其可能的加強(qiáng)方式主要有：①增大構(gòu)件截面尺寸；

②加強(qiáng)和改變斷面型式；③變更結(jié)構(gòu)體系；④增強(qiáng)構(gòu)部件聯(lián)系，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度；⑤調(diào)整結(jié)構(gòu)自重、使應(yīng)力和變形趨于合理分布等等.

4. 3 承載力提升的策略步驟

1）對(duì)不同體系利用程度及增強(qiáng)部位的結(jié)構(gòu)分析；

2）以使用性能為目標(biāo)對(duì)備用加固方案的自動(dòng)生成；

3）綜合考慮使用功能與環(huán)境因素對(duì)方案的優(yōu)選評(píng)價(jià)；

4）加固工程數(shù)量、材料及費(fèi)用模型的生成與量化.

4. 4 承載力提升效果的判定與預(yù)測(cè)

對(duì)加固改造后橋梁承載力的實(shí)際提升效果必須跟蹤測(cè)評(píng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與性態(tài)仿真，必要時(shí)也可通過(guò)加載試驗(yàn)以驗(yàn)證其提升效果. 對(duì)未來(lái)重新利用期間橋梁承載力演變趨勢(shì)也應(yīng)進(jìn)行必要的分析預(yù)測(cè)，以發(fā)揮其安全營(yíng)運(yùn)效能，力圖延長(zhǎng)其使用壽命，提高其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者僅概略地提出和概化了橋梁承載力演變理論體系，本文內(nèi)容和觀點(diǎn)，倘有疏漏和謬誤之處，懇請(qǐng)同行專家不吝指正，力求使該理論日臻完善.

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