朱金華，艾 軍，蔡晨寧，于超凡

（南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016）

基于結構檢算方法的梁式橋梁結構快速安全性綜合評估系統(tǒng)

朱金華，艾 軍，蔡晨寧，于超凡

（南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016）

針對傳統(tǒng)橋梁結構承載能力評估存在的不足，建立了梁式橋梁結構安全性的快速綜合評估方法。首先，以基于規(guī)范理論的橋梁結構檢算方法為核心，采用模擬車輛系統(tǒng)替代靜載試驗，建立現(xiàn)役橋梁結構的承載力和剛度計算系統(tǒng)。其次，使用現(xiàn)場調查、檢測手段獲取結構承載現(xiàn)狀的技術狀況信息，確定各計算系統(tǒng)中的技術參數(shù)，形成符合橋梁結構實際承載狀況的分析檢算系統(tǒng)。最后，將分析檢算系統(tǒng)和承載力、剛度計算系統(tǒng)相結合，計算得到一系列反映橋梁結構現(xiàn)有承載力和剛度的評估參數(shù)，從而實現(xiàn)橋梁結構承載能力的快速評估。通過與實橋荷載試驗數(shù)據(jù)的對比分析表明，采用該方法計算得到的實橋撓度較實測值偏大，偏于保守，并且兩者具有相同的趨勢，驗證了該評估方法的安全性和可靠性。同時，以某現(xiàn)役預應力簡支空心板橋為例，實現(xiàn)了該橋的安全性綜合評估，結果表明該橋的現(xiàn)有承載力和剛度較設計時折損較少，仍然滿足現(xiàn)有承載能力大于設計荷載效應的要求，滿足安全運營的需求。

檢算方法；評估參數(shù)；安全性綜合評估；承載能力；剛度

0 引言

橋梁結構在服役過程中，因受環(huán)境侵蝕、材料老化、各種荷載的長期效應、疲勞效應和突變效應等災害因素的共同作用，甚至正常環(huán)境的作用，都將不可避免地出現(xiàn)損傷積累、抗力衰減和實際承載力降低等現(xiàn)象。特別是20世紀60、70年代建造的橋梁，已經運營40～50年，各種影響因素的共同作用已使其結構的安全性、適用性以及耐久性降低，橋梁的承載力下降，為此對其現(xiàn)有承載力進行評估顯得尤為重要。

自20世紀80年代以來，美國、日本等發(fā)達國家對橋梁結構的安全性評估日益重視。美國、英國和加拿大先后頒布了基于極限狀態(tài)原理和設計規(guī)范的橋梁評估標準或規(guī)定[1-3]。一些專家學者也對此開展了不同程度的研究，如1994年J.de Brito等[4]針對混凝土梁橋開發(fā)了橋梁管理專家系統(tǒng)；Furuta[5]采用遺傳算法和神經網絡相結合的方法開發(fā)了橋梁損傷模糊評價專家系統(tǒng)。

國內橋梁管理系統(tǒng)的研究始于20世紀80年代中期。由于橋梁發(fā)展情況的不同，我國各個省市橋梁管理養(yǎng)護部門往往根據(jù)自身的需求開發(fā)出相應的橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)，比如四川省橋梁數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、廣東省橋梁管理系統(tǒng)和北京市橋梁管理系統(tǒng)[6]。此外，一些學者也從不同角度采用不同方法對橋梁安全評估開展了研究，如王永平等[7]采用模糊數(shù)學原理，建立了橋梁使用性能的模糊綜合評價體系和橋梁評價的專家系統(tǒng)；陸亞興等[8]根據(jù)橋梁結構的特點及缺損狀況指數(shù)BCI，建立了BCI計算模型；季征宇等[9]采用層次分析法、模糊數(shù)學理論和人工神經網絡方法對斜拉橋的安全性和耐久性進行了深入研究。

現(xiàn)有橋梁結構的評估方法眾多，大致可分為以橋梁承載力評估為主的方法和以橋梁狀態(tài)評估為主的綜合評估方法[10]。橋梁結構狀態(tài)評估主要是針對大型橋梁結構建立的評估系統(tǒng)，而中小型梁式橋梁結構多采用承載能力評估方法。承載能力評估方法主要包括經驗系數(shù)法、基于設計規(guī)范的方法、基于可靠度理論的方法和基于荷載試驗的方法。其中經驗系數(shù)法的評估結論通常帶有較大的主觀性[10]；基于可靠度理論的方法難以確定結構的系統(tǒng)失效模式和反映損傷程度的抗力模型[11]；基于荷載試驗的方法則在試驗過程中需要封閉交通，耗資大、成本高[12]。

本文將基于設計規(guī)范的承載力評估方法，依靠現(xiàn)場外觀調查數(shù)據(jù)，結合計算機有限元分析方法，建立現(xiàn)役橋梁的安全性綜合評估系統(tǒng)，并與荷載試驗實測結果對比分析，驗證該方法的正確性和適用性。最后以某在役預應力簡支空心板橋為例，對其現(xiàn)有承載力和正常使用狀態(tài)的控制指標進行評估，判斷該橋結構現(xiàn)有狀態(tài)是否滿足承載能力和正常使用的要求。該系統(tǒng)通過橋梁結構技術狀況的快速檢測和評估，旨在了解橋梁的實際狀態(tài)和實際承載力，為橋梁管理、維護和加固提供科學、可靠的決策依據(jù)，使橋梁的技術改造決策更加科學化，使技術改造方案的設計和制訂更加經濟、合理，從而保證橋梁的安全使用和交通運輸?shù)臅惩ā?/p>

1 技術參數(shù)的確定

如前所述，橋梁結構在運營過程中，因受各種環(huán)境因素的影響，其承載力和耐久性必然會不斷下降。分析檢算模型利用橋梁結構調查和現(xiàn)場檢測的技術手段（無損檢測手段和方法），并參考相關理論和試驗研究成果，給出了綜合評估模型中技術參數(shù)的計算及修正方法，從而獲得橋梁的現(xiàn)狀參數(shù)。

1.1 材料修正

鋼筋混凝土結構的性能主要依賴于混凝土和鋼筋兩種材料的性能，而這兩種材料在使用多年以后，其力學性能因受各種因素的影響必將發(fā)生不同程度的變化。為正確評估橋梁結構的現(xiàn)有狀態(tài)，準確把握兩種材料力學性能的變化至關重要。根據(jù)相關文獻[13]的試驗數(shù)據(jù)分析，對于不同的受力鋼筋，給出其銹蝕后實際可利用屈服強度和未銹蝕鋼筋屈服強度之間的關系，如表1所示；對于混凝土材料，則通過回彈法直接獲取其現(xiàn)有實際強度。

表1 鋼筋強度與銹蝕率的關系

表1中，fsd,t和fsvd,t分別為銹蝕后縱筋和箍筋抗拉屈服強度；fsd和fsvd分別為為未銹蝕縱筋和箍筋的抗拉強度設計值；ζs和ζsv分別為抗彎、抗剪鋼筋強度修正系數(shù)；δs和δsv分別為抗彎、抗剪鋼筋銹蝕率。

1.2 幾何尺寸修正

混凝土結構截面幾何尺寸修正系數(shù)是對混凝土使用多年后結構局部截面尺寸由于受各種因素影響而減小或破損的修正，主要考慮受壓區(qū)混凝土由于碳化、鋼筋銹蝕導致截面開裂等對幾何尺寸損傷的影響。采用如下公式計算：

式（1）、式（2）中：ht和bt分別為截面損傷后的高度和寬度；h和b分別為原截面的高度和寬度；c1,c2和c3分別為截面高度和兩個寬度方向混凝土保護層厚度；α為對應于保護層的幾何損傷系數(shù)，其值和縱向裂縫寬度有關[14]。

鋼筋面積的修正主要考慮銹蝕導致鋼筋截面面積減小。銹蝕后的鋼筋面積可以表示為：

1.3 協(xié)同工作

鋼筋銹蝕不僅會引起鋼筋本身強度的降低和截面面積的變化，也會導致鋼筋與混凝土之間的黏結力下降，從而影響鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力，致使橋梁結構的承載能力降低。鋼筋銹蝕對鋼筋和混凝土共同工作的影響機理比較復雜，本文通過協(xié)同工作系數(shù)來反映鋼筋與混凝土的協(xié)同工作程度。根據(jù)相關文獻[15-16]，給出鋼筋與混凝土協(xié)同工作系數(shù)表達式：

式（5）中：ksci為第i根鋼筋的協(xié)同工作系數(shù)；w為鋼筋銹蝕裂縫寬度；wa為黏結力開始退化時，鋼筋銹蝕裂縫寬度，取0.25mm；wb為黏結力完全喪失時，鋼筋銹蝕裂縫寬度，其中光圓鋼筋取2.5mm，變形鋼筋取3.5mm；ksci,min為第i根鋼筋的協(xié)同工作系數(shù)最小值。

1.4 結構剛度修正

橋梁結構在運營過程中，其抗彎剛度受許多因素的影響，如：結構實際截面尺寸、截面所承擔彎矩、鋼筋和混凝土彈性模量、鋼筋銹蝕率及鋼筋銹蝕導致的黏結力下降、混凝土的抗拉強度、結構混凝土損傷（混凝土開裂、表面脫落等）[17-20]。

在橋梁結構剛度計算中，對損傷導致混凝土截面尺寸的變化以及銹蝕導致鋼筋面積的變化可以通過幾何尺寸修正系數(shù)予以計算，而對鋼筋銹蝕使混凝土與鋼筋協(xié)同工作程度降低導致橋梁結構剛度的下降，則通過結構剛度修正系數(shù)來計算，其表達式[21]為：

式（6）、式（7）中：Bt為結構現(xiàn)有實際剛度；ζB為等效剛度修正系數(shù)；Bs,t為結構損傷后的實際等效截面剛度；δs為鋼筋銹蝕截面損失率；Ms為控制截面計算彎矩；Mcr為控制截面開裂彎矩。

2 安全性綜合評估系統(tǒng)的構建

基于以上基本理論，通過收集橋梁結構的多種信息和資料，采用無損檢測手段，可得到反映橋梁現(xiàn)狀的一系列參數(shù)，然后使用VB.Net和Matlab匯編語言開發(fā)安全性綜合評估軟件。VB.net主要用于用戶界面開發(fā)和橋梁結構的承載力及剛度計算。利用Matlab語言編寫的基于梁格法理論的有限元分析程序，可用于模擬荷載試驗，求解結構在荷載作用下的作用效應。本文開發(fā)的混凝土梁橋安全性綜合評估軟件，其程序運行流程如圖1所示。

圖1 橋梁安全性綜合評估軟件運行流程圖

2.1 承載力計算

考慮現(xiàn)役橋梁結構在運營過程中出現(xiàn)的各種損傷對結構承載力的影響，依據(jù)結構設計原理[21-23]，建立現(xiàn)役橋梁結構承載力計算公式：

式（8）中：γ0為結構重要性系數(shù)；St為現(xiàn)役橋梁結構在荷載作用下的作用效應組合設計值；Rt為現(xiàn)役橋梁結構的承載能力；γG為永久作用分項系數(shù)；Gk為永久作用標準值；γQ為可變作用分項系數(shù)；Qk為可變作用標準值。其他變量定義同前。

現(xiàn)役橋梁結構作用效應組合設計值St與所施加外荷載和橋梁結構現(xiàn)有實際剛度有關，通過基于梁格法編制的Matlab后臺程序可計算出控制截面組合內力和撓度的最大值?，F(xiàn)役橋梁結構的承載能力Rt是結構混凝土的實際強度、橋梁結構的實際幾何尺寸、鋼筋實際可利用強度以及鋼筋實際可利用的等效面積的函數(shù)。相較于橋梁結構設計時的承載能力，根據(jù)混凝土強度時變修正系數(shù)、鋼筋強度修正系數(shù)、混凝土截面幾何尺寸修正系數(shù)以及鋼筋截面面積修正系數(shù)的技術參數(shù)可計算出橋梁現(xiàn)有承載力。

2.2 剛度計算

考慮混凝土損傷導致的結構尺寸變化和鋼筋銹蝕導致的鋼筋可利用面積的變化對結構剛度的影響，以《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》所依據(jù)的鋼筋混凝土結構計算理論為基礎，建立現(xiàn)役橋梁剛度計算公式[20，24-25]。

式（9）、式（10）中：Bt為考慮各種影響因素的現(xiàn)役橋梁實際剛度；ξB為等效剛度修正系數(shù)，考慮了鋼筋銹蝕導致鋼筋與混凝土黏結作用下降而造成的剛度降低等因素的影響；Bs,t為結構損傷后的現(xiàn)有實際等效截面剛度，它是混凝土構件開裂彎矩Mcr、實際承受彎矩Ms、全截面抗彎剛度B0以及開裂截面現(xiàn)有實際截面剛度Bcr,t的函數(shù)；Bcr,t為開裂截面的現(xiàn)有實際截面剛度，不僅要考慮混凝土開裂狀況，還要考慮截面損傷、剝落、鋼筋銹蝕導致的截面尺寸修正，其計算公式為Bcr,t=Ec,tIcr,t，其中Ec,t和Icr,t分別為開裂截面現(xiàn)有實際彈性模量和抗彎慣性矩。

2.3 安全性綜合評估

根據(jù)承載力和剛度計算結果，利用編制的有限元程序可計算得到橋梁結構在車輛荷載作用下控制截面的內力，然后根據(jù)安全性綜合評估系數(shù)和評估標準給出評估結論和有關橋梁結構的處置意見。

評估系數(shù)主要包括以下7個：

①抗彎承載力評估系數(shù)RFM：橋梁結構的控制截面抗彎承載力與在設計荷載作用下其截面彎矩之比；

②抗剪承載力評估系數(shù)RFV：橋梁結構的控制截面抗剪承載力與在設計荷載作用下其截面剪力之比；

③撓度增大系數(shù)ζft：橋梁結構在設計荷載作用下控制截面的撓度與規(guī)范規(guī)定的撓度限值之比；

④裂縫寬度系數(shù)ζwt：橋梁結構控制截面主要實測裂縫寬度與規(guī)范規(guī)定裂縫寬度限值之比；

⑤抗彎承載力折減系數(shù)ζM：橋梁結構現(xiàn)有抗彎承載力與設計抗彎承載力之比；

⑥抗剪承載力折減系數(shù)ζV：橋梁結構現(xiàn)有抗剪承載力與設計抗剪承載力之比；

⑦剛度折減系數(shù)ζBt：橋梁結構現(xiàn)有抗彎剛度與設計抗彎剛度之比。

以上各參數(shù)從不同角度反映了橋梁結構的實際狀態(tài)。根據(jù)這些參數(shù)可對橋梁結構承載狀況作出合理、有效的評估[26-29]。評估標準如表2所示。

表2 橋梁結構安全性綜合評估結論參考表

3 大干渠橋安全性綜合評估

大干渠橋是丁睢公路至宿邳、宿新公路宿遷市連接線的一座中橋，為簡支板橋?？鐝讲贾脼?0m×5，20m梁采用預應力混凝土空心板結構，每跨由12片板組成，其中梁構造如圖2所示。單幅橋面總寬12.75m，行車道寬11.25m。設計荷載為汽—20，掛—100，線路等級一級。

圖2 主梁一般構造圖（單位：cm）

3.1 大干渠橋現(xiàn)場檢測

通過外觀檢測和各種無損檢測手段獲取的橋梁現(xiàn)狀信息主要包括：橋梁結構裂縫狀況、結構截面尺寸變化量和保護層厚度變化量、由于碳化和長時間服役等造成的混凝土強度變化量、主要受力鋼筋的修飾率、混凝土的碳化深度。

檢測結果表明，大干渠橋伸縮縫堵塞并發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，橋臺蓋梁出現(xiàn)一定程度的破損且梁底混凝土局部剝落，但主梁未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。由于大干渠橋為簡支梁橋，選取其跨中截面為控制截面?，F(xiàn)場檢查結果如表3所示。

表3 大干渠橋跨中截面現(xiàn)場檢測結果

3.2 大干渠橋狀態(tài)評估

根據(jù)以上無損檢測結果和大干渠橋的相關設計資料，對其進行安全性綜合評估，并與靜載試驗結果[30]對比分析，驗證本評估方法的正確性。

為考證邊梁和中梁跨中截面的承載能力，分別設置兩者截面的最不利車輛加載工況，記為Ⅰ-3和Ⅱ-3，如圖3所示。

圖3 靜載試驗加載工況（單位：cm）

由靜載試驗、橋梁安全性綜合評估軟件得到兩工況下各主梁的跨中撓度如圖4所示。由該圖可知，在車輛荷載作用下，盡管大干渠橋各主梁跨中撓度的理論計算值與荷載試驗值存在偏差，但其總體趨勢保持一致，表明安全性綜合評估軟件計算所得結果偏保守，具備一定的可靠性。本文認為產生這種偏差的主要原因有：

①安全性綜合評估軟件在計算過程中，未考慮橋面鋪裝、鋼筋混凝土護欄等附件對橋梁結構整體工作性能的貢獻；

②大干渠橋為預應力鋼筋混凝土梁橋，但在理論計算過程中，未考慮預應力效應對橋梁結構剛度的提高，即忽略了應力剛化的影響；

③實際橋梁在工作過程中，兩片主梁之間的工作狀態(tài)處于鉸接和剛接之間的，本評估方法分析過程中將其統(tǒng)一簡化為鉸接。

圖4 各工況主梁跨中撓度

通過荷載試驗以及評估方法模擬分析可得中梁和邊梁跨中控制截面應變和撓度，如表4所示。

表4 跨中截面實測值與理論值對比

由表4可知，工況Ⅰ-3、Ⅱ-3荷載作用下跨中截面的應變校驗系數(shù)和撓度校驗系數(shù)均小于1，表明橋梁結構具有較高的安全儲備，各片板的剛度良好，能滿足正常使用要求。

基于修正系數(shù)法的大干渠橋安全性綜合評估結果如表5所示。

表5 控制截面評估系數(shù)

從表5可以看出，邊梁和中梁的抗彎和抗剪評估系數(shù)均大于1，表明大干渠橋的現(xiàn)有承載能力大于其在設計荷載作用下的荷載效應，滿足橋梁結構承載能力極限狀態(tài)的要求。撓度增大系數(shù)約為0.3，表明大干渠橋設計荷載作用下的跨中撓度小于撓度限值，整體工作性能滿足正常使用極限狀態(tài)的要求?？箯澇休d力折減系數(shù)、抗剪承載力折減系數(shù)以及剛度折減系數(shù)均大于0.96，表明其承載能力和剛度均折減較小，橋梁的損傷程度較小，能夠滿足安全運營的要求。綜合考慮，認為大干渠橋的現(xiàn)有狀態(tài)滿足規(guī)范要求，可以繼續(xù)使用。

4 結論與展望

本文開展了針對橋梁安全性評估理論和方法的研究，并對某現(xiàn)役簡支空心板橋的安全性進行了綜合評估，得出以下結論。

（1）采用修正系數(shù)可反映橋梁結構運營過程中各損傷對其承載能力和剛度的影響，如鋼筋銹蝕對鋼筋強度、截面面積及鋼筋和混凝土黏結性能的影響；采用一系列評估系數(shù)可反映橋梁結構的現(xiàn)役狀態(tài)，并以此評估其安全性和耐久性，包括承載能力評估系數(shù)、承載能力折減系數(shù)、剛度折減系數(shù)、裂縫發(fā)展系數(shù)以及撓度增大系數(shù)。

（2）建立了一套實用的梁式橋梁結構快速檢測與安全性評估方法，主要用于梁式橋梁結構的安全性綜合評估及病害橋梁的安全性鑒定。該評估方法可以部分替代費時費工、耗資較大的橋梁現(xiàn)場靜載試驗。

（3）基于大干渠橋荷載試驗中中梁和邊梁的兩個控制工況，采用安全性綜合評估系統(tǒng)計算了各片主梁的跨中撓度，并與荷載試驗實測數(shù)據(jù)進行了對比分析。結果表明，本文提出的計算模型合理，能夠較好地反映橋梁的實際工作狀態(tài)。

（4）通過無損檢測手段獲取大干渠橋的現(xiàn)狀參數(shù)，并利用本文評估方法對該橋的安全性進行了評估。結果表明：大干渠橋的運營狀況優(yōu)于理論狀況，具有較高的安全儲備；其抗彎和抗剪承載能力大于設計荷載作用效應組合值，且承載能力和剛度相較于設計時損傷程度較小，滿足安全運營的需求。這同時表明該安全性綜合評估系統(tǒng)安全、可靠、高效。

截至目前，針對梁式橋梁結構的快速安全評估系統(tǒng)已經實現(xiàn)，但整體來看仍存在一些問題，主要包括以下兩方面。

（1）影響橋梁結構現(xiàn)有狀態(tài)的因素較多，本文僅對其中幾個重要的方面進行了研究，而未針對預應力鋼筋的預應力損失、預應力鋼筋的銹蝕和橋梁結構交通量進行修正，這需要在下一步研究中進行更加全面、深入的探討。

（2）關于橋梁結構安全性綜合評估結論參考表的劃分不夠詳細，僅作參考，在實際應用中可根據(jù)所得各評估系數(shù)進行綜合判斷，并得出相應合理的評估結論，而相關評估準則的規(guī)范化和細化也將在今后工作中完成。

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ARapid Comprehensive Safety-Assessment System of Beam Bridge Structure Based on Structure Checking Method

ZHU Jin-hua,AI Jun,CAI Chen-ning,YU Chao-fan
(Department of Civil Engineering,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China)

In order to solve the problems of the traditional bridge structure bearing capacity evaluation method,a rapid safety-assessment method was established to evaluate the working condition of prestressed simple-supporting hollow bridge.Firstly,based on the theory recommended by the national bridge codes,a load-simulating system was developed instead of static loading tests,on which the bridge structure bearing capacity and stiffness calculation system was set up.Secondly,through the field inspec?tion and detection means,some technical information about the current staus of bridge structure bearing capacity was obtained,which determine the technical parameters of the calculation system and develop appropriate analysis system to satisfy the actual bearing capacity of the bridge structure.Finally,combin?ing the bearing capacity and stiffness calculation system and the analysis system,a series of evaluation parameters that reflect actual bearing capacity and stiffness of bridge structure were calculated and ob?tained,which ultimately realized the rapid safety-assessment of bridge structure.Meanwhile,after com?paring with the data earned from the field test,the results show that the computed value is slightly higher than the test value,which takes out a certain degree of conservativeness.Both groups of figures share a similar trend,verifying the reasonability and the accuracy of the supporting theory.The method was then applied to an in-service pre-stressed simple-supporting hollow bridge,and obtained the report that the existing bearing capacity and stiffness of the bridge are less than those of the design.The calculation ex?ample successfully proves the bridge can fully meet the requirements of continuing operation.

checking method;evaluation parameter;comprehensive safety-assessment;bearing ca?pacity;stiffness

U446.3

：A

：2095-9931（2015）05-0082-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.05.012

2015-06-11

江蘇省宿遷市交通科學研究項目（SQJTKY2012-09）

朱金華（1991—），男，湖南懷化人，碩士研究生，研究方向為橋梁結構狀態(tài)評估與加固技術。E-mail：zhujinhua_work@163.com。