魏漢鋒

（廣東省佛開高速公路有限公司，廣東 佛山 528000）

基于結(jié)構(gòu)承載能力的橋梁加固效果評價

魏漢鋒

（廣東省佛開高速公路有限公司，廣東 佛山 528000）

在橋梁工程由大規(guī)模建設(shè)逐漸步入檢測與養(yǎng)護階段的大背景影響下，橋梁加固為適應(yīng)多樣化的性能需求影響，并不拘泥于有限的幾種形式，有著廣泛的發(fā)展前景。由于我國現(xiàn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)主要針對加固的承載驗算或施工質(zhì)量控制層面，僅適用于加固方案的下限控制，缺乏方案之間的綜合評定方法，用以對比各加固措施的效能。通過總結(jié)現(xiàn)有橋梁加固評價方法尚不完善之處，提出了安全程度及加固效率的綜合評價方法，并依據(jù)該思路構(gòu)架承載能力評價指標(biāo)，結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及實施經(jīng)驗，給出了性能指標(biāo)需要滿足的極限狀態(tài)強制性標(biāo)準(zhǔn)。最后，通過一座橋梁的加固實例展示了評價操作流程。

橋梁加固；方案對比；加固效率；加固效果評價；加固效果指標(biāo)

0　引言

大量的加固實踐為橋梁工程的加固方法積累了廣泛的工程經(jīng)驗［1］，并且在實踐的基礎(chǔ)上制定了現(xiàn)行的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，對加固設(shè)計及施工的下限進行了詳細(xì)的規(guī)定，包括應(yīng)滿足的強度要求、剛度要求、耐久性要求、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等，已有研究則主要針對加固方法的適用性以及是否滿足規(guī)范進行檢驗，由于針對目標(biāo)不同，尚存在如下未完善的研究內(nèi)容［2-4］：

（1）適用于方案階段各方案比選的綜合評價方法。加固方案設(shè)計階段與新建大橋方案設(shè)計階段具有一定的相似性，均需要對加固效果及經(jīng)濟性進行評定，由于加固中部分同類不同措施的性能差異較為模糊，且對于預(yù)期壽命的評價理論尚不完善，因此該綜合評價方法目前仍在不斷完善。

（2）適用于加固后的加固效果綜合評價方法。橋梁加固后通過逐年檢測，積累了大量的加固時效資料，但尚缺少能夠綜合分析評定的理論體系，未能將大量的實踐經(jīng)驗完全轉(zhuǎn)化為優(yōu)化后期加固方案制定的指導(dǎo)意見。

無論適用于方案階段或者實施后檢驗階段，均以加固效用評價體系為核心內(nèi)容，基于此，本文在目前眾多研究成果的基礎(chǔ)上，提出了安全程度與加固效率綜合評定的構(gòu)想，并根據(jù)該方法構(gòu)架了承載能力綜合評定的指標(biāo)，用于校驗設(shè)計方案，也可用于評價加固對結(jié)構(gòu)承載能力提升目標(biāo)的實現(xiàn)程度，為后期加固措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1　加固效果綜合評價指標(biāo)

1.1評價指標(biāo)的建立

橋梁在投入使用后的一段時間內(nèi)通常會產(chǎn)生病害，在壽命周期內(nèi)可能經(jīng)歷數(shù)次的維護，以延長其使用壽命。橋梁病害的存在及持續(xù)發(fā)展降低了橋梁的服役水平，縮短了橋梁的使用壽命。橋梁病害主要影響橋梁三類性能的表達：承載性能、正常使用性能以及耐久性能。

既有研究或?qū)嵤┲袑τ谠O(shè)計階段或者檢測階段的性能評價主要從方案富余度的層面考慮，多采用相較于規(guī)范中的荷載效應(yīng)的安全程度K，可用下式進行表示

式中：R為抗力；S為荷載效應(yīng)。

本指標(biāo)能夠反映管理單位最為關(guān)心的運營安全程度，也是方案及加固效果評價的基礎(chǔ)指標(biāo)。但應(yīng)當(dāng)注意，若兩個方案或者加固案例具有相同的安全程度，并不能直接判定兩個措施是等效的，即使引入經(jīng)濟性指標(biāo)進行綜合評判，也不足以判定加固效能，本質(zhì)原因為各因素中未能充分考慮舊橋的“加固起始水平”。

為反映從“加固起始水平”至“加固完畢水平”之間的提升度，引入加固效率E對加固的效能進行評價。引入該指標(biāo)后，能夠反映結(jié)構(gòu)對加固措施的“效用敏感性”，便于定位最為高效的加固措施。

指標(biāo)表觀意義如圖1所示，定義安全程度與加固效率指標(biāo)如下：

（1）安全程度。其計算機理是加固后性能與規(guī)范強制性能的比值，符合程度越高，表明性能富余量越大。

（2）加固效率。采用性能提升量與加固前性能的相對比值來描述，該指標(biāo)與安全程度的區(qū)別在于，它直接反映加固方法對某種病害的適用程度，便于對加固方法進行綜合評定。

圖1　指標(biāo)表觀意義示意

1.2指標(biāo)在評定承載性能中的應(yīng)用

在安全程度及加固效率指標(biāo)的基礎(chǔ)上，本文對其在承載性能評定中的應(yīng)用形式進行推演。影響承載安全的主要因素有：截面損傷、鋼筋銹蝕導(dǎo)致的承載力降低；超載車輛增多，導(dǎo)致活載效應(yīng)遠(yuǎn)超原設(shè)計值，使得橋梁脫離彈性工作區(qū)域，進入塑性發(fā)展區(qū)域，產(chǎn)生損傷或者倒塌。

橋梁結(jié)構(gòu)承載性能提升加固流程為，以預(yù)期加固目標(biāo)評價結(jié)構(gòu)在強度、穩(wěn)定性等方面滿足現(xiàn)有交通荷載的要求，并且能夠適應(yīng)交通荷載的進一步發(fā)展為目標(biāo)，比選各種加固措施，提高橋梁結(jié)構(gòu)加固后承載能力。橋梁加固后，有缺陷的主要承重構(gòu)件得到了補強，橋梁損傷和病害得到了改善或消除，橋梁的整體性能得以提高，結(jié)構(gòu)承載能力也會有大幅度的提高。因此，在橋梁加固后對結(jié)構(gòu)的真實承載能力進行評定至關(guān)重要。

結(jié)構(gòu)理論分析計算是目前橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評價中廣泛采用的方法，本文暫以理論計算值對承載性能進行評價。此方法首先對加固后的橋梁結(jié)構(gòu)進行全面詳細(xì)檢查，然后將檢查所得的有關(guān)資料、數(shù)據(jù)和檢驗測量結(jié)果，依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)理論、工程力學(xué)及大量試驗數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)進行分析計算，從而評定橋梁結(jié)構(gòu)的真實承載能力。技術(shù)依據(jù)為現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計規(guī)范及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）、《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》等標(biāo)準(zhǔn)［5，6］。

根據(jù)綜合評定方法，制定三項基于結(jié)構(gòu)理論分析的承載性能指標(biāo)：承載能力安全程度、活載評定系數(shù)以及承載能力加固效率，計算方法詳述如下。

承載能力安全程度

活載評定系數(shù)

承載能力加固效率

式中：KR為承載能力符合率，加固需滿足KR≥1.0；RF為活載評定系數(shù)，RF≥1.0表明橋梁結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)當(dāng)前的荷載狀況，RF＜1.0則代表橋梁結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)當(dāng)前交通流量下的荷載狀況；ER為承載能力提高率；RN為加固后橋梁承載能力，按《橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22—2008）執(zhí)行；S為承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的效應(yīng)組合設(shè)計值，根據(jù)荷載環(huán)境調(diào)查及分析得出，需考慮交通長期增長等因素；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對應(yīng)于設(shè)計安全等級分別取1.1、1.0、0.9；γm為抗力分項系數(shù)，取1.05；γG為恒載分項系數(shù)，取1.4；γQ為活載分項系數(shù)，取1.25；SGk為恒載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；SQk為活載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；R0為加固前橋梁承載能力，需考慮舊橋檢算系數(shù)、材料惡化系數(shù)以及截面損傷，按《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》執(zhí)行；μ為沖擊系數(shù)。

以上三項指標(biāo)中，活載評定系數(shù)是對承載能力安全程度的一種補充指標(biāo)，用于評價荷載等級提升對安全程度的影響程度。

2　實橋加固后承載性能評價實例

通過一座橋梁的加固實例，對比橋梁加固前后的承載性能變化，并通過文中建立的承載性能評價指標(biāo)對該實例進行評價。實例中通過對橋梁病害的介紹和加固方法的選取，詳細(xì)介紹了橋梁加固方案的設(shè)計思路，并展示了加固前后承載性能的驗算評價流程，最后通過文中建立的承載性能評價指標(biāo)對加固后的橋梁性能進行評價。

2.1工程概況

某高速公路橋梁為16 m的鋼筋混凝土簡支T梁，于1996年10月竣工，至本次加固前已運營13 a。加固前，鋼筋混凝土T梁存在的主要病害為：T梁跨中附近存在腹板豎向裂縫及U形裂縫；T梁支座附近至1/4跨徑附近存在開裂；T梁橫隔板存在開裂、破損現(xiàn)象；T梁翼緣板間的濕接縫存在開裂，有的伴有滲水結(jié)晶；普通RCT梁雖然可以帶裂縫工作，但部分裂縫寬度已超限，存在中心軸上移現(xiàn)象。

2.2加固前的結(jié)構(gòu)計算及病害成因分析

將原結(jié)構(gòu)按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG/D 62—2004），下稱“04規(guī)范”）［7］進行復(fù)算，結(jié)果表明，該段橋梁邊梁與中梁承載能力、正常使用裂縫寬度、活載撓度等均能滿足規(guī)范要求。

計算參數(shù)：主梁采用強度等級C30混凝土，軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fck=23.4 MPa，軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.20 MPa，彈性模量Eh=3.0×104MPa；普通鋼筋采用R235級鋼筋（替代Ⅰ級鋼筋）、HRB335級鋼筋（代替Ⅱ級鋼筋）兩種，抗拉設(shè)計強度分別為235 MPa、335 MPa，彈性模量分別為2.1×105MPa、2.0×105MPa。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

計算結(jié)果：采用橋梁結(jié)構(gòu)分析程序“橋梁博士”進行全橋整體計算分析，計算結(jié)果見表1，計算表明16 m T梁中梁和邊梁抗彎承載能力滿足“04規(guī)范”的要求。

表1　“04規(guī)范”原結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

目前該橋大部分T梁均帶裂縫工作。通過計算分析，梁底出現(xiàn)裂縫的原因可能是：首先，梁體混凝土收縮使梁體局部產(chǎn)生細(xì)小裂縫；其次，當(dāng)結(jié)構(gòu)開裂后，這些裂縫容易引起鋼筋銹蝕，結(jié)構(gòu)的承載能力下降，裂縫繼續(xù)發(fā)展形成U形裂縫，這種惡性循環(huán)使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫不斷發(fā)生擴展；再者，結(jié)構(gòu)開裂及鋼筋銹蝕會導(dǎo)致截面有效高度減小，截面抗力降低，加上長期的超載作用，使得腹板出現(xiàn)斜向裂縫。

2.3加固方案選取

對舊橋結(jié)構(gòu)加固主要是根據(jù)橋梁在正常使用過程中的力學(xué)性能而展開的，結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶裂縫的工作狀態(tài)將“削弱”其使用效能，加固措施的首要任務(wù)是在恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)使用功能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的可靠度與耐久性。因此，加固的目標(biāo)一般是維持原荷載標(biāo)準(zhǔn)，并按“新橋規(guī)”計算加固后極限承載力。

總體原則：16 m T梁按設(shè)計檢驗結(jié)果，跨中承載力滿足規(guī)范要求，建議采用粘貼碳纖維布；邊梁安全富余量不足，建議采用粘貼鋼板條的方式進行處理，同時應(yīng)結(jié)合擴建拼接。

2.4加固效果評價

（1）加固后的結(jié)構(gòu)計算。對梁體采用鋼板加固的承載能力，按《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB 50367—2006）［8］進行計算。T梁的設(shè)計內(nèi)力按“04規(guī)范”進行計算，以驗算T梁加固后在新規(guī)范下的承載能力。其截面加固計算結(jié)果見表2。從計算結(jié)果可以看出，T梁加固后承載能力滿足“04規(guī)范”的要求。

表2　T梁加固承載能力評定

（2）人工巡查和定期檢查結(jié)果。檢查結(jié)果表明，采用粘貼鋼板條和碳纖維布加固的結(jié)構(gòu)部位，加固效果良好，未見裂縫繼續(xù)發(fā)展和新增裂縫產(chǎn)生。

2.5加固后的承載性能指標(biāo)驗算

為評定橋梁結(jié)構(gòu)的真實承載性能，通過文中建立的用于結(jié)構(gòu)理論分析的承載性能指標(biāo)對該加固橋梁進行驗算，計算見表3。

表3　承載性能指標(biāo)計算

通過以上三個性能指標(biāo)可以得到橋梁加固后的性能提升：

（1）由承載能力安全程度KR=1.303可知，在承載能力極限狀態(tài)的基本組合作用下，加固后的結(jié)構(gòu)尚有超過30%的承載能力富余量，說明結(jié)構(gòu)通過加固可以滿足當(dāng)前荷載狀態(tài)下的使用要求。

（2）承載能力提高率則從另外的方面更為直觀地印證了基于承載能力提高的加固效果，ER= 0.028 3，近于3%的承載能力提高率對于橋梁承載能力來說已經(jīng)是較為明顯的提高。

（3）活載評定系數(shù)通過承載力冗余與活載效應(yīng)之比較為直觀地表示出對于活載的橋梁承載能力富余量，由RF=1.26（相較于1.0存在26%富余度）可知，加固后橋梁結(jié)構(gòu)對于當(dāng)前荷載狀況的適用性較好。

3　結(jié)語

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的深入，檢測與養(yǎng)護逐漸成為橋梁工程領(lǐng)域的重心，雖然積累了較多的實踐經(jīng)驗，但尚缺少對加固措施進行客觀評判的完善工具，本文對傳統(tǒng)的安全程度指標(biāo)進行分析，對評價方法嘗試性地添加了加固效率指標(biāo)，該指標(biāo)通過計入舊橋“加固起始水平”，一方面直接反映了橋梁對不同加固措施的“敏感性”，便于加固前方案的制定與比選；另一方面通過表征加固措施的效能，便于經(jīng)驗積累，以指導(dǎo)后續(xù)加固實施。

依據(jù)兩大評價指標(biāo)，本文對承載性能關(guān)鍵問題進行分析，細(xì)化了承載能力安全程度、活載評定系數(shù)以及承載能力加固效率三項指標(biāo)，并通過算例驗證了三項指標(biāo)的科學(xué)性和合理性，對于其他同類工程具有參考借鑒意義。

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U445.7+2

B

1009-7716（2016）07-0163-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.047

2016-02-26

魏漢鋒（1985-），男，廣東人，工程師，從事路橋工程設(shè)計工作。