既有桥梁结构承载力评估
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中图分类号：U445文献标识码： A 文章编号：
§1.1概述
大量的公路桥梁在建成投入使用后，由于车辆荷载的作用，自然环境的侵蚀一级结构材料的老化等原因，会出现不同程度的损伤，进而导致其承载能力的下降。为了确保桥梁的运营安全，需要对桥梁进行经常性的检测、维护、养护，必要时要需要作加固处理，用可靠的方法鉴定其承载能力。
随着公路交通的迅速发展，车辆密度增加，吨位增大，对过去修建的大量桥梁如何有效而又方便，可靠的进行检测，评定其承载能力等问题摆在公路管理部门和公路桥梁工程师面前，也成为当今世界上大多数国家公路部门普遍引起重视的一大问题。
当前路网交通量激增与桥梁结构日趋老化的矛盾逐渐突显。同时今年来由于施工质量问题引起的多起重大事故也引起了世人对结构安全性的重视。如何在经济与技术许可的情况下确切了解桥梁的承载能力已成为桥梁安全性与耐久性研究的热点。
当结构设计强度小于实际所需强度，设计极限变形小于使用荷载引起的变形，以及设计的最高应力低于实际的应力水平时，结构的安全性与耐久性就存在问题。导致桥梁结构安全度不足的因素有很多，归纳起来主要有以下几方面：
结构设计与施工中人为的错误；
由于结构的老化，损伤以及铺装层维修引起的活载承载能力的下降；
结构承载极端荷载作用下（如地震、洪水、风暴等）发生累积损伤；
特种超重车辆通过以及当前使用荷载高于设计标准；
结构在使用荷载下稳定性盐酸不过关；
结构局部发生过度的塑形变形或破坏；
依据已遭淘汰的设计标准设计，但在新规范中结构的抗力明显不足；
基础沉降以及构件之间的连接条件发生改变。
如果对这些不利因素没有引起足够的重视，轻则降低桥梁的适用性，缩短结构的使用年限，重则导致桥梁的崩塌，酿成重大事故。因而针对上述情况，在现场检测，试验的基础上进行既有承载能力的评估是十分必要的。
§2.1实际桥梁的承载力与评估方法简介
§2.1.1国内规范方法
在通常情况下，按规范设计，施工的桥梁结构，由于在材料，荷载，使用条件等方面考虑了一定的安全系数，或由于材料强度的提高，结构整体工作性能的改善，使结构安全度比较大。故对完好的桥梁结构其实际的承载能力通常要比设计承载能力高。另一方面，桥梁在使用过程中，由于设计或施工中遗留下来的隐患以及自然环境（风、水）等不利因素的侵蚀破坏，材料的老化，造成结构不同程度的损伤，严重的导致桥梁承载能力下降，达不到原设计荷载标准。为了能恰当的表述桥梁由于客观原因而造成的承载能力的变化，由对桥梁的定性分析引入到定量的分析上来，在1988年颁布的中华人民共和国交通部标准《公路旧桥承载能力鉴定方法》中把这些影响组合用旧桥检算系数Z1表示。
在没有很好的可供评估各种桥梁承载力的规程和标准的情况下，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-04）的规定，荷载效应不利组合的设计值小于或等于结构抗力效应设计值的方程式可以表示为
Sd(rg •G;rq•ΣQ) ≤rb•Rd(Rc/rc;Rs/rs) •(Z1或Z2)(1-1)
其中：Sd——荷载效应系数；
G ——永久荷载（结构荷载）；
rg——永久荷载的安全系数；
Q——可变荷载及永久荷载中混凝土收缩，徐变影响力，基础变位影响力；
rq——荷载Q的安全系数；
Rd——结构的抗力效应函数；
rb——结构工作条件系数；
Rc——混凝土强度设计采用值；
rc——混凝土强度设计采用值基础上的混凝土安全系数；
Rs——预应力钢筋或非预应力钢筋强度设计采用值；
rs——预应力钢筋或非预应力钢筋强度设计采用值基础上的钢筋安全系数；
Z1、Z2——旧桥验算系数；Z2为经过荷载试验的旧桥验算系数。
上式中Z1的数值取决于桥梁的实际状况（混凝土质量、裂缝宽度，结构损伤及营运情况等）。这就使得承载能力的评估与桥梁的状态建立起一定的联系。不过应当看到，尽管裂缝宽度、混凝土质量以及结构损伤等指标可以做到定量评定，但Z1的取值在一定程度上还得依赖于评估工程师的经验和判断。
《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》规定可考虑采用荷载试验来进行承载能力的验算。具体做法是将通过荷载试验获得的结构效验系数η换算为旧桥验算系数Z2（效验系数η为实测变形值与相应理论值之比。该系数是评定结构工作状况，确定桥梁承载能力的一个重要指标，η值过大和过小都应从多方面分析原因）。然而由于试验（尤其是破坏试验）资料有限以及桥梁形式较多，这种旧桥验算系数的取法也是相当粗糙的。
以上的这种结构承载能力评估时基于设计规范，工程判断和若干桥梁试验的结果之上的。尽管评估算式中采用了极限状态设计的形式，但其分析安全系数是按定值校准选择的，而不是根据统计数据，结果可靠性分析和概率校准得到的。因此，桥梁承载能力难以用统一的安全指标加以评估。
§2.1.2桥梁承载能力评估的理论剖析
桥梁结构各截面上的抗力和荷载效应构成了桥梁承载能力评估的两大基本要素。由此而需要确切的知道：①结构的评估荷载等级（包括实际的恒载、活载）；②荷载在结构中引起的反应（结构的荷载效应）；③结构真实的刚度与强度（结构抗力）等三方面的内容。
为此还涉及到分项系数的取值，评估过程采用的分析方法，评估水准以及评估依据的准则等问题。
评估的水准
在评估过程中，许多信息来源于实测，比起设计结算来说要精确的多。同事，评估过程可以采用经过计算修正的计算模型，在分析结果上更接近于实际。然而，也应当看到，评估过程的许多因素仍是不确定的，因此评估工作同样不可能是完全精确的，桥梁承载能力评估只能着眼于一定置信度，从经济实用的角度来看，评估的工作越简单越好。当桥梁的承载能力能够通过一种可靠的粗略估计证明是足够时，就没有必要寻求进一步的细致分析结果。只能当桥梁的安全性在这种评估中得不到可靠的证明以及桥梁健康监测系统发现大的和可以的结构损伤时，细致的评估工作才是必要的。因此桥梁承载能力评估的水准可大致分为三类：
对于中小跨径桥梁的粗略评估，可根据标准荷载试验下结构的跨中挠度，最大裂缝宽度等指标参照相应规范进行评估；
对于大中桥梁的常规评估，可基于修正后的结构参数，结合比较精细的有限元分析和现行的设计规范进行评定；
只有再细致深入的大桥评估中，才有必要基于修正后的结构参数以及逐级加载的应力应变信息，结合结构几何、材料非线性分析进行结构极限承载能力分析。
结构的恒载
结构恒载的取值来源于材料密度、构件界面尺寸、以及非结构构件的布设。由于这些量在桥梁的使用过程中变异性相对较小。在评估过程中，对此进行细致的测量往往是没有必要的。结构恒载的取值可以沿用设计值。应当注意的是如果桥梁有维修、加固的历史，则需要掌握有关构件截面尺寸以及非结构构件的变化信息，并反应在恒载的取值上。
§3.1结论
钢筋混凝土梁板桥是国内外使用最广泛的一种桥梁形式，其主要应用于中小跨径的公路、铁路或城市桥梁。由于桥梁在国民生产和人民生活中的重要地位，决定了其承载安全性能的重要性。但是，桥梁由于各种外界环境因素的作用于其上，产生了一定的病害，其承载能力有了一定的降低，是否仍能安全承受荷载，是人们的关注所在。
本文根据对资料的统计得出桥梁的病害形态主要有裂缝、断面减小、混凝土的腐蚀和钢材的腐蚀四类，它们主要是有外部荷载，环境因素以及材料本身性能决定的。
通过对桥梁承载能力评估的理论剖析，可以看到评估阶段与设计结算的结构承载力的校核有着十分相似的地方。但两者无论在荷载数值、材料强度、各阶段安全系数的确定还是结构分析方法上均存在着差异。前者信息来源于设计图纸、设计规范，后者则很大程度上来自实桥测量、同类结构的统计信息以及桥梁过去在养护维修加固等方面的资料。在分析方法上，前者通常基于简化的偏于保守的计算图式，后者则有可能折参数识别的效果采用比较符合实际的计算模型。现行的设计规范为桥梁承载能力评估通过了定量的指导，但针对旧桥评估的特点还应做适当的修正。