基于结构检算方法的梁式桥梁结构快速安全性综合评估系统

朱金华，艾 军，蔡晨宁，于超凡

（南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016）

基于结构检算方法的梁式桥梁结构快速安全性综合评估系统

朱金华，艾 军，蔡晨宁，于超凡

（南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016）

针对传统桥梁结构承载能力评估存在的不足，建立了梁式桥梁结构安全性的快速综合评估方法。首先，以基于规范理论的桥梁结构检算方法为核心，采用模拟车辆系统替代静载试验，建立现役桥梁结构的承载力和刚度计算系统。其次，使用现场调查、检测手段获取结构承载现状的技术状况信息，确定各计算系统中的技术参数，形成符合桥梁结构实际承载状况的分析检算系统。最后，将分析检算系统和承载力、刚度计算系统相结合，计算得到一系列反映桥梁结构现有承载力和刚度的评估参数，从而实现桥梁结构承载能力的快速评估。通过与实桥荷载试验数据的对比分析表明，采用该方法计算得到的实桥挠度较实测值偏大，偏于保守，并且两者具有相同的趋势，验证了该评估方法的安全性和可靠性。同时，以某现役预应力简支空心板桥为例，实现了该桥的安全性综合评估，结果表明该桥的现有承载力和刚度较设计时折损较少，仍然满足现有承载能力大于设计荷载效应的要求，满足安全运营的需求。

检算方法；评估参数；安全性综合评估；承载能力；刚度

0 引言

桥梁结构在服役过程中，因受环境侵蚀、材料老化、各种荷载的长期效应、疲劳效应和突变效应等灾害因素的共同作用，甚至正常环境的作用，都将不可避免地出现损伤积累、抗力衰减和实际承载力降低等现象。特别是20世纪60、70年代建造的桥梁，已经运营40～50年，各种影响因素的共同作用已使其结构的安全性、适用性以及耐久性降低，桥梁的承载力下降，为此对其现有承载力进行评估显得尤为重要。

自20世纪80年代以来，美国、日本等发达国家对桥梁结构的安全性评估日益重视。美国、英国和加拿大先后颁布了基于极限状态原理和设计规范的桥梁评估标准或规定[1-3]。一些专家学者也对此开展了不同程度的研究，如1994年J.de Brito等[4]针对混凝土梁桥开发了桥梁管理专家系统；Furuta[5]采用遗传算法和神经网络相结合的方法开发了桥梁损伤模糊评价专家系统。

国内桥梁管理系统的研究始于20世纪80年代中期。由于桥梁发展情况的不同，我国各个省市桥梁管理养护部门往往根据自身的需求开发出相应的桥梁养护管理系统，比如四川省桥梁数据库系统、广东省桥梁管理系统和北京市桥梁管理系统[6]。此外，一些学者也从不同角度采用不同方法对桥梁安全评估开展了研究，如王永平等[7]采用模糊数学原理，建立了桥梁使用性能的模糊综合评价体系和桥梁评价的专家系统；陆亚兴等[8]根据桥梁结构的特点及缺损状况指数BCI，建立了BCI计算模型；季征宇等[9]采用层次分析法、模糊数学理论和人工神经网络方法对斜拉桥的安全性和耐久性进行了深入研究。

现有桥梁结构的评估方法众多，大致可分为以桥梁承载力评估为主的方法和以桥梁状态评估为主的综合评估方法[10]。桥梁结构状态评估主要是针对大型桥梁结构建立的评估系统，而中小型梁式桥梁结构多采用承载能力评估方法。承载能力评估方法主要包括经验系数法、基于设计规范的方法、基于可靠度理论的方法和基于荷载试验的方法。其中经验系数法的评估结论通常带有较大的主观性[10]；基于可靠度理论的方法难以确定结构的系统失效模式和反映损伤程度的抗力模型[11]；基于荷载试验的方法则在试验过程中需要封闭交通，耗资大、成本高[12]。

本文将基于设计规范的承载力评估方法，依靠现场外观调查数据，结合计算机有限元分析方法，建立现役桥梁的安全性综合评估系统，并与荷载试验实测结果对比分析，验证该方法的正确性和适用性。最后以某在役预应力简支空心板桥为例，对其现有承载力和正常使用状态的控制指标进行评估，判断该桥结构现有状态是否满足承载能力和正常使用的要求。该系统通过桥梁结构技术状况的快速检测和评估，旨在了解桥梁的实际状态和实际承载力，为桥梁管理、维护和加固提供科学、可靠的决策依据，使桥梁的技术改造决策更加科学化，使技术改造方案的设计和制订更加经济、合理，从而保证桥梁的安全使用和交通运输的畅通。

1 技术参数的确定

如前所述，桥梁结构在运营过程中，因受各种环境因素的影响，其承载力和耐久性必然会不断下降。分析检算模型利用桥梁结构调查和现场检测的技术手段（无损检测手段和方法），并参考相关理论和试验研究成果，给出了综合评估模型中技术参数的计算及修正方法，从而获得桥梁的现状参数。

1.1 材料修正

钢筋混凝土结构的性能主要依赖于混凝土和钢筋两种材料的性能，而这两种材料在使用多年以后，其力学性能因受各种因素的影响必将发生不同程度的变化。为正确评估桥梁结构的现有状态，准确把握两种材料力学性能的变化至关重要。根据相关文献[13]的试验数据分析，对于不同的受力钢筋，给出其锈蚀后实际可利用屈服强度和未锈蚀钢筋屈服强度之间的关系，如表1所示；对于混凝土材料，则通过回弹法直接获取其现有实际强度。

表1 钢筋强度与锈蚀率的关系

表1中，fsd,t和fsvd,t分别为锈蚀后纵筋和箍筋抗拉屈服强度；fsd和fsvd分别为为未锈蚀纵筋和箍筋的抗拉强度设计值；ζs和ζsv分别为抗弯、抗剪钢筋强度修正系数；δs和δsv分别为抗弯、抗剪钢筋锈蚀率。

1.2 几何尺寸修正

混凝土结构截面几何尺寸修正系数是对混凝土使用多年后结构局部截面尺寸由于受各种因素影响而减小或破损的修正，主要考虑受压区混凝土由于碳化、钢筋锈蚀导致截面开裂等对几何尺寸损伤的影响。采用如下公式计算：

式（1）、式（2）中：ht和bt分别为截面损伤后的高度和宽度；h和b分别为原截面的高度和宽度；c1,c2和c3分别为截面高度和两个宽度方向混凝土保护层厚度；α为对应于保护层的几何损伤系数，其值和纵向裂缝宽度有关[14]。

钢筋面积的修正主要考虑锈蚀导致钢筋截面面积减小。锈蚀后的钢筋面积可以表示为：

1.3 协同工作

钢筋锈蚀不仅会引起钢筋本身强度的降低和截面面积的变化，也会导致钢筋与混凝土之间的黏结力下降，从而影响钢筋与混凝土的协同工作能力，致使桥梁结构的承载能力降低。钢筋锈蚀对钢筋和混凝土共同工作的影响机理比较复杂，本文通过协同工作系数来反映钢筋与混凝土的协同工作程度。根据相关文献[15-16]，给出钢筋与混凝土协同工作系数表达式：

式（5）中：ksci为第i根钢筋的协同工作系数；w为钢筋锈蚀裂缝宽度；wa为黏结力开始退化时，钢筋锈蚀裂缝宽度，取0.25mm；wb为黏结力完全丧失时，钢筋锈蚀裂缝宽度，其中光圆钢筋取2.5mm，变形钢筋取3.5mm；ksci,min为第i根钢筋的协同工作系数最小值。

1.4 结构刚度修正

桥梁结构在运营过程中，其抗弯刚度受许多因素的影响，如：结构实际截面尺寸、截面所承担弯矩、钢筋和混凝土弹性模量、钢筋锈蚀率及钢筋锈蚀导致的黏结力下降、混凝土的抗拉强度、结构混凝土损伤（混凝土开裂、表面脱落等）[17-20]。

在桥梁结构刚度计算中，对损伤导致混凝土截面尺寸的变化以及锈蚀导致钢筋面积的变化可以通过几何尺寸修正系数予以计算，而对钢筋锈蚀使混凝土与钢筋协同工作程度降低导致桥梁结构刚度的下降，则通过结构刚度修正系数来计算，其表达式[21]为：

式（6）、式（7）中：Bt为结构现有实际刚度；ζB为等效刚度修正系数；Bs,t为结构损伤后的实际等效截面刚度；δs为钢筋锈蚀截面损失率；Ms为控制截面计算弯矩；Mcr为控制截面开裂弯矩。

2 安全性综合评估系统的构建

基于以上基本理论，通过收集桥梁结构的多种信息和资料，采用无损检测手段，可得到反映桥梁现状的一系列参数，然后使用VB.Net和Matlab汇编语言开发安全性综合评估软件。VB.net主要用于用户界面开发和桥梁结构的承载力及刚度计算。利用Matlab语言编写的基于梁格法理论的有限元分析程序，可用于模拟荷载试验，求解结构在荷载作用下的作用效应。本文开发的混凝土梁桥安全性综合评估软件，其程序运行流程如图1所示。

图1 桥梁安全性综合评估软件运行流程图

2.1 承载力计算

考虑现役桥梁结构在运营过程中出现的各种损伤对结构承载力的影响，依据结构设计原理[21-23]，建立现役桥梁结构承载力计算公式：

式（8）中：γ0为结构重要性系数；St为现役桥梁结构在荷载作用下的作用效应组合设计值；Rt为现役桥梁结构的承载能力；γG为永久作用分项系数；Gk为永久作用标准值；γQ为可变作用分项系数；Qk为可变作用标准值。其他变量定义同前。

现役桥梁结构作用效应组合设计值St与所施加外荷载和桥梁结构现有实际刚度有关，通过基于梁格法编制的Matlab后台程序可计算出控制截面组合内力和挠度的最大值。现役桥梁结构的承载能力Rt是结构混凝土的实际强度、桥梁结构的实际几何尺寸、钢筋实际可利用强度以及钢筋实际可利用的等效面积的函数。相较于桥梁结构设计时的承载能力，根据混凝土强度时变修正系数、钢筋强度修正系数、混凝土截面几何尺寸修正系数以及钢筋截面面积修正系数的技术参数可计算出桥梁现有承载力。

2.2 刚度计算

考虑混凝土损伤导致的结构尺寸变化和钢筋锈蚀导致的钢筋可利用面积的变化对结构刚度的影响，以《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》所依据的钢筋混凝土结构计算理论为基础，建立现役桥梁刚度计算公式[20，24-25]。

式（9）、式（10）中：Bt为考虑各种影响因素的现役桥梁实际刚度；ξB为等效刚度修正系数，考虑了钢筋锈蚀导致钢筋与混凝土黏结作用下降而造成的刚度降低等因素的影响；Bs,t为结构损伤后的现有实际等效截面刚度，它是混凝土构件开裂弯矩Mcr、实际承受弯矩Ms、全截面抗弯刚度B0以及开裂截面现有实际截面刚度Bcr,t的函数；Bcr,t为开裂截面的现有实际截面刚度，不仅要考虑混凝土开裂状况，还要考虑截面损伤、剥落、钢筋锈蚀导致的截面尺寸修正，其计算公式为Bcr,t=Ec,tIcr,t，其中Ec,t和Icr,t分别为开裂截面现有实际弹性模量和抗弯惯性矩。

2.3 安全性综合评估

根据承载力和刚度计算结果，利用编制的有限元程序可计算得到桥梁结构在车辆荷载作用下控制截面的内力，然后根据安全性综合评估系数和评估标准给出评估结论和有关桥梁结构的处置意见。

评估系数主要包括以下7个：

①抗弯承载力评估系数RFM：桥梁结构的控制截面抗弯承载力与在设计荷载作用下其截面弯矩之比；

②抗剪承载力评估系数RFV：桥梁结构的控制截面抗剪承载力与在设计荷载作用下其截面剪力之比；

③挠度增大系数ζft：桥梁结构在设计荷载作用下控制截面的挠度与规范规定的挠度限值之比；

④裂缝宽度系数ζwt：桥梁结构控制截面主要实测裂缝宽度与规范规定裂缝宽度限值之比；

⑤抗弯承载力折减系数ζM：桥梁结构现有抗弯承载力与设计抗弯承载力之比；

⑥抗剪承载力折减系数ζV：桥梁结构现有抗剪承载力与设计抗剪承载力之比；

⑦刚度折减系数ζBt：桥梁结构现有抗弯刚度与设计抗弯刚度之比。

以上各参数从不同角度反映了桥梁结构的实际状态。根据这些参数可对桥梁结构承载状况作出合理、有效的评估[26-29]。评估标准如表2所示。

表2 桥梁结构安全性综合评估结论参考表

3 大干渠桥安全性综合评估

大干渠桥是丁睢公路至宿邳、宿新公路宿迁市连接线的一座中桥，为简支板桥。跨径布置为20m×5，20m梁采用预应力混凝土空心板结构，每跨由12片板组成，其中梁构造如图2所示。单幅桥面总宽12.75m，行车道宽11.25m。设计荷载为汽—20，挂—100，线路等级一级。

图2 主梁一般构造图（单位：cm）

3.1 大干渠桥现场检测

通过外观检测和各种无损检测手段获取的桥梁现状信息主要包括：桥梁结构裂缝状况、结构截面尺寸变化量和保护层厚度变化量、由于碳化和长时间服役等造成的混凝土强度变化量、主要受力钢筋的修饰率、混凝土的碳化深度。

检测结果表明，大干渠桥伸缩缝堵塞并发生锈蚀现象，桥台盖梁出现一定程度的破损且梁底混凝土局部剥落，但主梁未发现明显裂缝。由于大干渠桥为简支梁桥，选取其跨中截面为控制截面。现场检查结果如表3所示。

表3 大干渠桥跨中截面现场检测结果

3.2 大干渠桥状态评估

根据以上无损检测结果和大干渠桥的相关设计资料，对其进行安全性综合评估，并与静载试验结果[30]对比分析，验证本评估方法的正确性。

为考证边梁和中梁跨中截面的承载能力，分别设置两者截面的最不利车辆加载工况，记为Ⅰ-3和Ⅱ-3，如图3所示。

图3 静载试验加载工况（单位：cm）

由静载试验、桥梁安全性综合评估软件得到两工况下各主梁的跨中挠度如图4所示。由该图可知，在车辆荷载作用下，尽管大干渠桥各主梁跨中挠度的理论计算值与荷载试验值存在偏差，但其总体趋势保持一致，表明安全性综合评估软件计算所得结果偏保守，具备一定的可靠性。本文认为产生这种偏差的主要原因有：

①安全性综合评估软件在计算过程中，未考虑桥面铺装、钢筋混凝土护栏等附件对桥梁结构整体工作性能的贡献；

②大干渠桥为预应力钢筋混凝土梁桥，但在理论计算过程中，未考虑预应力效应对桥梁结构刚度的提高，即忽略了应力刚化的影响；

③实际桥梁在工作过程中，两片主梁之间的工作状态处于铰接和刚接之间的，本评估方法分析过程中将其统一简化为铰接。

图4 各工况主梁跨中挠度

通过荷载试验以及评估方法模拟分析可得中梁和边梁跨中控制截面应变和挠度，如表4所示。

表4 跨中截面实测值与理论值对比

由表4可知，工况Ⅰ-3、Ⅱ-3荷载作用下跨中截面的应变校验系数和挠度校验系数均小于1，表明桥梁结构具有较高的安全储备，各片板的刚度良好，能满足正常使用要求。

基于修正系数法的大干渠桥安全性综合评估结果如表5所示。

表5 控制截面评估系数

从表5可以看出，边梁和中梁的抗弯和抗剪评估系数均大于1，表明大干渠桥的现有承载能力大于其在设计荷载作用下的荷载效应，满足桥梁结构承载能力极限状态的要求。挠度增大系数约为0.3，表明大干渠桥设计荷载作用下的跨中挠度小于挠度限值，整体工作性能满足正常使用极限状态的要求。抗弯承载力折减系数、抗剪承载力折减系数以及刚度折减系数均大于0.96，表明其承载能力和刚度均折减较小，桥梁的损伤程度较小，能够满足安全运营的要求。综合考虑，认为大干渠桥的现有状态满足规范要求，可以继续使用。

4 结论与展望

本文开展了针对桥梁安全性评估理论和方法的研究，并对某现役简支空心板桥的安全性进行了综合评估，得出以下结论。

（1）采用修正系数可反映桥梁结构运营过程中各损伤对其承载能力和刚度的影响，如钢筋锈蚀对钢筋强度、截面面积及钢筋和混凝土黏结性能的影响；采用一系列评估系数可反映桥梁结构的现役状态，并以此评估其安全性和耐久性，包括承载能力评估系数、承载能力折减系数、刚度折减系数、裂缝发展系数以及挠度增大系数。

（2）建立了一套实用的梁式桥梁结构快速检测与安全性评估方法，主要用于梁式桥梁结构的安全性综合评估及病害桥梁的安全性鉴定。该评估方法可以部分替代费时费工、耗资较大的桥梁现场静载试验。

（3）基于大干渠桥荷载试验中中梁和边梁的两个控制工况，采用安全性综合评估系统计算了各片主梁的跨中挠度，并与荷载试验实测数据进行了对比分析。结果表明，本文提出的计算模型合理，能够较好地反映桥梁的实际工作状态。

（4）通过无损检测手段获取大干渠桥的现状参数，并利用本文评估方法对该桥的安全性进行了评估。结果表明：大干渠桥的运营状况优于理论状况，具有较高的安全储备；其抗弯和抗剪承载能力大于设计荷载作用效应组合值，且承载能力和刚度相较于设计时损伤程度较小，满足安全运营的需求。这同时表明该安全性综合评估系统安全、可靠、高效。

截至目前，针对梁式桥梁结构的快速安全评估系统已经实现，但整体来看仍存在一些问题，主要包括以下两方面。

（1）影响桥梁结构现有状态的因素较多，本文仅对其中几个重要的方面进行了研究，而未针对预应力钢筋的预应力损失、预应力钢筋的锈蚀和桥梁结构交通量进行修正，这需要在下一步研究中进行更加全面、深入的探讨。

（2）关于桥梁结构安全性综合评估结论参考表的划分不够详细，仅作参考，在实际应用中可根据所得各评估系数进行综合判断，并得出相应合理的评估结论，而相关评估准则的规范化和细化也将在今后工作中完成。

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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

江苏省宿迁市交通科学研究项目（SQJTKY2012-09）

朱金华（1991—），男，湖南怀化人，硕士研究生，研究方向为桥梁结构状态评估与加固技术。E-mail：zhujinhua_work@163.com。