新旧桥梁承载能力评定对比研究

向绿林，沈晴晴，谢 岚，刘 剑

（1.福建林业职业技术学院，福建南平 353000；2.中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南长沙 410004；3.广州市市政工程设计研究总院，广东广州 510000）

新旧桥梁承载能力评定对比研究

向绿林1，沈晴晴2，谢 岚2，刘 剑3

（1.福建林业职业技术学院，福建南平 353000；2.中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南长沙 410004；3.广州市市政工程设计研究总院，广东广州 510000）

基于36座新建桥梁及26座既有旧桥静、动载试验，将其在荷载作用下挠度、应变及振动频率的现场实际值与有限元计算理论值进行对比分析，获取了新旧桥梁的挠度、应变及频率的检验系数，并在此基础上获取了新旧桥梁的承载能力对比情况。结果表明，既有旧桥承载能力下降明显。这将为类似桥梁检测及承载能力评估提供参考。

桥梁检测；承载能力；动静荷载

0 引言

随着国家经济的快速发展，对交通的要求日趋提高，而桥梁往往是保障道路畅通的关键，因此确保桥梁安全可靠一直是桥梁建设者关注的焦点。通过动、静荷载试验测得桥梁的应变、挠度、振动频率等参数是评定桥梁承载能力最直观有效的措施。

然而由于荷载的持续作用，结构的老化，混凝土材料的收缩徐变、钢材的锈蚀、环境的不利影响以及养护的不到位等原因，桥梁不可避免的会出现不同程度的缺损，导致桥梁承载能力的不断下降［1］。

本研究在对36座新建桥梁及26座旧有桥梁进行检测的基础上，分别对两类桥梁承载能力进行统计分析，通过对比研究，确定两类桥梁检测时的区别点及旧有桥梁承载能力下降程度。

1 新建桥梁检测

桥梁检测分为静荷载和动荷载两部分，分别反映桥梁的强度和刚度情况，静载部分主要测量桥梁在静荷载作用下的挠度和应变，动载部分主要测量桥梁在动荷载作用下的振动频率。

桥梁静载试验，是检验桥梁性能及工作状态最直接也是最有效的方法，以桥梁结构实际工作状态与设计期望值是否相符，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力［2］。由于车辆的冲击作用，桥梁在实际运营阶段受到的是车辆的动荷载，因此桥梁的动荷载检测越来越受到大家的信赖。目前，桥梁动荷载检测主要是对桥梁低阶振动频率进行检测，将桥梁在车辆跑动作用下的实际振动频率跟理论频率进行对比，以确定桥梁的承载能力是否达到要求。

1.1 新桥静载试验

静载试验包括挠度和应变测试两部分，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，静载试验荷载一方面应保证结构的安全性，另一方面又应能充分暴露结构承载能力，一般静载试验效率系数满足如式（1）所示，静力试验荷载的加载分级，主要依据试验加载车在某一检验项目（内力或位移）影响面内纵横向位置的不同以及加载重量而分成设计控制荷载产生的该检验项目最不利效应值的50%、80%和100%［3］。

式中：ηq表示静力试验荷载效率；Ss表示试验荷载作用下某一检验项目最大计算效应值；S′设计控制荷载作用下该检验项目的最不利计算效应值；μ表示按规范取用的冲击系数值。

对36座桥进行了静载试验，限于篇幅仅就荷载为设计控制荷载时最不利荷载测点位置（跨中即为最不利荷载测点位置，之后研究提到的所有挠度、应变及测点皆为跨中位置）的挠度与应变理论值与实际值进行比较分析（图1）。

试验中挠度、应变理论值皆按设计荷载通过MIDAS计算获得，挠度通过精密水准仪测量测点标高变化测得；应变通过使用振弦式应变计和配套的测试仪进行应变检测测得，振弦式应变计测量原理为当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量。比较结果如图2～3所示。

1.2 新桥动载试验

由桥梁动载试验可以发现桥梁中比较隐蔽及常规检测中难以发现的缺陷，可帮助桥梁建设者掌握桥梁实际工作性能和承载能力，有效弥补静载试验的不足，为桥梁设计、检测、维修、加固等提供依据［4］。

动载试验主要是对桥梁低阶频率进行理论分析的基础之上进行动载频率测定，将测定频率与理论频率进行对比，以确定桥梁实际承载能力是否满足安全要求，其中实测值采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV数据采集系统和DASP数据分析软件。本次检测采用刹车试验来进行动力荷载试验。刹车试验是在桥面无任何障碍的情况下，用试验车以20km／h的车速驶至主跨跨中附近进行紧急刹车试验，使桥梁产生有阻尼的自由衰减振动，记录的振动图形是桥梁衰减振动曲线。激发桥梁水平振动和垂直振动后，经统一标定的941-B传感器拾取的信号通过电压放大器放大，滤波后进入动态信号处理系统，然后进行数据采集和处理。最后，通过谱分析求出结构动力特性。选择测试跨的跨中、L／4截面、3L／4截面作为测试截面测点，如图4所示。

将新建的36座新建桥梁动载频率理论值（MIDAS计算值）与实测值统计如图5所示。

通过动、静载试验，满足规范对挠度和应变实测值比理论值小于1、频率实测值大于理论值的要求［3］，新建桥梁承载能力较好，基本皆能满足承载能力要求。

2 旧有桥梁检测

随着国家桥梁建设的发展，大量复杂多样的新建桥梁涌现，与此同时，大量的桥梁逐渐进入“高龄”阶段，随即桥梁的承载能力日趋下降，当特殊超重车辆经过旧桥时，桥梁承载能力是否还能满足安全要求成为关注的问题，旧式桥梁安全隐患比新桥明显增大，因此对旧式桥梁承载能力做出合理可靠评定显得尤为重要。

以26座旧桥检测为基础，从外观检测、静载试验、动载试验三个角度对旧桥承载能力进行评定，并与新建桥梁承载能力进行对比。

2.1 旧桥外观检测

与新建桥梁相比，由于桥梁在使用过程当中承载能力的下降情况及本身的缺陷都会在外观检测中得到一定程度的体现，因此旧桥检测中外观检测所占分量相对比新桥检测要大。

根据规范《公路桥梁技术状况评定标准》规定，按照打分情况将桥梁技术状况评定分为五类，分别为一类（95～100分）、二类（80～95分）、三类（60～80分）、四类（40～60分）和五类（0～40分）5个等级，通过对旧桥主、次要部件及总体技术状况分别进行检测并打分，为桥梁承载能力评定提供依据［5］。

被检26座桥梁大约建于20世纪六七十年代，由于时间较久，具体时间不可考，根据文献［5］对其技术状况进行评分如表1所示，其中属于二类3座，属于三类19座，属于四类4座。

2.2 旧桥静载试验

通过与新桥类似的静载试验方法，应用桥梁计算软件MIDAS建立桥梁模型，计算桥梁设计荷载，确定桥梁在设计荷载下的挠度跟应变理论值，并与实际荷载下的挠度跟应变值进行对比（统计结果如图6～7所示），为判断旧桥实际承载能力提供依据。

2.3 旧桥动载试验

在静载试验的基础上对旧桥进行了动载试验，并对其理论值与实际值进行了对比统计，具体方法与新桥相同，如图8所示。

通过外观检测、动、静载试验，发现旧桥总体技术状况相对较差，承载能力下降明显，部分桥梁不能满足文献［3］对承载能力要求，需要降级使用或进行加固处理。

3 新旧桥对比研究

将设计控制荷载产生的该检验项目实际测量值比理论值定义为校验系数，根据文献［3］要求，当应变及挠度校验系数小于1时说明桥梁结构承载能力满足设计荷载要求；振动频率校验系数大于1时说明桥梁整体刚度满足设计要求。将设计控制荷载产生的该检验项目残余值比加载最大值定义为相对残余值，当相对残余应变及相对残余挠度小于0.2时表明桥梁结构回弹性能良好。

表1 桥梁技术状况评分表Tab.1 Bridge technology status score

本文将新旧桥应变、挠度、频率校验系数及相对残余应变、挠度分布情况进行了对比研究，通过新旧桥梁相应参数的对比，确定旧有桥承载能力的下降情况［6］。

3.1 新旧桥校验系数对比研究

校验系数为加载实测值减去卸载后的残余值跟理论值的比值，是反应桥梁实际承载能力的重要参数值，也是判断桥梁是否达到设计承载能力的重要指标，本文针对新旧桥梁在应变、挠度以及振动频率校验系数进行了对比统计研究，具体如图9～11所示。

通过对比研究，旧有桥梁挠度、应变校验系数分布比新建桥梁普遍偏大，而振动频率校验系数相比新桥有所降低，说明旧桥在强度和刚度上皆普遍下降明显。

3.2 新旧桥相对残余值对比研究

相对残余值为卸载后的残余值跟加载时的实测值的比值，能有效反应桥梁的实际回弹性能，本文将新建桥梁与旧有桥梁相对残余应变、挠度进行了对比研究，分别如图12～13所示。

通过对比研究，旧有桥梁挠度、应变相对残余值分布比新建桥梁普遍偏大，说明旧桥在回弹性能上普遍下降明显。

4 新旧桥承载能力对比研究

通过以上研究，可以发现旧桥承载能力及回弹性能相对新建桥梁下降明显，具体变化情况如下：

（1）通过对新旧桥梁校验系数及相对残余值进行统计分析旧有桥梁承载能力平均下降情况，得出新旧桥梁应变校验系数期望值分别为0.800、0.980，应变校验系数期望值增大22.50%；新旧桥梁挠度校验系数期望值分别为0.768、1.191，挠度校验系数期望值增大55.08%；新旧桥梁挠度校验系数期望值分别为1.608、1.279，频率校验系数期望值下降20.46%；新旧桥梁相对残余应变期望值分别为0.087、0.139，相对残余应变期望值增大59.77%；新旧桥梁相对残余挠度期望值分别为0.109、0.161，相对残余挠度期望值增大47.71%。通过对比研究，旧有桥梁强度和刚度都下降明显，回弹性能较低。

（2）新建桥梁应变及挠度校验系数基本皆小于1；实际测量低阶频率高于理论频率；相对残余应变及相对残余挠度小于0.2，说明新建桥梁承载能力普遍能较好满足承载能力要求，回弹性能良好。

5 结论

（1）通过新旧桥梁承载能力对比分析，新桥挠度和应变普遍实测值比理论值小于1、频率实测值大于理论值，新建桥梁承载能力较好，基本皆能满足设计对承载能力的要求。

（2）旧桥挠度、应变及频率实测值比理论值的比值分布发散，有部分桥梁挠度、应变比较系数超过1，或者频率实测值比理论值的比值小于1的情况，部分旧桥已经不能满足设计承载能力的要求，需要加固或者降级处理。

（3）旧桥应变校验系数、挠度校验系数、相对残余应变及挠度较新桥明显分布更分散且相对较大，其期望值分别增大 22.50%、55.08%、59.77%、47.71%，旧桥振动频率校验系数较新桥明显分布更分散且相对较小，其期望值减小20.46%，说明旧桥强度、刚度及回弹性能皆普遍有所下降，且单个桥梁下降程度具有不确定性。

［1］ 党立俊.基于荷载试验的某立交桥结构性能评价［J］.石家庄铁道学院学报（自然科学版），2009，（3）：34-37，43.

［2］ 文华斌，郭毅，李良，等.大型箱形拱桥的静载试验研究［J］.四川理工学院学报（自然科学版），2012，4：68-71.

［3］ 交通运输部公路科学研究院.公路桥梁承载能力检测评定规程（JTG／T J21—2011）［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［4］ 吴建奇，郑晓，张婷婷.公路桥梁工程的动载试验研究［J］.铁道建筑，2011，（3）：26-28.

［5］ 交通运输部公路科学研究院.公路桥梁技术状况评定标准（JTG／T H21—2011）［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］ 王凌波，蒋培文，马印平，等.桥梁静载试验校验系数及优化评定方法研究［J］.公路交通科技，2015，（6）：62-68.

A Comparative Study on Bearing Capacity Evaluation of New and Old Bridges

Xiang Lvlin1，Shen Qingqing2，Xie Lan2，Liu Jian3

（1．Fujian Forestry Vocation Technical College，Nanping 353000，China；2．College of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China；3．Guangzhou Municipal Engineering Design＆Research Institute，Guangzhou 510000，China）

Based on the static and dynamic load tests on 36 new bridges and 26 old bridges，a comparison is carried out on the actual measuring value and the finite element theoretical value of the deflection，strain and vibration frequency of these bridges under the load，thus obtaining the inspection coefficient of these bridges’deflection，strain and frequency，and the bearing capacity comparison of these bridges.As the result shows，a clear decrease is detected in the bearing capacity of the old bridges.It’s hoped that this study can serve as a reference for detection and bearing capacity evaluations of similar bridge.

bridge detection；bearing capacity；dynamic and static load

U446.1

1673-8047（2016）04-0030-07

2016-08-09

向绿林（1988—），男，硕士，助教，主要从事土木工程教学与科研。