既有混凝土桥梁承载能力鉴定标准的研讨

徐文平，杨 梓

（东南大学土木学院，江苏 南京 210096）

0 引言

目前，在我国公路线上有大量运营中的混凝土桥梁，这些桥梁在建造和使用过程中，由于设计、施工问题及材料本身随时间的劣化、环境侵蚀等一系列因素的作用，不可避免地会产生不同程度的损伤；同时随着公路运营能力的不断提升，还有不少桥梁存在设计等级偏低等安全问题。鉴于大量病桥不断出现，其相应的承载能力评定工作也变得日益重要，深入研究桥梁的极限状态、承载潜力、安全储备以及剩余寿命等对于在役桥梁的合理利用具有重大的理论和现实意义[1]。

中美两国的旧桥评估规范大体上思路类同，中国规范[2]的旧桥验算系数的取法是相当粗糙的。规范尽管采用了极限状态设计的形式，但其分项安全系数是按设计标准选择的，而不是根据既有桥梁的统计数据、结构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。美国旧桥评估规范[3]中关于材料极限强度的折减系数、恒载及活载的荷载系数是根据统计数据、概率分析得出的，所以美国规范的评估算式较合理。

从中美两国关于承载力评定的规程中可以看到，中国荷载试验采用校验系数η的方法，其目标明确，操作方便；而美国采用RF来分别评定结构承载能力，不仅考虑了冲击影响，而且其最新的LRFR评定方法基于LRFD架构，是一种基于可靠性的评定方法，从评定理念上讲更为先进。

1 桥梁承载能力评定方法

（1）建筑结构鉴定方法的借鉴

《工业建筑可靠性鉴定标准》[4]（GB50144-2008）将安全性和适用性合并为可靠性，然后按子项、项目、单元三个层次将可靠度化分为四级。

混凝土结构或构件的鉴定评级应包括承载能力、构造和连接、裂缝、变形四个子项。

承载力子项按照构件的可靠性评级标准共分为 a、b、c、d四个等级，具体取值范围见表 1。

表1 混凝土构件承载能力评定等级

a级：符合国家现行标准规范的可靠性要求，安全，在目标使用年限内能正常使用或尚不明显影响正常使用，不必采取措施；

b级：略低于国家现行标准规范的可靠性要求，仍能满足结构可靠性的下限水平要求，不影响安全，在目标使用年限内能正常使用或尚不明显影响正常使用，可不采取措施；

c级：不符合国家现行标准规范的可靠性要求，或影响安全，或在目标使用年限明显影响正常使用，应采取措施；

d级：极不符合国家现行标准规范的可靠性要求，已严重影响安全，必须立即采取措施。

（2）桥梁承载能力评定方法的建议

国内外数百例重大房屋结构和桥梁工程的倒塌事故分析表明：凡是正常设计、正常施工、正常使用的结构，未见一例倒塌，绝大多数工程事故都是由于施工、使用、设计的严重失误和各种灾害造成的，其次是尚未认识的各种因素，而那些强度略显不足以及满足旧规范而不满足新规范的结构，即使未进行工程处理，使用几十年也未见破坏和倒塌。强度略显不足和新旧规范的差异，不是导致结构破坏和倒塌的关键。因此，既有桥梁的安全可靠性指标β可以适当减小。

本文认为桥梁结构承载能力安全可靠性评定的评级应参照建筑结构鉴定评级方法，混凝土桥梁结构承载能力也宜类似如房屋结构划分为a、b、c、d四个等级。

通过资料调查分析，收集桥梁承载能力评定的专家意见[1][5]，专家意见汇总详见表2。

表2 结构构件承载力评级标准的专家意见汇总

本文认为既有桥梁承载力应以统一的安全指标β值为指导进行评估，考虑到桥梁结构的使用环境和重要性，桥梁可靠性评定级差应比建筑结构要求严格些，桥梁承载能力可靠性指标β值的各等级差值建议为0.3。

经综合分析，本文建议桥梁承载能力评定的承载力子项共分为a、b、c、d四个等级，桥梁结构承载力评定等级的具体取值范围建议见表3。

表3 桥梁结构承载力评定等级的建议

2 既有桥梁承载能力鉴定公式

根据梁桥承载能力影响因素分析，参考各国规范，结合桥梁病害调查研究成果，本文在《公路旧桥承载能力鉴定方法》[2]规范公式基础上，考虑若干修正系数，建议既有钢筋混凝土及预应力混凝土公路梁桥承载能力鉴定公式为：

式（1）中的桥梁恒载、活载，桥梁材料应按实际情况进行取用。

式中：γq——可变荷载Q的安全系数；旧桥建议取值1.3～1.4；车流量小，剩余使用年限较少时取小值（汽车活载标准值是依据桥梁使用基准期100 a而制定的，使用年限减少，其活载标准值应有所降低）；

φa——旧桥剩余使用年限减少所引起的折减系数；

旧桥剩余使用年限T1一般低于桥梁使用基准期100 a，而规范公式是基于实际基准期100 a而制定，若旧桥继续服役年限减少，其结构可靠性指标β值可适当降低。

本文建议φa取值：

T1=100 a时φa=1.0

T1=50 a时φa=0.95

T1≤25 a时 φa=0.90

φb——结构损伤状况折减系数：一般取值0.8～1.0；若桥梁有被撞击的历史纪录，桥梁裂缝较宽，或露筋严重等缺陷时取小值；

rb——结构工作条件系数，延性破坏取1.0；脆性破坏取0.9。既有桥梁的水文、地质、气候、地震等环境条件复杂时，桥梁结构抗力应进一步进行折减。

公式中其余符号意义详见《公路旧桥承载能力鉴定方法》规范。

桥梁结构承载力鉴定系数kt可定义为：

鉴定系数Kt≥1时表示桥梁结构安全。

式中：R*——旧桥名义抗力；

S*——旧桥名义荷载效应。

3 旧桥评定等级划分的指标分析研究

设外力S的均值为μs，均方差为σs，抗力R的均值为μR，均方差为σR，则构件的可靠性指标β为（设R、S均服从正态分布）：

对于桥梁二级a类结构构件，即一般的的大桥、中桥、重要小桥等，其值β应满足βa≥4.2。

假设一根钢筋混凝土梁，处于纯弯状态。其中μs=100.0 kN·m。该梁荷载变异系数δs=0.1，抗力变异系数δR=0.141 4。（近似假设R、S均服从正态分布）

若要使之达到β=4.2，即为a级构件，则必须有：

解之可得：μR≥260.1 kN·m

那么该梁如为b类、c类、d类的β亦可按下述方法求出。

随着时间的变化，该梁结构抗力不断下降，结构抗力均值降为η·μR，结构等级降为b类、c类、d类，此时相应的β也可求出。

假设外力不变，材料的离散性不变，只是构件承载能力有退化，令桥梁抗力退化折减系数为：

由式（6）、式（7）可得承载能力折减系数η与结构抗弯可靠性指标β的关系曲线图，见图1。

图1 η-β关系曲线

从该梁桥算例中可以得知，既有桥梁承载能力退化折减系数η与结构抗弯可靠性指标β之间具有近似线性关系，其它梁桥结构承载能力退化和结构等级降低也有类似规律。依据以上混凝土梁桥结构承载能力评定等级近似推导结果，参考专家意见，经综合分析，本文建议混凝土梁桥承载能力评定等级标准详见表4。

表4 混凝土梁桥结构承载能力评定等级标准

根据本文的混凝土梁桥结构承载能力评定等级标准，可以采用类似《工业建筑可靠性鉴定标准》[4]（GB50144-2008）的方法，快速进行既有桥梁的结构等级评定，只需求出的特征值，就可对既有梁桥进行a类、b类、c类、d类的等级评估鉴定，以便对梁桥的加固处理措施提出科学决策。该方法简明扼要，具有既有桥梁工程鉴定评估的实际应用价值。

[1]徐文平.既有预应力混凝土梁桥承载能力实桥试验及分析研究[D].东南大学博士论文,2006.

[2]中华人民共和国交通部部颁标准.公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)[S].北京:人民交通出版社,1990.

[3]AASHTO-Manual for Condition Evaluation of Bridge[S].1994.

[4]GBJ144-90,工业厂房可靠性鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1990.

[5]王有志,王广洋,任锋,等.桥梁的可靠性评估与加固[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[6]GB50153-1992,工程结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国计划出版社,1992.

[7]GB/T 50283-1999,公路工程可靠度设计统一标准[S].北京:中国设计出版社,1999.

[8]张建仁,刘扬,等.结构可靠度理论及其在桥梁工程中的应用[M].北京:人民交通出版社,2003.