基于结构检算的旧桥承载力评定方法探析

盛恩怀 ，金志刚 （安徽省交通控股集团有限公司池州高速管理中心，安徽 池州 247000）

1 引言

随着交通事业的蓬勃发展，交通量急剧增加，车辆荷载越来越大，而早期建设的桥梁已服役多年，难以承受当前的密集交通需求，仍有大量桥梁疲劳运营，且有逐年加剧趋势，给交通安全带来极大隐患。此外，大量新型重载车辆的出现，部分桥梁尤其是国省道上的桥梁急需提高使用等级（如由汽—20提高到公路—I级）。为解决这些问题，对既有老旧公路桥梁进行外观检查和旧桥承载能力评定，是保障桥梁运营安全的重要举措，也是最常采用的技术手段。对于旧桥而言，外观检查已不能完全满足安全运营的需要，由于服役年限较长，其内部的材料性能退化和结构性能衰退不可避免地会引起桥梁实际承载力发生变化。因此，采用合理且经济的承载力评定方法是每个桥梁养管和检测单位所关注的热点问题。当前的桥梁承载力评估大致有如下：荷载试验法、结构检算法、经验系数法[1]、设计理论法、专家系统评定法、基于动力的评估以及以可靠度理论[2]为基础的评估方法等。其中应用最广的则为结构检算法和荷载试验法。由于荷载试验通常需要封闭交通，且经济和人力投入也较大，效率不高，往往是旧桥承载力评定的最后一步选择[3]。而基于桥梁检算的承载力评定方法可以作为一种高效的方法，其投入成本小，效率高，可以作为对老旧桥梁承载能力评定的最初筛选，为科学管养提供有用依据[4]。由于结构检算涉及到大量桥梁结构设计理论和计算，其过程较为复杂，规范只提供了具体流程，具体操作的相关参考资料较少。

2 主要思路

旧桥承载能力的评估一般可以分为三个阶段，首先是通过桥梁外观检查和交通量调查，以确定桥梁技术状况等级及各种检算系数，如：桥梁检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数和活载修正系数，其次进行桥梁结构检算。而当采用检算的方法不能满足旧桥承载能力需求时，则需要采用荷载试验方法，结合调查、检算来评定桥梁承载能力。依照相关标准和竣工图，采用“手算”和“电算”结合的方式对全桥进行结构理论分析和有限元分析，通过检算系数等系列系数对结构的抗力效应进行修正，确认修正后的抗力效应仍满足当前荷载效应，来确定旧桥的承载能力状况，实现对旧桥承载力的计算复核，这是一种结构现实与设计的融合，具有一定的理论基础和依据[5-7]。

3 主要步骤

基于结构检算的旧桥承载力评定的主要计算步骤如下：

①依据原始结构设计和竣工资料，建立有限元模型；

②依据现场调查结果，结合规范，确定检算系数Z1，结构技术状况评定值D，承载能力恶化系数ξe，配筋混凝土结构截面折减系数、钢筋截面折减系数ξc和ξs。

根据桥梁现场实际调查情况，确定承载能力检算系数Z1，以此修正结构的抗力或效应。主要考虑桥梁结构或构件表观缺损状况、材质强度和桥梁结构固有模态等的检测评定结果。以上各参数从不同角度反映了桥梁结构的实际状态[6]。

③将折减后的参数代入桥梁数值模型中。其中，通过调整单元的特征系数来修正结构面积和惯性矩，通过调整计算模型中的截面钢筋根数或者直径按照面积相等的原则来考虑钢筋的截面折减系数。

④根据检算内容和要求，分别以不同荷载组合对模型进行加载计算，得到结构效应，并与结构抗力相比较，判断是否满足承载力或使用状态要求。

旧桥结构检算的主要内容一般包括结构承载能力和正常使用两种极限状态下的计算复核。通过对修正过的数值模型进行验算，来判断构件正截面受弯和斜截面抗剪，以及结构的强度、刚度和抗裂等相关检算要点是否满足抗力要求或是否在规范规定的允许值范围内。

4 算例

为更好地说明这一方法，本文以某一三跨连续刚构旧桥为例，说明基于结构检算的旧桥承载力的主要过程。

4.1 工程概况

该桥建于1990年。跨径布置为（34+58+34）m，全长 126 m，如图 1所示。桥面全宽15.5 m，横向布置为2m×1.75 m人行道+2m×6 m行车道。桥梁上部结构形式采用预应力混凝土刚构连续箱梁，钢筋混凝土肋板式桥台采用桩基础和双薄壁式桥墩设计，路面采用沥青混凝土桥面铺装，设计荷载为汽车—20级，挂车—100。

4.2 模型建立

采用Midas—Civil建立有限元梁格模型，结构计算按照空间理论简化为平面杆系。桥梁整体模型如图2所示。结构分析采用空间梁单元，全桥共102个单元，其中主梁共62个单元。预应力筋、普通钢筋按照竣工图输入。施工阶段按照成桥阶段模拟，计算考虑整体升降温和温度梯度的影响，混凝土的收缩徐变和各墩的不均匀沉降。桥梁梁体计算模型如图2。

图1 某三跨连续刚构桥

图2 有限元计算模型

4.3 检算方法

依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）（以下简称“规程”）第6.4.1条，本次检算对象为预应力混凝土梁桥，检算要点包括梁跨中正弯矩、支点附近最不利剪力、跨径1/4截面附近最不利弯剪组合效应、梁墩顶负弯矩等。检算以电算为主，因此将展现主梁每个截面的计算结果。在计算过程中，进行结构承载力及荷载效应计算。

配筋结构承载能力按下式进行计算：

式中具体参数定义可参考规程第6.4.1条。

4.4 检算相关参数

结构检算的相关参数包括Z1（检算系数），结构承载能力恶化系数ξe和配筋混凝土的结构截面折减系数ξc以及钢筋截面折减系数ξs等，同时也要综合考虑结构技术状况等级评定值。通过将这些系数代入检算公式，进行结构模型的复核计算，以此来判断经过现场实际检查过确定的桥梁真实状态，是否满足抗力仍然大于效应的需求。本次检算中，确定的承载能力检算参数取值如下表所示。

4.5 检算结果

4.5.1 截面抗弯承载能力检算

依据原设计图纸和竣工资料，验算原桥实际承载力，获得主梁的抗力包络图和效应包络图，如图3所示。

引入折减后的材质参数和几何尺寸参数至有限元模型中，进行检算分析，同样获得主梁的抗力包络图和效应包络图，如图4所示。

图3 (原桥实际承载力验算)主梁的抗力及其对应的最大和最小内力包络图

图4 (材质等参数折减后检算)主梁的抗力及其对应的最大和最小内力包络图

由《公预规》（JTG D62—2004）计算公式如下：

矩形截面或翼缘位于受拉边的T形截面受弯构件，其正截面抗弯承载能力应符合下列规定：

根据《规程》7.3、7.7条，对桥梁结构极限状态承载能力抗力进行折减计算，将折减后抗力效应与桥梁实际计算效应进行比较评估。

由图4可知，承载能力极限状态条件下，原桥的承载力验算：在基本组合作用效应下，箱梁的最大正弯矩出现在中跨跨中截面，其值为36742 kN·m，而最大承载能力为91670 kN·m。箱梁的最大负弯矩出现在墩顶处截面，其值为-138427 kN·m，相应处箱梁最大承载能力为-306358 kN·m，梁体的每个位置的承载能力均满足使用要求，且具有一定富余量。

在引入桥梁检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数和活载修正系数后，箱梁的最大正弯矩出现在中跨跨中截面，相应位置箱梁最大承载能力为76713 kN·m。箱梁的最大负弯矩出现在墩顶处截面位置，相应处箱梁最大承载能力为-292201 kN·m，梁体每个位置的承载能力均满足使用要求，仍具有一定富余量。

同时，对持久状况正截面混凝土进行应力检算，在持久状况正常使用组合条件下，箱梁各截面混凝土的应力包络图如图5所示：

本桥承载能力检算参数

图5 持久状况正截面混凝土应力包络图

由图5可知，在持久状况正常使用组合条件下，箱梁混凝土的最大最小应力均可以满足结构检算要求，且有一定的富余量。

4.5.2 截面抗剪承载能力检算

在弯剪耦合区段，有沿构件斜截面的破坏的可能。因此，有必要进行斜截面的强度检算。根据《公预规》第5.2.7条的规定，桥梁构件的斜截面抗剪承载力应满足：

主梁抗剪主要靠箍筋和混凝土一起承担，本算例参考构造配筋适用。箍筋为4肢箍，间距150 mm，级别为Q235，直径10 mm。通过检算分析，本桥的抗剪承载能力计算如图6。

图6 承载能力组合作用下箱梁截面抗剪检算

由上图可知，在极限荷载组合作用下，在引入包括桥梁检算系数在内的各项折减系数之后，该桥的抗剪能力基本满足检算要求，截面腹板尺寸满足《公预规》要求，但按照《公预规》第6.3.1-2条检 算 ：σTP=-1.84MPa ＜0.5ftk=-1.33MPa，检算结果不满足要求。主要集中在跨中截面以及支点附近截面斜截面抗拉应力超过开裂许可应力，因此，可能导致在主梁腹板出现较小的裂缝，抗剪能力富余量略有不足，当产生裂缝后会对结构耐久性产生一定的影响。

5 结语

本文探讨了基于结构检算的结构旧桥承载力评定方法，并结合一工程案例予以详细阐述介绍，受文章篇幅限制，算例只给出了对承载能力极限状态下的旧桥常用的上部结构检算流程和分析结果。通过研究可知，结合旧桥检测现场调查结果，通过修正标准数值模型中的相关单元，进行参数计算来逼近旧桥实际使用状态，并通过分析不同工况下的计算确定结构抗力，研究是否大于效应需求以及强度、刚度和抗裂是否满足规范规定要求。这不失为一种有一定依据的结构承载能力评定方法，其特点是经济和高效，但其不足是以施工良好且竣工资料较为齐全为前提，否则检算结果与旧桥实际承载力可能有较大偏差。另据笔者经验，根据相关规范规定计算的折减系数一般取值较大，检算结论偏保守。若能将检算结果可与结构荷载试验成果相结合，则可以获得更精确的旧桥承载力评定结果，进一步保障旧桥结构运营安全。