作为现代交通的咽喉,桥梁在其运营期内,由于结构部件的逐渐老化、车载交通量的增加、恶劣环境因素的影响、维护管理的缺失,使得一些桥梁不可避免地出现各类结构性损伤状况。这将导致桥梁的承载力和材料的耐久性能不断降低,服务性能亦难以满足规定的要求。桥梁承载能力检测评估,既考量桥梁各组成构件的强度和刚度等方面是否满足现有运输荷载的要求,同时又对其能否适应未来的交通荷载的增长作出评定。桥梁的承载能力与桥梁结构构件的强度、稳定性等技术性能有关,对其进行评定旨在弄清结构的实际安全状况,避免桥梁在营运中发生灾难性的后果。
顾名思义,桥梁承载能力为桥梁结构承担荷载作用的能力,是衡量桥梁结构所能承受的最大使用负荷的关键安全指标,是结构或构件的材料强度、结构刚度、稳定性等多方面性能指标的综合反映。目前我国公路桥梁技术状况评价参照《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)。该规范将桥梁技术状况分为5 类:1 类为完好、良好;2类为较好;3 类为较差;4 类为差;5 类为危险。桥梁评价按构件、部件、部位(桥面系、上部结构、下部结构)和全桥的顺序依次进行,采用分层加权综合与单项指标控制相结合的方法。《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)针对常见的梁式桥、拱式桥、悬索桥和斜拉桥,细化了不同的部件分类,并考虑了不同部件对桥梁结构安全影响程度的差异,将桥梁部件进一步分成主要部件和次要部件,赋以不同权重。同时,针对严重缺陷或病害,也规定了14 种可以直接评定为5 类桥的情况。
公路桥梁承载能力评估方法目前主要分为:外观调查法、荷载试验法、规范检算法和可靠度分析法
1.外观调查法
我国采用的外观检测方法是根据交通部颁布的《公路桥涵养护规范》(JTGH11-2015)所规定的内容,对在役桥梁进行检测,通常分为经常性检查、定期性检查以及特殊检查。通过对在役桥梁详细的外观检查和无损伤测试,根据我国颁布的《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H-2011)对在役桥梁进行评判标度。该评定标准将实桥的现有状态划为5类等级——整体完好(1类)、轻微病害(2类)、部分损坏(3类)、主体结构损伤(4类)、承载力丧失(5类)。并将桥梁整体划为多个部件,根据桥梁部件当前的损坏程度,服务性能及潜在病害等方面的状况,对桥梁各类部件分别进行鉴定,其分数阈值在0~5之间。然后根据桥梁构件的评分情况确定其对应的等级。针对评测之后的桥梁状况,分别采取不同措施的养护维修:1类进行正常保养;2类采取小修;3类则实施交通限制并进行中修;4类要对其大修或改造,情况严重时需关闭交通;5类必须通过结构加固或拆除新建,并立即封闭交通。
2.荷载试验法
荷载试验是描述桥梁实际状况最直观的一种方法,该方法是根据预先制定的试验方案对结构构件试验之后的性能状况进行观测,并对测量的参数(如应力、位移、频率、振幅等)与理论计算结果进行比较,以便了解桥梁的实际运营状况,客观地对桥梁整体的使用性能和结构的承载力进行评价及其剩余使用寿命作出预测。桥梁的试验方案通常包括静载试验和动载试验。静力荷载试验用于对桥梁结构进行现场试验分析,而动载试验则作为静力试验一种辅助手段来补充和完善静力试验方案。静载试验法具有可行性强等特点,多用于新桥的竣工验收或在无法判明桥梁的运营状况和承载力性能情况下的评测工作,但是采用静载试验的方法动用大量的人力物力,成本较高,试验周期较长,在实验过程中还有可能引起桥梁构件的严重损伤,影响正常交通,因而难以普及。与静载实验相比,动载实验规模较小、花费资金少、试验周期短、操作简单便捷。然而动载试验在应用过程中存在一定的局限性,由于动力测试水平相对较低,使得在试验中测得的相应数据与理论计算的数据有较大偏差,达不到规定的精度要求。
3.规范检算法
规范检算法是基于桥规而制定的,根据构件的材质性能、结构的形状大小、边界支承条件、外观缺损程度、交通荷载量的大小,按照桥梁的力学计算数值来分析评定其承载力。这一评定标准结合了理论计算、现场结构测试结果和实际工程实践等方面的内容,经过完善,该法已经被推广到桥梁评估的各个领域。规范检算方法通过考虑桥梁的实际状况,并结合桥梁原有的设计、施工、养护及现场检测资料,基于规范理论,运用计算分析的方法来对桥梁当前的运营状况作出评判。该方法采用理论计算公式对桥梁的实际承载能力和运营状况进行定量化分析,能够得到相对准确的评估结论。采用检算,不仅可以鉴别桥梁能否满足现有荷载状态的承载力要求,并且还可以对桥梁的潜在承载力性能作出辨别。但该方法在实际操作过程中一些系数的取值存在一定的主观性,与实际的桥梁状态有偏差,故而在计算过程当中必须对桥梁的设计标准、安全修正系数、构件损坏状况的确定、结构分析模型的选取等进行深入讨论。
4.可靠度分析方法
在工程领域中,通常用结构的失效概率或可靠度指标来判断其安全状态。该方法以统计学概率理论为基础,根据实测和数据统计,计算分析结构的失效概率或可靠度指标,可以处理随机变化的荷载及抗力因素对结构的稳定性、安全性的影响。因此,该理论已经逐渐成为结构安全评估的理论基础。基于统计概率理论的桥梁结构可靠度分析方法,最显著的优点是能够量化分析桥梁构件或系统中存在的不确定因素,并将这些因素作为随机变量而建立概率可靠指标模型,使恢复桥梁构件及系统的固有自然特征,并通过对现场测试结果的处理分析得到这种客观存在的变异性。因此,该方法作为桥梁安全性能评估的科学理论支撑,已被应用到评估规范的制定当中。但基于概率可靠度的评估方法本身需要大量数据作为依据,并且对于一些材料的失效模式、退化机理研究还不够充分,在评估桥梁适用性和耐久性方面涉及的干扰因素也十分复杂,很多指标含有人为主观假设因素,很难对其统一量化。