随着经济建设的快速发展,公路交通量剧增,荷载等级不断提高,对公路通行安全的要求也越来越高。桥梁的通行能力和承载能力是贯通全线之关键。及时对既有桥梁进行承载力评价,并对损伤严重,或承载力不足的桥梁进行加固、改建、重建,是社会经济发展的客观要求。桥梁的承载力评价工作就成为了一项极为迫切的任务,必须积极开展研究并在研究中尽快付诸实践。
1钢筋混凝土桥梁损伤评定、评估问题的提出
在大规模高等级公路建设的同时,由于设计施工周期短,桥型不当或计算假定不合理,施工出现质量问题,使不少新建的公路桥梁存有安全隐患;原有公路桥梁荷载标准偏低,通行能力差,加之交通量和汽车载重量的迅猛增加,以及各种自然因素、人为因素等的共同作用,使得我国现有许多混凝土桥梁出现了不同程度的损伤。这些损伤桥梁基本难以满足承载能力要求,难以维持正常的工作条件。而采用加固技术,可以恢复和提高旧桥的承载能力、通行能力,延长使用寿命,节省资金,消除安全隐患。桥梁在生命周期的全过程中一般受多因素作用,结构的损伤无疑将对后续服役期的抗力和剩余寿命产生重大影响。桥梁的破坏通常是由于结构损伤并逐渐累积到一定程度后引起的。然而,由于问题的复杂性和认识的局限性,人们对结构性能的分析多是单因素的,较少考虑已有损伤累积的影响,这样势必影响分析结果的精度。
2目的和意义
通过对桥梁结构材料缺损状况检查,以判断桥梁结构损坏程度和原因,及时发现桥梁存在的安全隐患,进一步提出检测、试验或监控的建议。桥梁技术状况评定,可以直观的表明桥梁总体以及各部件损伤程度;桥梁材质状况和状态参数的检测评定,通过无损检测,可以得知组成桥梁的材质(混凝土、钢筋等)在物理、化学方面的损伤;但归根结底,以上检测评定只能从单方面的去反映桥梁的损伤程度,并不能全面的直观的从数据化方面给出桥梁承载能力是如何的,是否能够承受现有的荷载等级,而不是原有的设计要求,结合以上各方面评定结果引入多项参数,对桥梁结构承载能力进行评定,该项结果会从桥梁承载能力极限状态和正常使用极限状态两类极限状态反映桥梁的安全性,也为养护部门提供准确可靠的理论依据。
3桥梁承载能力评定
3.1理论分析计算法
包括经验系数折算法和理论计算法。经验系数折算法)))是以桥梁原有设计荷载等级为基础,同时考虑结构损坏程度、材料老化程度、桥面行使条件、实际交通情况、桥梁使用年限等因素折算求出桥梁安全承载力的方法。这一方法的关键是:确定各种系数,而实际上又很难确定。理论计算法----是先通过检查,得到桥梁的几何数据、材料力学性质、原设计资料、构件损坏程度等;然后,应用钢筋混凝土构件计算理论,估算出钢筋混凝土裸梁可承受的外力(M1);再应用桥梁结构计算理论,计算出在拟检定荷载等级荷载及恒载作用下的内力(M2);最后将M1与M2比较,确定桥梁承载力。这一方法的关键是:材料的力学性质测量要准,结构的损坏、缺陷程度要正确估计到计算中去。而这是很难作到的
因为,设计资料不完全是实桥情况;测量的材料性质是局部的;隐含的损伤是未知的,对结构承载能力的影响是复杂的。更重要的是,钢筋混凝土结构设计计算针对的是单个构件;桥梁结构计算理论针对的又是理想的力学模型。这都与实际桥梁的承载状态完全不同。我们要评价的是实际桥梁的承载能力,而不是设计承载能力。
3.2荷载试验评定方法
荷载试验方法是对桥梁进行了外观调查和粗略评定后,施加试验性荷载从而对桥梁结构进行评定的方法。其主要优点是直观、比较可靠,多用于新结构的研究和桥梁质量的评定。在旧桥评定中,较多用于桥梁实际工作状态不明确情况下的评定与研究工作,以弥补前述两种方法的不足。旧桥的完整荷载试验包括反映静载作用下工作性能的静载试验和反映结构动力性能的动载试验。但是这种荷载试验要耗费大量的人财物,需要中断交通,影响了评定工作的效率。动载试验已经发展成独立的动力测定旧桥的快速评定方法,其研究关键是桥梁结构的动力特性与其承载能力之间存在的相关关系。
3.3实物调查比较法
对实际桥梁进行长期观测,根据桥梁通过的车辆荷载,测量桥梁主要部位的响应,然后对这些数据进行统计分析,得出桥梁的承载能力。这个方法,对于没有专门设置结构监控系统的一般桥梁,实难实现。实践证明,目前在桥梁承载力评价工作中,存在许多问题急待解决。
4钢筋混凝土梁式桥承载能力评价的发展趋势
从力学过程的角度看,桥梁的设计是已知理想力学模型求理想力学响应的正问题,而桥梁承载能力评价,本质上是已知特殊荷载下的既有桥梁的力学响应,求既有桥梁的力学模型的反问题。由于实际问题的复杂性,反问题的求解比正问题的求解要困难得多。可喜的是在建筑结构和大型桥梁损伤评价研究中已经有了不少研究成果,虽然离实际应用还有相当的距离,但是初步的研究已经证明应用前景广泛因此,应专门针对结构相对简单、应用广泛的钢筋混凝土梁式桥,深入开展结构仿真评价研究。引进系统识别理论,利用有限的实验数据,充分发挥结构电算优势,建立既有桥梁的力学模型,使理论分析的力学模型,最大限度地接近实际桥梁结构状况。只有这样,才能使桥梁评价的理论和技术有根本的突破,才能使桥梁加固改造建立在可靠的评价基础之上。研究的技术路线建议是:利用简单荷载下的实测响应(静力响应:位移、应变、应力等,或动力响应:频率、振型等),引入系统识别方法来修正理想的结构电算模型,用修正后的仿真结构电算模型进行承载能力预测。研究的成果应是开发一个将简单荷载实验(非标准荷载实验),与计算机计算功能0(结构计算功能)相/结合(用简单实验的数据修正结构的电算模型)的桥梁承载能力计算机辅助评价及预测系统。研究的理论和技术难点主要是:结构系统识别计算模型的建立;用小数据集修正大数据集的实现方法;桥梁结构识别敏感参数的确定;实际钢筋混凝土梁式桥结构阻尼的处理方法。