向綠林，沈晴晴，謝 嵐，劉 劍

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平 353000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410004；3.廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東廣州 510000）

新舊橋梁承載能力評定對比研究

向綠林1，沈晴晴2，謝 嵐2，劉 劍3

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平 353000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410004；3.廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東廣州 510000）

基于36座新建橋梁及26座既有舊橋靜、動載試驗(yàn)，將其在荷載作用下?lián)隙?、?yīng)變及振動頻率的現(xiàn)場實(shí)際值與有限元計算理論值進(jìn)行對比分析，獲取了新舊橋梁的撓度、應(yīng)變及頻率的檢驗(yàn)系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上獲取了新舊橋梁的承載能力對比情況。結(jié)果表明，既有舊橋承載能力下降明顯。這將為類似橋梁檢測及承載能力評估提供參考。

橋梁檢測；承載能力；動靜荷載

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對交通的要求日趨提高，而橋梁往往是保障道路暢通的關(guān)鍵，因此確保橋梁安全可靠一直是橋梁建設(shè)者關(guān)注的焦點(diǎn)。通過動、靜荷載試驗(yàn)測得橋梁的應(yīng)變、撓度、振動頻率等參數(shù)是評定橋梁承載能力最直觀有效的措施。

然而由于荷載的持續(xù)作用，結(jié)構(gòu)的老化，混凝土材料的收縮徐變、鋼材的銹蝕、環(huán)境的不利影響以及養(yǎng)護(hù)的不到位等原因，橋梁不可避免的會出現(xiàn)不同程度的缺損，導(dǎo)致橋梁承載能力的不斷下降［1］。

本研究在對36座新建橋梁及26座舊有橋梁進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)上，分別對兩類橋梁承載能力進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過對比研究，確定兩類橋梁檢測時的區(qū)別點(diǎn)及舊有橋梁承載能力下降程度。

1 新建橋梁檢測

橋梁檢測分為靜荷載和動荷載兩部分，分別反映橋梁的強(qiáng)度和剛度情況，靜載部分主要測量橋梁在靜荷載作用下的撓度和應(yīng)變，動載部分主要測量橋梁在動荷載作用下的振動頻率。

橋梁靜載試驗(yàn)，是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)最直接也是最有效的方法，以橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計期望值是否相符，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力［2］。由于車輛的沖擊作用，橋梁在實(shí)際運(yùn)營階段受到的是車輛的動荷載，因此橋梁的動荷載檢測越來越受到大家的信賴。目前，橋梁動荷載檢測主要是對橋梁低階振動頻率進(jìn)行檢測，將橋梁在車輛跑動作用下的實(shí)際振動頻率跟理論頻率進(jìn)行對比，以確定橋梁的承載能力是否達(dá)到要求。

1.1 新橋靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)包括撓度和應(yīng)變測試兩部分，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的規(guī)定，靜載試驗(yàn)荷載一方面應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面又應(yīng)能充分暴露結(jié)構(gòu)承載能力，一般靜載試驗(yàn)效率系數(shù)滿足如式（1）所示，靜力試驗(yàn)荷載的加載分級，主要依據(jù)試驗(yàn)加載車在某一檢驗(yàn)項(xiàng)目（內(nèi)力或位移）影響面內(nèi)縱橫向位置的不同以及加載重量而分成設(shè)計控制荷載產(chǎn)生的該檢驗(yàn)項(xiàng)目最不利效應(yīng)值的50%、80%和100%［3］。

式中：ηq表示靜力試驗(yàn)荷載效率；Ss表示試驗(yàn)荷載作用下某一檢驗(yàn)項(xiàng)目最大計算效應(yīng)值；S′設(shè)計控制荷載作用下該檢驗(yàn)項(xiàng)目的最不利計算效應(yīng)值；μ表示按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

對36座橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，限于篇幅僅就荷載為設(shè)計控制荷載時最不利荷載測點(diǎn)位置（跨中即為最不利荷載測點(diǎn)位置，之后研究提到的所有撓度、應(yīng)變及測點(diǎn)皆為跨中位置）的撓度與應(yīng)變理論值與實(shí)際值進(jìn)行比較分析（圖1）。

試驗(yàn)中撓度、應(yīng)變理論值皆按設(shè)計荷載通過MIDAS計算獲得，撓度通過精密水準(zhǔn)儀測量測點(diǎn)標(biāo)高變化測得；應(yīng)變通過使用振弦式應(yīng)變計和配套的測試儀進(jìn)行應(yīng)變檢測測得，振弦式應(yīng)變計測量原理為當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化時，應(yīng)變計同步感受變形，變形通過前、后端座傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)變量。比較結(jié)果如圖2～3所示。

1.2 新橋動載試驗(yàn)

由橋梁動載試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)橋梁中比較隱蔽及常規(guī)檢測中難以發(fā)現(xiàn)的缺陷，可幫助橋梁建設(shè)者掌握橋梁實(shí)際工作性能和承載能力，有效彌補(bǔ)靜載試驗(yàn)的不足，為橋梁設(shè)計、檢測、維修、加固等提供依據(jù)［4］。

動載試驗(yàn)主要是對橋梁低階頻率進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)之上進(jìn)行動載頻率測定，將測定頻率與理論頻率進(jìn)行對比，以確定橋梁實(shí)際承載能力是否滿足安全要求，其中實(shí)測值采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和DASP數(shù)據(jù)分析軟件。本次檢測采用剎車試驗(yàn)來進(jìn)行動力荷載試驗(yàn)。剎車試驗(yàn)是在橋面無任何障礙的情況下，用試驗(yàn)車以20km／h的車速駛至主跨跨中附近進(jìn)行緊急剎車試驗(yàn)，使橋梁產(chǎn)生有阻尼的自由衰減振動，記錄的振動圖形是橋梁衰減振動曲線。激發(fā)橋梁水平振動和垂直振動后，經(jīng)統(tǒng)一標(biāo)定的941-B傳感器拾取的信號通過電壓放大器放大，濾波后進(jìn)入動態(tài)信號處理系統(tǒng)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。最后，通過譜分析求出結(jié)構(gòu)動力特性。選擇測試跨的跨中、L／4截面、3L／4截面作為測試截面測點(diǎn)，如圖4所示。

將新建的36座新建橋梁動載頻率理論值（MIDAS計算值）與實(shí)測值統(tǒng)計如圖5所示。

通過動、靜載試驗(yàn)，滿足規(guī)范對撓度和應(yīng)變實(shí)測值比理論值小于1、頻率實(shí)測值大于理論值的要求［3］，新建橋梁承載能力較好，基本皆能滿足承載能力要求。

2 舊有橋梁檢測

隨著國家橋梁建設(shè)的發(fā)展，大量復(fù)雜多樣的新建橋梁涌現(xiàn)，與此同時，大量的橋梁逐漸進(jìn)入“高齡”階段，隨即橋梁的承載能力日趨下降，當(dāng)特殊超重車輛經(jīng)過舊橋時，橋梁承載能力是否還能滿足安全要求成為關(guān)注的問題，舊式橋梁安全隱患比新橋明顯增大，因此對舊式橋梁承載能力做出合理可靠評定顯得尤為重要。

以26座舊橋檢測為基礎(chǔ)，從外觀檢測、靜載試驗(yàn)、動載試驗(yàn)三個角度對舊橋承載能力進(jìn)行評定，并與新建橋梁承載能力進(jìn)行對比。

2.1 舊橋外觀檢測

與新建橋梁相比，由于橋梁在使用過程當(dāng)中承載能力的下降情況及本身的缺陷都會在外觀檢測中得到一定程度的體現(xiàn)，因此舊橋檢測中外觀檢測所占分量相對比新橋檢測要大。

根據(jù)規(guī)范《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，按照打分情況將橋梁技術(shù)狀況評定分為五類，分別為一類（95～100分）、二類（80～95分）、三類（60～80分）、四類（40～60分）和五類（0～40分）5個等級，通過對舊橋主、次要部件及總體技術(shù)狀況分別進(jìn)行檢測并打分，為橋梁承載能力評定提供依據(jù)［5］。

被檢26座橋梁大約建于20世紀(jì)六七十年代，由于時間較久，具體時間不可考，根據(jù)文獻(xiàn)［5］對其技術(shù)狀況進(jìn)行評分如表1所示，其中屬于二類3座，屬于三類19座，屬于四類4座。

2.2 舊橋靜載試驗(yàn)

通過與新橋類似的靜載試驗(yàn)方法，應(yīng)用橋梁計算軟件MIDAS建立橋梁模型，計算橋梁設(shè)計荷載，確定橋梁在設(shè)計荷載下的撓度跟應(yīng)變理論值，并與實(shí)際荷載下的撓度跟應(yīng)變值進(jìn)行對比（統(tǒng)計結(jié)果如圖6～7所示），為判斷舊橋?qū)嶋H承載能力提供依據(jù)。

2.3 舊橋動載試驗(yàn)

在靜載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對舊橋進(jìn)行了動載試驗(yàn)，并對其理論值與實(shí)際值進(jìn)行了對比統(tǒng)計，具體方法與新橋相同，如圖8所示。

通過外觀檢測、動、靜載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)舊橋總體技術(shù)狀況相對較差，承載能力下降明顯，部分橋梁不能滿足文獻(xiàn)［3］對承載能力要求，需要降級使用或進(jìn)行加固處理。

3 新舊橋?qū)Ρ妊芯?/h2>

將設(shè)計控制荷載產(chǎn)生的該檢驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)際測量值比理論值定義為校驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)［3］要求，當(dāng)應(yīng)變及撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1時說明橋梁結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計荷載要求；振動頻率校驗(yàn)系數(shù)大于1時說明橋梁整體剛度滿足設(shè)計要求。將設(shè)計控制荷載產(chǎn)生的該檢驗(yàn)項(xiàng)目殘余值比加載最大值定義為相對殘余值，當(dāng)相對殘余應(yīng)變及相對殘余撓度小于0.2時表明橋梁結(jié)構(gòu)回彈性能良好。

表1 橋梁技術(shù)狀況評分表Tab.1 Bridge technology status score

本文將新舊橋應(yīng)變、撓度、頻率校驗(yàn)系數(shù)及相對殘余應(yīng)變、撓度分布情況進(jìn)行了對比研究，通過新舊橋梁相應(yīng)參數(shù)的對比，確定舊有橋承載能力的下降情況［6］。

3.1 新舊橋校驗(yàn)系數(shù)對比研究

校驗(yàn)系數(shù)為加載實(shí)測值減去卸載后的殘余值跟理論值的比值，是反應(yīng)橋梁實(shí)際承載能力的重要參數(shù)值，也是判斷橋梁是否達(dá)到設(shè)計承載能力的重要指標(biāo)，本文針對新舊橋梁在應(yīng)變、撓度以及振動頻率校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行了對比統(tǒng)計研究，具體如圖9～11所示。

通過對比研究，舊有橋梁撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分布比新建橋梁普遍偏大，而振動頻率校驗(yàn)系數(shù)相比新橋有所降低，說明舊橋在強(qiáng)度和剛度上皆普遍下降明顯。

3.2 新舊橋相對殘余值對比研究

相對殘余值為卸載后的殘余值跟加載時的實(shí)測值的比值，能有效反應(yīng)橋梁的實(shí)際回彈性能，本文將新建橋梁與舊有橋梁相對殘余應(yīng)變、撓度進(jìn)行了對比研究，分別如圖12～13所示。

通過對比研究，舊有橋梁撓度、應(yīng)變相對殘余值分布比新建橋梁普遍偏大，說明舊橋在回彈性能上普遍下降明顯。

4 新舊橋承載能力對比研究

通過以上研究，可以發(fā)現(xiàn)舊橋承載能力及回彈性能相對新建橋梁下降明顯，具體變化情況如下：

（1）通過對新舊橋梁校驗(yàn)系數(shù)及相對殘余值進(jìn)行統(tǒng)計分析舊有橋梁承載能力平均下降情況，得出新舊橋梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)期望值分別為0.800、0.980，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)期望值增大22.50%；新舊橋梁撓度校驗(yàn)系數(shù)期望值分別為0.768、1.191，撓度校驗(yàn)系數(shù)期望值增大55.08%；新舊橋梁撓度校驗(yàn)系數(shù)期望值分別為1.608、1.279，頻率校驗(yàn)系數(shù)期望值下降20.46%；新舊橋梁相對殘余應(yīng)變期望值分別為0.087、0.139，相對殘余應(yīng)變期望值增大59.77%；新舊橋梁相對殘余撓度期望值分別為0.109、0.161，相對殘余撓度期望值增大47.71%。通過對比研究，舊有橋梁強(qiáng)度和剛度都下降明顯，回彈性能較低。

（2）新建橋梁應(yīng)變及撓度校驗(yàn)系數(shù)基本皆小于1；實(shí)際測量低階頻率高于理論頻率；相對殘余應(yīng)變及相對殘余撓度小于0.2，說明新建橋梁承載能力普遍能較好滿足承載能力要求，回彈性能良好。

5 結(jié)論

（1）通過新舊橋梁承載能力對比分析，新橋撓度和應(yīng)變普遍實(shí)測值比理論值小于1、頻率實(shí)測值大于理論值，新建橋梁承載能力較好，基本皆能滿足設(shè)計對承載能力的要求。

（2）舊橋撓度、應(yīng)變及頻率實(shí)測值比理論值的比值分布發(fā)散，有部分橋梁撓度、應(yīng)變比較系數(shù)超過1，或者頻率實(shí)測值比理論值的比值小于1的情況，部分舊橋已經(jīng)不能滿足設(shè)計承載能力的要求，需要加固或者降級處理。

（3）舊橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、撓度校驗(yàn)系數(shù)、相對殘余應(yīng)變及撓度較新橋明顯分布更分散且相對較大，其期望值分別增大 22.50%、55.08%、59.77%、47.71%，舊橋振動頻率校驗(yàn)系數(shù)較新橋明顯分布更分散且相對較小，其期望值減小20.46%，說明舊橋強(qiáng)度、剛度及回彈性能皆普遍有所下降，且單個橋梁下降程度具有不確定性。

［1］ 黨立俊.基于荷載試驗(yàn)的某立交橋結(jié)構(gòu)性能評價［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，（3）：34-37，43.

［2］ 文華斌，郭毅，李良，等.大型箱形拱橋的靜載試驗(yàn)研究［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，4：68-71.

［3］ 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程（JTG／T J21—2011）［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［4］ 吳建奇，鄭曉，張婷婷.公路橋梁工程的動載試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2011，（3）：26-28.

［5］ 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)（JTG／T H21—2011）［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］ 王凌波，蔣培文，馬印平，等.橋梁靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)及優(yōu)化評定方法研究［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

向綠林（1988—），男，碩士，助教，主要從事土木工程教學(xué)與科研。