谈桥梁承载力演变理论及其应用

前 言:在现有路网中,旧桥为数众多,旧桥承载力的评价和维护改造是道路运营管理过程中的重要环节.按现有桥梁承载力评定程序和方法,需要对待评的大量桥梁逐一进行加载测试,工作量巨大,不但难以有效实现且费用昂贵.要客观而准确地对桥梁承载力进行评定,必须全面科学地建树桥梁承载力的理念. 所谓桥梁承载力是指桥梁在服役

期限内某一考察时刻对使用功能荷载和环境灾害性荷载的综合承受与抵御能力. 由此,定义了桥梁在服役期限内不同时刻有不同的承载力,即承载力遵循着随使用年限而逐渐衰变的总体变化趋势;但若在某一时刻对桥梁实施技术改造,以使其结构性能得以改善和增强,则桥梁承载力将在改造后相应获得提升.总之,桥梁承载力将随时间历经增减变化的过程和趋势. 这种变化我们可以用“演变”来加以概化. 因此,桥梁由建成投入运营直至加固维护和最终退役全过程承载力的变化理论,可统称为“桥梁承载力演变理论”.

新桥建成,按设计要求旨意,将具有较多的安全储备,也即具有富余的承载力,但随着使用年限的延移,将开始呈现明显病态,在这长过程中,富余的承载力被消耗掉了,我们称这个区段为“承载力耗散阶段”;自桥梁出现病害直至旧危桥,对安全营运构成威胁之前的这个阶段,称为“承载力衰变阶段”;当桥梁在使用功能荷载或环境灾害性荷载协迫下,丧失结构承载功能,或从根本上改变桥梁结构体系而成为危形结构,导致严重破坏或垮塌的这个短暂阶段,称为“承载力溃损阶段”;当对旧桥为满足使用要求,加以再利用,而进行技术加固、维护或改造,从而提高了原桥的承载力,将这个阶段称为“承载力提升阶段”.基于以上的概化分析,将“桥梁承载力演变理论”的演变轨迹划分为以下 4 个阶段:即①承载力耗散阶段;②承载力衰变阶段;③承载力溃损阶段;④承载力提升阶段.

1 承载力耗散阶段

1. 1 承载力耗散的定义

桥梁新建后投入营运,至开始出现宏观的、可洞察其明显损伤病害之前临界的这个阶段,将安全度取值较高、偏于富裕的承载力被“消耗”掉,称这个阶段为“承载力耗散阶段”.

1. 2 耗散阶段桥梁的性态特征

新桥建成后,在较长的营运过程,桥梁性态一般较为良好,变形小、行车平稳舒适,随着使用年限的增加,桥梁的良好使用性态将逐步减退,主要表现在结构变形逐渐增加,位移加大,内部缺陷扩展,动力效应加剧,悬吊桥梁体系出现张驰不均衡现象. 使桥梁主要承力构件强度降低. 由于这些性态演变而影响到行车和使用的舒适性. 随着上述性态的变异,将促使桥梁病害的形成和加剧. 从而使富裕的承载力逐渐被耗散掉.

1. 3 承载力耗散的影响因素

影响承载力耗散的因素较多,而且也较为复杂,难以定量描述. 其因素既有结构本身原因,也有来至环境的影响,既有设计施工材料前期缺陷,也有维护管理后期影响. 概括起来由下列因素确定:

1)构件早期内部缺陷及其发展;

2)重复荷载疲劳累计效应;

3)砼收缩徐变效应;

4)水、温、气环境腐蚀效应;

5)超负荷使用或管理维护不善等.

2 承载力衰变阶段

2. 1 承载力衰变的定义

继桥梁承载力耗散至富余承载力趋于耗尽之临界,再继续演变,则桥梁由于累计损伤,而显现出明显的病害特征,因此,赋予桥梁承载力衰变的定义是:桥梁开始出现可宏观直觉的病害特征,到逐渐衰变,直至老旧破损、使用功能趋于警戒状态的这个阶段称为“承载力衰变阶段”.

2. 2 承载力衰变的主要特征

2. 2. 1 承载力衰变的外部特征

桥梁病害的加剧是承载力衰变的外部特征. 由于桥梁损伤的积累与超负荷运行,由于外部环境对桥梁的严重侵蚀,使得桥梁承力的主要构件裂缝扩展,砼碳化和钢筋锈蚀加剧,从而表现出桥梁衰变的外部特征.

2. 2. 2 承载力衰变的力学行为特征

桥梁衰变的力学行为特征是:桥梁整体或主要承力构部件产生较大的位移和变形,控制截面承受应力极限有明显的降低,出现了难以恢复的挠度和变位,桥梁动力效应显着,以至引起构件局部受力体系的改变等等.

2. 2. 3 承载力衰变的使用效能特征

当桥梁处在承载力衰变过程,在营运中将明显地影响行车的舒适性,桥梁振动加剧,使行车速率、载重量、车辆通行能力将受到较大影响,严重者将危及行车的安全性.

2. 3 承载力衰变的主要影响因素

引起桥梁承载力衰变的主要因素有:

1)砼裂缝的扩展;

2)砼碳化与剥落;

3)钢筋锈蚀加剧;

4)钢筋砼粘结抗拨力减退;

5)承力构件损伤与变形;

6) )石料风化、脱落与错位; 7)悬吊体系腐蚀、松驰与老化等. 3 承载力溃损阶段 3. 1 承载力溃损的定义 桥梁结构趋于危形体系或临近破坏垮塌,丧失承载作用的非安全极限状态的短暂阶段,称为“承载力溃损阶段”.处于承载力溃损阶段的桥梁是已经发生局部事故或临近重大事故的边缘,或已出现急发事故的前兆期,

无论何种状况均是十分危险的阶段.

3. 2 桥梁溃损的形成条件及表现特征

3. 2. 1 承重结构体系改变体系改变是导致桥梁溃损垮塌的危险状态,分述如下:

1)杆系结构 4 铰体系的形式:如 3 铰拱式体系,因砼施工分期浇筑,在使用中某些刚性接头位置出现塑性铰,变为 4 铰危形体系.

2)静定结构局部承压杆件的破坏:如静定桁架体系,其中只要有一杆丧失作用,则变成可变结构而垮塌.

3)悬吊中、下承式系杆拱拉杆断裂,这种系杆拱式体系,由于系杆断裂会导致桥梁局部或整体垮塌.

4)梁式或拱式体系受弯性态的演变:梁式体系受弯状态的改变、拱式体系拱上承重荷载的突变,都将导致结构弯曲性态极大改变,甚至出现垮塌事故.

4 承载力提升阶段

4. 1 承载力提升的定义

对尚未出现桥梁溃损以前的旧桥衰变期,通过承载力评定及加固维护技术实施,从而提高其结构使用性能,对旧危桥的再利用阶段称为“承载力提升阶段”.

4. 2 承载力提升原理及可能性

4. 2. 1 承载力提升原理

当桥梁结构对使用功能荷载、抗御各种灾害性荷载的承受能力不足或安全程度不够时,则必须提升其承载力. 承载力提升的原理是增强与提高结构整体的刚度、强度与稳定性,达到足以承受交通负荷需求和抵御各种环境灾害破坏的综合能力.

4. 2. 2 承载力提升的可能性

结构设计不可能对各构部件做到等强度和等刚度. 使其主要各承力和传力部分总会呈现性态不同的薄弱部位,对薄弱部位的加强是必要和可能的,其可能的加强方式主要有:①增大构件截面尺寸;

②加强和改变断面型式;③变更结构体系;④增强构部件联系,加强结构整体刚度;⑤调整结构自重、使应力和变形趋于合理分布等等.

4. 3 承载力提升的策略步骤

1)对不同体系利用程度及增强部位的结构分析;

2)以使用性能为目标对备用加固方案的自动生成;

3)综合考虑使用功能与环境因素对方案的优选评价;

4)加固工程数量、材料及费用模型的生成与量化.

4. 4 承载力提升效果的判定与预测

对加固改造后桥梁承载力的实际提升效果必须跟踪测评,进行结构分析与性态仿真,必要时也可通过加载试验以验证其提升效果. 对未来重新利用期间桥梁承载力演变趋势也应进行必要的分析预测,以发挥其安全营 运效能,力图延长其使用寿命,提高其经济和社会效益.

5 结 语

笔者仅概略地提出和概化了桥梁承载力演变理论体系,本文内容和观点,倘有疏漏和谬误之处,恳请同行专家不吝指正,力求使该理论日臻完善.

参考文献:

[1] 李国豪. 桥梁结构稳定与振动[M]. 北京:中国铁道出版社,2006.

[2] 项海帆. 高等桥梁结构理论[M]. 北京:人民交通出版社,2001.

[3] 刘效尧,蔡 键,刘 晖. 桥梁损伤诊断[M]. 北京:人民交通出版社.2002.