王海华 郭龙 王龙林 蒋国富

摘 要：以工程结构可靠性为核心，介绍了国内外超重荷载桥梁的安全性评估研究动态，并对其主要的安全性评估模型进行介绍，以14台电力机械设备的运输过程所经过的沿线5座桥梁为例，对该桥梁的受力特点进行分析，并对其安全性进行合理评估，在此基础上提出相应的桥梁临时加固方法，从而提高超重荷载下桥梁的自身安全性能，确保大型机械设备的行驶通畅。

关键词：超重荷载;桥梁结构;安全性评估;临时加固设计

中图分类号：U445.7+2 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0193-04

Study on Safety Evaluation and Temporary Reinforcement Design Method of Bridge Structure

Wang Haihua1， Guo Long2， Wang Longlin1， Jiang Guofu1

（1. Guangxi Transportation Science and Technolongy Group Co.， Ltd.， Nanning 530007， China; 2. Test and Inspection Center of Hebei Provincial Communications Planning and Design Institute， Shijiazhuang 050091， China）

Abstract：Taking the reliability of engineering structure as the core， this paper introduces the research trends of safety assessment of over loaded bridges at home and abroad， and introduces the main safety assessment models. Taking 5 bridges along the line that 14 electric mechanical equipment pass through in the transportation process as an example， it analyzes the stress characteristics of the bridge， and makes a reasonable assessment of its safety. On this basis， the corresponding temporary reinforcement method of the bridge is proposed， so as to improve the safety performance of the bridge under the overweight load and ensure the smooth driving of the large mechanical equipment.

Key words：overweight load;bridge structure;safety assessment;temporary reinforcement design

橋梁作为道路的交通枢纽，对于社会的沟通、经济的发展具有重大作用。至2017年底，我国现有桥梁80余万座，累计长52256km[1]。

目前我国的汽车保有量日趋增多，至2011年底，全国的机动车保有量已经达到2.23亿，汽车保有量达到1.04亿辆，为第二大汽车保有国[2]。与机动车数量日益增多相比，我国现役桥梁的危险系数也在逐步升高，危险桥梁数已超过万座，对人们的日常出行产生了较大的威胁，对管养部门的维护也是一种挑战。

如何平衡好日渐增多的车辆与桥梁结构安全之间的问题呢？这对于经济发展和国民安全来说是一个亟须解决的问题。首先应当考虑的是桥梁的安全性评估，只有做好桥梁自身的安全评估后，才能根据评估结果以及桥梁自身结构特点、所处环境等情况，给出增强桥梁安全的针对性建议。

桥梁在使用过程中将受到温度、风、车辆等不同类型荷载的反复作用，很多桥梁自身的结构安全性能将发生变化，如材料的强度、耐久性退化等，导致其承载能力逐步衰减。因此，通过一个有效的检测方法，对现役桥梁的整体结构进行测试与评估，建立在役桥梁结构实际承载力计算模型、实际刚度计算模型、实际可靠性指标计算模型，从而对桥梁的实际承载作用大小、结构牢固性能等方面进行数据化处理，最终对桥梁的安全性能进行评估，根据评估结果有针对性地选择临时加固方法。

1 国内外研究动态

1971年，美国完成了《国家桥梁测试规程》（NBNIP）第一版，及3个指南手册以完成测试和评估系统。通过对2007年明尼苏达州Minneapolis桥主桥倒塌事故的详细分析，在原有荷载评定的基础上制定了“荷载-抗力”评定系统 [3]。

在桥梁安全检测方面，国际上众多建筑领域研究人员对其评估检测等提出了许多有效的理论。如Brito JD等人在钢筋混凝土桥梁的研究基础及背景下发明了桥梁管理专家系统 [4]。

结合桥梁自身的结构特点、磨损缺损程度等，我国桥梁安全研究领域的专家们提出了适合我国现状的桥梁安全检测和评估方法。陆亚兴等人采用桥梁缺损状态的指标BCI;潘黎明等人通过结合层次分析法与模糊综合评判原理，制定了斜拉桥的安全体系，以及相应的安全评估算法 [5]。柳春光等人根据桥梁可靠性理论和随机振动理论，对桥梁自身结构构造安全性、牢固性的算法进行了研究 [6]。

2 超限车辆荷载计算模型

以柳州市运输14 台大型电力设备荷载为分析目标，设备净重902.5kN，运输车辆尺寸参数、梁体及车辆本身重量在各轴上的荷载分布如图1所示。

3 超重荷载下桥梁结构的安全性能评估

桥梁的评估包括3个相互关联的内容，即安全性、耐久性和适用性。其中安全性是核心，因此桥梁自身承载能力的大小是桥梁安全性评估的首要内容。只有保证了桥梁的安全性，方可用于运营，即桥梁的适用性。桥梁的安全和适用又是耐久性的前提条件，没有安全性和适用性的桥梁，其耐久性再好也毫无意义。而耐久性又能体现桥梁的可服务期限，是桥梁修建的经济价值的体现。

安全性评估其本质是对桥梁自身承载能力大小的极限状态评估，即桥梁的结构强度评估。对于不同的部位、不同结构，应当使用不同的评估方法。评估的主要目的是通过检测、检算等，预判桥梁的自身承重性能，从而避免桥梁在后续使用过程可能发生的灾难性后果。

耐久性评估是指桥梁在正常使用和维护条件下，其可使用年限是否能达到设计要求。主要从评估结构的材料物理特性退化、疲劳和腐蚀损伤等指标来评价桥梁的性能。

适用性评估通常是指桥梁在正常使用极限状态的评估，主要评价桥梁在温度、风、车辆等荷载作用下，结构的变形、振动参数等，分析桥梁是否满足正常使用要求。

目前通常采用桥梁荷载试验和桥梁结构检算的方法来评估桥梁的承载能力。

荷载试验主要是通过在桥梁上施加具体大小的载荷来收集相关的桥梁结构信息，对其进行有限元模型的建立和分析，通过对比，对桥梁的承载能力、损伤情况等进行合理的评估。我国2015年发布了《公路桥梁荷载试验规程》，对桥梁的荷载试验作了相关规定，对测试的内容、工况、测点均有明确且详细的说明，为桥梁安全性能测试提供了相应的指导，并为其提供依据 [7]。

桥梁结构检算主要是根据目标荷载等级要求按桥梁的设计规范进行。根据现场调查和检测结果所确定取用的检算参数应与实际情况相符合。必要时，还应根据结构的预应力、恒载分布状况，开裂状况等的检测评定结果，对结构初始状态、计算模型的边界条件等进行合理调整[7]。对于钢结构桥梁，通常采用引入检算系数Z1或Z2的方法进行修正计算;对于圬工结构根据检测结果，通常还需引入折减系数ξc;对于配筋混凝土桥梁还需引入折减系数ξs和恶化系数ξe。

4 安全性评估模型

以钢筋混凝土桥梁为例，对于临时性超重荷载通行情况，因荷载是在统一指挥、按约定计划和方式通过桥梁的，其结构安全性评估可从以下3个参数进行分析：①反映桥梁总体状况的检算系数Z1或Z2，②结构的有效截面折减系数ξc和ξs③承载能力恶化系数ξe。结合桥梁的现场调查和检测结果，对参数进行计算分析，采用公式（1）[7]对结构的实际承载能力进行修正，达到安全性评估目的。

4.1 桥梁结构的检算系数分析

检算系数Z1由结构的缺损状况α1、材质强度α2和自振频率α3 3个指标的评定标度所计算确定的结构承载能力检算系数评定标度D[7] 进行计算确定，特殊情况下也可采用专家调查法确定。

4.2 橋梁结构的有效截面折减系数分析

ξc依据材料的风化β1、碳化β2、物理与化学损伤β3 3项检测指标的评定标度R[7]进行计算确定。

4.3 承载能力恶化系数分析

ξe通过缺损状况、钢筋锈蚀电位、混凝土电阻率、混凝土碳化状况、钢筋保护层厚度、氯离子含量及混凝土强度7项指标及桥梁所处的环境条件计算恶化状况评定标度E[7]。

5 原桥结构安全性评估

5.1 验算原则

本次运输统一指挥，按拟定线路通过桥梁，运输车辆较接近挂车情况，计算按照挂车组合进行承载能力极限状态计算，结构计算与验算过程中，构件尺寸、材料强度以实际调查和实际检测结果为依据，同时综合考虑原设计值。

验算时对桥梁上部结构采用“Midas Civil”有限元软件进行计算，计算考虑超重车辆作用下上部结构的承载能力是否满足要求。

5.2 验算步骤

本次大型电力设备运输线路上共有桥梁5座，具体跨径见表1，桥梁设计荷载等级除响水河桥为汽车-超20级、挂车-120外，其它桥均为城-A级（CJJ 77-98）。

5.2.1 现场调查与检测

（1） 对途经桥梁进行全面的外观检查和技术状况评定，并根据《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99-2017）对桥梁的技术状况进行评估。

（2） 采用超声回弹法检测桥梁主要构件的混凝土强度，采用酚酞溶液检测碳化情况。

（3） 测量和复核桥梁的结构尺寸。

（4） 对T梁的钢筋布置及保护层厚度进行检测。

（5） 对桥梁的自振频率进行多点、多方向测量。

5.2.2 各评估参数计算

按安全性评估模型相关系数评估要求，对沿线5座桥梁的调查和现场检测结果进行处理，综合分析得各桥的安全评估参数如表1所示。

5.2.3 安全评估计算

根据各桥的设计和竣工资料并结合现场检测情况对桥梁进行建模计算，本次采用Midas Civil有限元软件建立空间梁格模型及后处理程序进行计算分析，以响水河桥为例，控制T梁内力计算结果模型如图2和图3所示，安全性评估结果如表2所示。

表2中仅列出效应比较大的梁数据，其中MQ表示最大荷载效应（kN·m），MK表示折减后的最大抗力（kN·m），QQ表示最大荷载效应（kN），表示折减后的最大抗力QK（kN）。

由以上安全性评估计算结果知，响水河桥正截面抗弯基本满足要求，但斜截面抗剪已不满足要求，为运输安全必须对其进行加固维修。

6 超重荷载下桥梁临时加固设计方法

尽管每次超重车辆在桥梁通行时间比较短，但对桥梁而言，仍需确保其在通车过程中足够安全。这就需要首先对沿线桥梁进行安全评估，然后对安全性能达不到要求的桥梁，结合其自身特点和环境状况，进行加固维修以达到预期目标。

经实地调查研究发现，在役的梁式桥和拱桥的临时加固方案主要有桥下临时支撑法、增大截面法、粘贴钢板或碳纤维复合材料法、桥上桥通过法、体外预应力法等，其中前3种使用最为广泛。

6.1 桥下临时支撑法

当桥下空间可利用时，采用在桥下增设支墩的办法以临时缩短桥梁的净跨径，减少正截面弯矩，提高桥梁的承载能力，进而确保桥梁在超重车辆通行下的安全。

6.2 增大截面法

增大截面法是在原结构表面植筋，并在植筋上绑扎新增受力主筋，然后浇筑混凝土。该方法既增加了主筋，又增加了有效截面积，结构刚度和强度得到提高，最终达到提高桥梁的承载能力目的。增大截面法在加固T形梁、板拱等较广泛。

6.3 粘贴钢板或碳纤维复合材料法

随着车流量的增加，桥梁的主梁出现承载力不足的现象越来越多，特别是在超重车辆作用下，很容易发生主梁结构的变形过大和主受力结构出现因应力过大而产生受力裂缝，如桥梁跨中附近主梁底面的横向裂缝，支点附近的斜向裂缝等。

粘贴钢板或复合材料法是在主梁受力薄弱部位采用粘结剂将钢板或复合材料粘贴到混凝土表面。以钢板或复合材料作为对原结构的补强钢筋，相当于增加了配筋率，进而提高结构的承载能力。同时可有效封闭受力裂缝，提高结构的耐久性。

该方法中的钢板或碳纤维布厚度有限，基本不改变原结构的尺寸，对结构的有效面积影响极小，但工艺成熟、技术可靠、短期加固效果好。

本次响水河桥采用粘贴钢板加固法进行加固，具体为在T梁底面粘贴6mm厚的钢板来提高其正截面抗弯承载力，在支点至L/8范围粘贴U形钢条来提高其斜截面抗剪承载力。

7 结语

针对在役超重荷载桥梁结构的安全性能进行了评估，并介绍了国内外研究现状的调研。针对一个具体的案例展开介绍了3种临时加固方式，包括桥下临时支撑法、增大截面法、粘贴钢板或复合材料法。超重荷载的桥梁结构安全性评估涉及到建筑学、结构学、力学等多学科的知识，本文通过结合作者自身的一些研究和实践，旨在为建立服役超重荷载的桥梁结构安全性评估体系提供一些比较具有价值的参考，由于研究水平和结果的局限性，部分评估内容还需要进一步探讨与丰富。

参考文献

[1]吉伯海，傅中秋.近年国内桥梁倒塌事故原因分析[J].土木工程学报，2018（s1）：495-498.

[2]李广慧，刘晨宇，托拉·欧尼弗里奥.响应面方法及其在桥梁体系可靠度分析中的应用[J].郑州大学学报 （工学版），2017，25（1）：16-21.

[3]Yun Gang Lu，Li Chun Dai.Non Destruction Testing Method Applied in Bridge Engineering [J]. Advanced Materials Research，2013，2195：1042-1045.

[4]呂颖钊，任伟，贺拴海.基于评估荷载发生概率的在役混凝土桥梁可靠度分析方法[J]公路交通科技，2016，25（6）：60-64.

[5]Ming Yuan，Dong Huang Yan.Optimization on Closure Scheme of Multi-Span Prestressed Concrete Box-Girder Bridge [J].Advanced Materials Research，2011，1067：2369-2375.

[6]长安大学.公路桥梁荷载试验规程：JTG/ T J21-01-2015[M].人民交通出版社股份有限公司，2016.

[7]交通运输部公路科学研究院.公路桥梁承载能力检测评定规程（JTG/T J21-2011） [M].人民交通出版社，2011.