（岩土工程专业论文）基于结构检算的公路混凝土旧桥承载力评价方法研究.pdf

原创性声明 fi f f l l l r l 1 l f f r l l f l l 0 i l i i l lt i l litiflii|11t|lili i | l ll i g i y 18 3 3 5 7 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：夏窟左日期：知勿年夕月谚日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文懈夏寓友 嗍力年夕月矽日 摘要 摘要 公路混凝土桥梁在交通荷载和外界环境作用下，随着时间的推移，必然出 现桥梁技术状况下降和承载能力退化的现象，影响其正常使用。因此，如何科 学、合理地评定公路混凝土旧桥的承载力，是桥梁工作者的一项重要任务。交 通部1 9 8 8 年颁布的公路旧桥承载能力鉴定方法( 试行) 目前我国公路旧桥 承载能力评价的主要依据。但鉴定方法所使用的承载力检算公式与现行规范不 能有效的衔接，且所使用的承载力检算系数取值是一个范围，主观随意性较大。 本文针对以上现状研究基于结构检算的公路混凝土旧桥承载力评定方法，主要 研究内容以及相关结论如下： 1 在现有公路混凝土旧桥承载力评定方法研究成果的基础上，结合现行公 路桥梁设计规范，对现有的公路混凝土旧桥承载力结构检算公式进行了修正。 修正公式能够较好地与现行公路桥涵养护规范相衔接，有利于应用旧桥检 查的结果来评定其承载能力。 2 研究了基于各部串并联体系的公路混凝土旧桥技术状况的评定方法，详 细分析了构件层次、串联体系、并联体系及桥梁结构技术状况评定方法的实现 过程。 3 研究了影响公路混凝土旧桥承载能力的主要因素和各部位病害量化评价 方法。通过分析各因素对结构承载能力的影响程度及因素间关联性，运用层次 分析法获得了各关键因素( 含耐久性方面的因素) 对桥梁结构承载能力影响的 分项权重系数。 4 基于桥梁结构各部串并联体系的划分，应用模糊综合评判法确定旧桥检 算系数( 包含耐久性方面的因素) 、截面折减系数和活载影响系数的量化指标。 通过对结构抗力和荷载效应的修正，来评定旧桥的承载能力。 本文提出的公路混凝土旧桥承载能力修正的评定方法，克服了现有承载力 结构检算方法中检算系数主观性较大的缺点，为公路混凝土旧桥提供了一种较 为科学、合理的承载能力评定方法。 关键词：公路混凝土旧桥；承载力；结构检算；串并联体系；检算系数；模 糊综合评判 a b s t r a c t w i t ht h er o l eo ft h eh e a v yt r a f f i ca n dt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，t h ec a r r y i n g c a p a c i t ya n dt h et e c h n o l o g ys t a t eo fh i g h w a yc o n c r e t eb r i d g ew i l lb ed e c l i n i n gw h i c h w i l la f f e c tt h en o r m a lu s e t h e r e f o r e , h o wt oa s s e s st h ec a p a c i t yo fe x i s t i n gb r i d g ei n as c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lw a yi sa ni m p o r t a n tt a s ko ft h eb r i d g ew o r k e r s t h e o l d b r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t yi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ( f o rt r i a l ) w a sp r o m u l g a t e db yt h e m i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n si n19 8 8 ，w h i c hi st h em a i nb a s i sf o ro l dh i g h w a y b r i d g ec a r r y i n gc a p a c i t ye v a l u a t i o nh o w e v e rt h eu s e dc a l c u l a t i o nf o r m u l ai n t h e i d e n t i f i c a t i o ni sn o ta ne f f e c t i v ei n t e r f a c ew i t ht h ee x i s t i n gs t a n d a r dm o r e o v e rt h e c a l c u l a t i o nc o e f f i c i e n tv a l u e si sar a n g e ，w h i c hh a sl a r g es u b j e c t i v ea n da r b i t r a r y s o h o wt oa s s e s st h ec a p a c i t yo fo l dh i g h w a yc o n c r e t eb r i d g eb a s e do nt h es t r u c t u r a l c a l c u l a t i o n si ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i na c h i e v e m e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 am o d i f i e dc a p a c i t ys t r u c t u r a lc a l c u l a t i o n sf o r m u l ao fo l dh i g h w a yb r i d g e si s p r o p o s e db a s e do nt h ee x i s t e dr e s e a r c hr e s u l t so fo l dh i g h w a yc o n c r e t eb r i d g e s e v a l u a t i o nm e t h o d sa n dt h ec u r r e n th i g h w a yb r i d g ec a p a c i t ye v a l u a t i o nm e t h o d d e s i g nt h e o r y , w h i c hc o u l db eb e t t e rc o h e s i o nw i t ht h ee x i s t i n gh i g h w a yb r i d g e m a i n t e n a n c es t a n d a r d t h em o d i f i e df o r m u l ac o u l db eb e n e f i c i a lt oe v a l u a t et h eo l d c o n c r e t eh i g h w a y b r i d g eb e a r i n gc a p a c i t yu s i n gt h ei n s p e c t i o nr e s u l t s 2 n et e c h n i c a ls t a t ea s s e s s m e n tm e t h o do ft h eo l dh i g h w a yc o n c r e t eb r i d g e b a s e do ns e r i e s - p a r a l l e ls y s t e mw a ss t u d i e d ，w h i l ea n a l y z e dt h ec a r r y i n gc a p a c i t y a s s e s s m e n tm e t h o do ft h ec o m p o n e n tl e v e l ，s e r i e ss y s t e m ，p a r a l l e ls y s t e ma n df u l l b r i d g es t r u c t u r ei nd e t a i l 3 t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fo l dc o n c r e t eh i g h w a y b r i d g e sa n dt h eq u a n t i t a t i v ea s s e s s m e n tc r i t e r i ao fe a c hf a c t o rw e r es t u d i e d m o r e o v e r , b ya n a l y z i n gt h ed e g r e eo fv a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t r u c t u r eb e a r i n gc a p a c i t ya n d t h em u t u a lr e l e v a n c eo ft h e m ，t h ew e i g h tc o e f f i c i e n t st h a tk e yf a c t o r s ( i n c l u d i n g d u r a b i l i t ya s p e c t s ) t h a ti n f l u e n c et h eb r i d g ec a p a c i t yi so b t a i n e db yt h ea h e 4 b a s e do nt h ed i v i s i o no fs e r i e s - p a r a l l e ls y s t e mo fb r i d g es t r u c t u r em i n i s t r i e s ， a b s t r a c t t h e q u a n t i f y c a l c u l a t i o nc o e f f i c i e n t s ( i n c l u d i n gd u r a b i l i t ya s p e c t s ) o ft h eo l d b r i d g e ，t h ec o e f f i c i e n t s o ft h ec r o s ss e c t i o nr e d u c t i o na n dl i v el o a di n f l u e n c e c o e f f i c i e n t sw e t eg a i n e db yf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n u s i n g a l lt h e s e c o e f f i c i e n t st oa m e n d m e n ts t r u c t u r a lr e s i s t a n c ea n dl o a de f f e c ta tt h e $ a m et i m e ，t h e r e s u l t sc o u l db eu s e dt oe v a l u a t et h eo l dc o n c r e t eh i g h w a yb r i d g ec a r 晌gc a p a c i t y t h i sp a p e rp r o p o s e dar e v i s e dc a r r y i n gc a p a c i t ya s s e s s m e n tm e t h o do fo l d h i g h w a yc o n c r e t eb r i d g e s t h i sm e t h o dc o u l do v e r c o m et h es u b j e c t i v ed e f e c t so f c a p a c i t y s t r u c t u r a lc a l c u l a t i o nt h a tb a s e do nt h ei n s p e c t i o nr e s u l t s o n em o r e s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lb e a r i n gc a p a c i t ye v a l u a t i o no ft h eo l dh i g h w a yc o n c r e t e b r i d g e sw a sp r o v i d e d k e yw o r d s ：o l dh i g h w a yc o n c r e t eb r i d g e ；b e a r i n gc a p a c i t y ；s t r u c t u r a l c a l c u l a t i o n s ；s e r i e s - p a r a l l e ls y s t e m ；c h e c k i n gc o e f f i c i e n t ；f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n l v 目录 目录 l 绪论1 1 1 概述1 1 2 公路旧桥承载能力评定技术的现状和发展趋势2 1 3 现行评价方法的局限性4 1 4 本文的主要工作5 2 公路混凝土旧桥承载力结构检算公式的修正7 2 1 引言7 2 2 现有的公路混凝土旧桥承载力结构检算方法7 2 3 公路混凝土旧桥承载力检算公式的修正8 2 4 本章小结1 l 3 基于串并联体系的旧桥技术状况的模糊综合评定1 2 3 1 模糊综合评判法理论简介1 2 3 2 模糊综合评判因素权重向量的确定方法1 4 3 2 1 权重向量确定的层次分析法1 4 3 2 2 权重向量确定的规范法1 6 3 3 基于串并联体系的旧桥技术状况的多级模糊综合评定1 8 3 3 1 基于串并联体系的模糊综合评判模型1 8 3 3 2 一级模糊综合评判2 0 3 3 3 二级模糊评判2 1 3 3 4 三级综合模糊评判2 2 3 3 5i 刚乔技术状况的应用2 3 3 4 本章小结2 4 4 公路混凝土旧桥承载力结构检算参数的确定2 5 i v 目录 4 1 引言2 5 4 2 承载力检算系数的确定2 5 4 2 1 承载力检算系数的影响因素及各因素的量化2 6 4 2 2 检算系数影响因素权重的确定：3 3 4 2 3 基于串并联结构体系的旧桥技术状况模糊综合评定3 5 4 2 4 检算系数的确定3 8 4 3 截面折减系数的确定4 0 4 3 1 混凝土截面折减系数的确定4 0 4 3 2 钢筋截面折减系数的确定4 3 4 4 活载影响修正系数的确定4 4 4 5 本章小结4 5 5 工程应用实例4 6 5 1 工程概况4 6 5 2i e l 桥病害分析4 7 5 3 检测结果4 9 5 3 1 混凝土强度4 9 5 3 2 碳化深度5 1 5 3 3 固有模态参数5 1 5 4 基于串并联体系的旧桥技术状况综合模糊评价5 1 5 4 1 构件层次技术状况评价5 1 5 4 2 子结构层次技术状况评定5 3 5 4 3 桥梁结构技术状况评定5 3 5 5t 梁原结构的复核检算5 4 5 6t 梁结构检算及承载力评定5 6 5 7 本章小结5 8 6 结论与展望5 9 6 1 主要研究结论5 9 目录 6 2 展望5 9 参考文献6 1 致谢6 4 个人简历：6 5 攻读硕士期问发表的论文6 5 l 绪论 1 绪论 1 1概述 近年来随着我国基础设施的大规模投资建设，全国高速公路网基本形成， 加之一些国道、省道的陆续完善，公路交通在整个国民经济生活中占有的地位 越来越重要，而桥梁系统又是公路交通的枢纽，是公路交通中最重要的组成部 分，也是国家基础设施投资的重点。在以前新桥的建设是投资的重点，而既有 桥梁则很少被关注。众所周知桥梁都有一定的设计或使用年限规定，加之桥梁 在运营过程中，由于频繁的承载( 甚至超载) 、外界环境乃至自然灾害的侵袭以 及交通事故等人为原因的破坏等内外因的相互作用下，经常会造成桥梁结构的 损伤或局部破坏，影响桥梁的结构性能。当然还有部分桥梁是由于施工或设计 原因造成桥梁的先天不足，这类桥梁在运营过程中则会出现更多的问题，乃至 丧失正常使用的功能。目前我国有大量公路旧桥的正常使用功能及结构安全性 方面都存在不同程度的缺陷与隐患，另外还有部分公路旧桥承载能力等级还有 待提高以适应当前交通荷载的需要。据统计截止2 0 0 6 年底，全国通车公路桥梁 总数已达3 1 0 8 万座，其中危桥有6 0 0 0 多座，占总数的1 9 3 ，均属于第五类， 这些桥梁技术状况较低、承载能力明显降低并直接危机桥梁运行安全。有关资 料显示，到2 l 世纪初我国大约有3 的桥梁已属危桥，因此我国桥梁安全形势不 容乐观。同样在一些发达国家，如欧洲、美国和日本等国家，桥梁的结构安全 形势也相当严峻，欧洲各国存在各类病害的钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁高 达8 3 8 ，0 0 0 座。早在1 9 8 9 年美国联邦公路局( f h h a ) 的统计数据就表明：全美 境内5 7 5 ，0 0 0 座桥梁中的4 1 在结构上存在缺陷，并且平均每年有1 5 0 2 0 0 座 桥梁遭受部分或全部破坏。在同本，大约有5 ，5 0 0 座公路桥梁存在承载能力不 足问题。由此可见，既有桥梁的承载力不足、破损较严重、性能衰弱等状况已 成为全世界共同面临的问题。 随着问题桥梁不断增多，目前我国每年用于危桥、1 日桥加固改造的费用飞 速增长。如果对全部公路旧桥予以置换不仅需要大量的资金同时也影响交通， 因此这种方法是不科学、也不现实的。在对公路旧桥的技术状况特别是承载能 力做出科学、准确判断的基础上，对其进行维修加固，使其恢复原有的使用功 1 绪论 能和承载能力，是目前公路桥梁管理领域较为可行的管理路线。而充分发挥既 有桥梁的承载能力，合理使用桥梁维修加固费用的前提是必须对桥梁的承载能 力做出科学、合理的评价。因此，对公路旧桥结构承载能力进行鉴定评价是进 行桥梁维修加固的前提和基础。在全部桥梁中，混凝土桥梁占绝大多数，据统 计，1 9 8 9 年欧洲桥梁中混凝土桥梁占7 0 9 6 ，日本混凝土桥梁占8 5 ，美国混凝 土桥梁占5 2 7 6 ，而我国混凝土桥梁则占9 0 以上。因此，对公路混凝土旧桥结构 承载能力鉴定评价关键技术进行系统的研究具有重要的工程应用价值和推广前 景。 1 2 公路旧桥承载能力评定技术的现状和发展趋势 既有桥梁承载能力评定方法的研究是一个世界性的课题，目前还处于研究 阶段。多年来，国内外学者在桥梁承载力评价方面提出了很多方法，这些方法 中有的已经比较成熟，并得到了广泛应用，如外观调查法、检算评定法、荷载 试验法；有的尚处于研究阶段，实际应用相对较少，如可靠度评估方法。现将 外观调查法、检算评定法、荷载试验法、专家经验法及可靠度评估方法介绍如 下： 外观调查评定法：目前国内基于外观调查法评定桥梁承载能力的依据是 公路桥涵养护规范( j t g h l1 - 2 0 0 4 ) 【2 1 ，该规范把桥梁技术状况分为一五类， 对应的承载能力由符合设计值到比设计值降低2 0 以上。该方法主要依靠专业的 桥梁检测人员或旧桥加固专家对桥梁进行全面的检查，根据检查的结果( 包括 定性的文字描述和定量的检测结果) 参照公路桥涵养护规范对桥梁进行分 类、评定。近年来随着专家系统的完善、模糊数学原理的应用，外观调查法已 经日趋成熟。但是，该评估方法仍是依靠大量的不确定性因素，检算系数的取 值很大程度上还得依赖于检查人员的经验，不同的评估者这对同一问题的认识 可能会得出不同的结论，甚至有可能得出截然不同的结论。 检算评定法【3 】：为了定量评定既有桥梁承载力，国内外学者在理论分析 法检算评定桥梁承载力方面做了大量研究工作。该方法主要是在实测材料性能， 构件几何尺寸变化，外观缺陷及当前通行荷载调查的基础上，用一定方法给出 桥梁承载力检算系数、承载力恶化系数、截面折减系数以及活载影响系数来同 时对桥梁的结构抗力和荷载效应进行修f 。通过对比修正后的结构抗力和荷载 2 1 绪论 效应之间的关系来评定旧桥的承载能力，如果抗力修正值大于或等于效应修正 值说明结构承载能力满足要求，反之则认为承载能力不足。该方法以设计资料 和原有的设计规范为基础，结合桥梁实际检查及荷载调查结果进行承载力评定， 易为评估者理解和接受。 荷载试验方法【蜘：载荷试验是目前旧桥承载力评定的常用方法之一，就 是通过现场试验对既有桥梁进行承载能力评估，包括静载试验法和动载试验法。 静载试验主要是在结构最不利截面施加设计荷载或与目前通行荷载相当的外 载，利用一定的桥梁检测仪器，测试结构在静态荷载的作用下，桥梁结构的反 应，包括主梁的挠度和应力、横梁的应力，荷载横向分布情况以及裂缝的发展 变化等，来评定桥梁的承载能力。静载法评定旧桥承载能力目前发展较为成熟 的一种方法：动载试验主要通过汽车的跑车、刹车、跳车或瞬态、稳态等激振 荷载作用，应用一定的桥梁检测仪器来测试桥梁结构上各控制部位的振幅、阻 尼、频率等动态参数，通过分析这些测试结果并与相应的计算值或设计值相比 较，进而对旧桥承载能力做出评定，基于动载试验的旧桥承载力评定法目前还 处于研究阶段； 专家经验法【8 - l l 】：特尔非法是专家经验法的典型代表，该方法是通过匿 名的方式经过几轮函询不同专家对同一问题的意见，每轮调查结束后对该轮专 家调查意见进行汇总分析，并将分析结果反馈给每个专家作为进一步做决策的 参考。如此经过多次的反馈与处理，尽量将分歧降低到最低程度，取得的一直 结论作为评定旧桥承载能力的依据。目前专家系统法就是利用具有相当于旧桥 评定专家的知识结构和经验水平的计算机系统来评定旧桥的承载能力。关于专 家系统法在桥梁评估中的应用国内外很多学者对此做了研究，开发了一些较为 成功的专家系统。如：日本大阪大学和京都大学联合开发了“钢筋混凝土桥梁 损伤评估专家系统”系统，我国西南交通大学研究开发了“大漂石河流桥梁浅 基病害评估及对策专家系统”，同济大学开发了“桥梁安全性与耐久性评估的神 经网络专家系统”。 可靠度评估方法【1 2 1 3 】：基于可靠度理论的评估方法是既有桥梁承载力平 的一个发展方向，该方法在评估过程中综合考虑了桥梁在运营过程中各种可能 造成承载力下降的随机因素，诸如混凝土强度损失、截面损伤和荷载变化等随 机不确定性。以数理统计和概率论为基础的可靠度评估理论可以避免一些人为 i 绪论 的因素，能够较为客观，实际的对公路混凝土旧桥进行评定。因此，采用时变 可靠性分析方法【1 4 1 ，同时考虑结构抗力下降的影响，对桥梁结构在剩余寿命周 期内承载能力的失效概率加以分析计算，逐渐为人们所接受。 综上所述，尽管桥梁承载力评定方法众多，但是以桥梁设计规范为基础， 结合外观病害检查的结构检算评定法，仍是目前桥梁承载能力评定核心方法。 1 3 现行评价方法的局限性 我国公路行业目前广泛采用的评定方法是在交通部1 9 8 8 年颁布的公路旧 桥承载能力鉴定方法( 试行) 【1 5 】基础上发展起来的方法。该类评定方法在原有 设计规范承载力计算公式的基础上，引入了旧桥检算系数。根据混凝土质量、 裂缝宽度及固有模态参数的实际检测结果对结构抗力做出一定的折减。如果旧 桥各部分质量良好，桥梁未产生病害，各部均能正常工作旧桥检算系数有可能 达到1 1 ；而对于那些病害较严重，并且病害仍在持续发展的旧桥，旧桥检算系 数也可能下降到0 9 以下。 在试行方法的基础上发展起来的、国内目前使用的公路旧桥承载能力 鉴定评价方法体系存在以下问题： 目前旧桥承载能力评价时简单地把桥梁结构系统看成由上部结构、下部 结构和附属结构构成的并联体系。并联体系只是简单的根据部件空间位置进行 的划分，没有考虑构件之间的关联性，而实际上影响桥梁结构性能的关键构件 ( 如上部主要承重构件、墩台等) 相互之间具有较强的相关性，其中任何关键 部件的评价结果将直接影响其他构件的评定。所以，简单使用并联体系来评价 桥梁承载能力，评定结果很可能与实际状况有较大的出入。 旧桥承载能力评定公式是通过外观调查确定旧桥检算系数的方法对名 义抗力进行折减，但其值给定的是一个范围，旧桥检算系数的取值受主观性影 响较大，有可能不同的人得出的评定结果相差很大。 由于所依据规范【1 6 】的不同，旧桥承载能力评定公式与现行的公路桥涵 设计通用规范( j t gd 6 0 - - 2 0 0 4 ) f 1 7 】、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范( j t gd 6 2 - 2 0 0 4 ) 【1 8 】中的表达式存在显著的差异；旧桥检算系数与现行 的公路桥涵养护规范( j t gh 1 1 - - 2 0 0 4 ) 无法有效衔接。 将根据公路混凝土桥梁耐久性评价【1 9 - 2 1 的承载能力恶化系数作为对桥 4 l 绪论 梁结构承载能力的一个影响因素，与根据桥梁病害评价得到的旧桥检算系数并 列考虑对桥梁结构承载能力进行折减。而承载能力恶化系数和旧桥检算系数之 间存在一定的重复性( 关联) ，两者不宜分别取值、同时对桥梁承载能力进行折 减。 1 4 本文的主要工作 本文针对公路工程中最普遍、数量最多的中小跨径混凝土桥梁，研究其旧 桥承载能力鉴定评价相关关键技术，重点研究基于串并联结构体系划分的旧桥 承载力评定方法、影响旧桥结构承载能力的主要因素及其内在相互关系、混凝 土桥梁各部位病害量化评价方法、旧桥结构检算系数量化、客观计算原理及方 法、符合现行规范的桥梁结构承载能力鉴定表达式等内容。目的在于得到更科 学、客观、量化的实现公路旧桥承载能力鉴定评价方法体系，为旧桥管理决策 提供科学依据。 本文研究的主要内容为： 基于串并联结构体系划分的旧桥承载力评定方法研究 综合分析各部对桥梁结构承载能力影响的重要程度及构件间的相互关系， 将桥梁结构划分为一个串联体系和一个并联体系，研究基于串并联结构体系划 分的旧桥承载能力评定方法的实现过程。 混凝土桥梁各部位病害量化评价方法 依据公路桥涵养护规范( j t ch 1 1 - - 2 0 0 4 ) 对混凝土桥梁病害描述、评 定，对各类病害的程度进行科学的量化处理，为旧桥结构检算系数的量化计算 提供原始计算依据。 响旧桥结构承载能力的关键因素分析 包括影响旧桥结构承载能力的关键因素产生的原因，以及其对结构承载能 力的影响程度分析，关键因素之间相互关联性分析。目的是得到各关键因素( 含 桥梁结构耐久性因素) 对桥梁结构承载能力影响的分项权重系数。 旧桥结构检算系数的计算原理和方法 根据量化的桥梁病害状况指标，全面综合考虑各关键因素，研究设计出科 学、量化、可靠的旧桥结构检算系数计算方法。 公路混凝土旧桥结构承载能力鉴定评价方法体系 i 绪论 依据现行公路桥涵设计通用规范( j t g1 ) 6 0 - - 2 0 0 4 ) 、公路钢筋混凝土 及预应力混凝土桥涵设计规范( j t gd 6 2 - 2 0 0 4 ) 的基本原理，及承载力的结构 检算相关的表达式，提出符合现行规范的旧桥承载能力的结构检算公式。通过 对结构抗力和荷载效应进行修正，来评定公路混凝土旧桥的承载能力，进而形 成修正的公路旧桥结构承载能力鉴定方法体系。 工程应用研究 在对某大桥病害检测的基础上，运用本文所提出的符合现行规范的公路1 日 桥承载能力结构检算公式，综合评定其结构承载能力，给出相关的维修加固意 见。 6 2 公路混凝土旧桥承载力结构检算方法的研究 2 公路混凝土旧桥承载力结构检算方法的修正 2 1引言 结构检算方法就是在旧桥现状的检查基础上，依据桥梁结构材质状况检测 结果和荷载调查分析情况等，引入旧桥结构抗力折减系数和荷载效应折减系数， 并将其反映在结构抗力表达式中，然后借助结合桥梁结构设计或竣工资料，通 过结构检算分析，进行荷载效应和抗力效应的比较，对桥梁承载力做出评定。 2 2 现有的公路混凝土旧桥承载力结构检算方法 现有公路混凝土旧桥承载力的结构检算评定方法是在公路旧桥承载能力 鉴定方法( 试行) ( 1 9 8 8 ) 的检算分析法的基础上进一步深化，该方法是在桥 梁检查、材质状况检测和当前交通状况调查的基础上，引入承载力检算系数z j 、 截面折减系数、恶化系数以及活载影响修正系数，通过结构检算，对桥梁承载 力做出评定。评定公式如下： 岛( 以g ；z ，e o ) 圪玛( 戋争；参争) z l ( 1 一磊) ( 2 1 ) lcls 式中：毋荷载效应函数； g 永久荷载( 结构重力) 效应o y 。永久荷载( 结构重力) 安全系数。 q 可变荷载及永久荷载中混凝土收缩、徐变影响力效应，基础变 位影响力效应，对重载交通桥梁，汽车荷载效应应计入活载影 响修j 下系数t ； 圪荷载q 的安全系数； 毋结构抗力函数； 扎结构工作条件系数； ”在混凝土强度设计采用值基础上的混凝土安全系数； r 预应力钢筋或非预应力钢筋强度设计采用值； y 。在钢筋强度设计采用值基础上钢筋安全系数； z 基于桥梁检测结构的承载力检算系数； 2 公路混凝土旧桥承载力结构检算方法的研究 皇承载力恶化系数； 皇混凝土截面折减系数； 皇钢筋截面折减系数 由公式( 2 1 ) 可知既有公路混凝土旧桥承载力结构检算方法所依据的规 范是公路桥涵设计通用规范( j t j0 2 1 8 5 ) 、 公路钢筋混凝土与预应力混 凝土桥涵设计规范( j t j0 2 3 - 8 5 ) 。该评定公式计算所得评定结果和现行公 式有一定的出入，并且不能很好地与现行的公路桥涵养护规范相衔接， 充分利用旧桥检查的结果。 2 3 公路混凝土旧桥承载力结构检算方法的修正 本文在现有公路混凝土承载力结构检算方法的基础上，结合现行的公路 桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 - 2 0 0 4 ) 、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范( j t gd 6 2 - 2 0 0 4 ) ，提出了修正的钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁承载 力结构检算评定公式如下： ( + 。勘。+ 岛场) - r ( f d ，) 乙 ( 2 2 ) i = i j = 2 式中：结构的重要性系数，按公路桥涵设计通用规范规定的结构设 计安全等级采用，对应于结构设计安全等级一级、二级和三级分 别取1 1 、1 0 和0 9 ； 第f 个永久荷载作用效应的分项系数，按公路桥涵设计通用规 范规定； s g 证第f 个永久荷载作用的标准值； 。汽车荷载效应( 含离心力、汽车冲击力) 的分项系数。= 1 4 ，其 他情况按公路桥涵设计通用规范规定取值。 s 蛐汽车荷载效应( 含汽车冲击力、离心力) 标准值； 活载影响修正系数； ；在作用效应组合中除汽车荷载效应、风荷载外的其他第个可变 作用效应的分项系数，取= 1 4 ，但风荷载的分项系数取 2 1 1 ； s m 在作用效应组合中除汽车荷载效应( 含汽车冲击力、离心力) 8 2 公路混凝土旧桥承载力结构检算方法的研究 外的其他第，个可变作用效应的标准值； 杪，在作用效应组合中除汽车荷载效应( 含汽车冲击力、离心力) 外的其他可变作用效应的组合系数，按公路桥涵设计通用规 范规定取值。 r ( ) 构件承载力函数； 疋材料强度设计值； 劬几何参数设计值，当无可靠数据时，可采用几何参数标准值吼， 即设计文件规定值； 乞几何参数折减系数( 包括钢筋截面折减系数彘和混凝土的截面 折减系数皇) ； z 基于检测结果的承载力检算系数( 综合考虑了桥梁的耐久性) ； 修正公式与既有旧桥承载力结构检算评定公式相比，具有以下优点： 该修正公式是在现有桥梁承载力评定成果的基础上，结合现行桥梁设计 规范对桥梁承载能力和荷载效应进行的修正，它克服了以往承载力评定公式无 法与现行规范无法有效衔接的缺点； 所使用的旧桥检算系数z 。综合考虑了桥梁耐久性方面的因素，克服了现 行公式中把混凝土桥梁耐久性单独作为一个因素对桥梁承载能力折减，带来的 承载力恶化系数与承载力检算系数之间的重复，同时简化了评定程序； 该评定公式考虑采用一定的数学方法将检算参数加以量化，能够有效地 克服原有公式中旧桥检算系数受主观影响性较大的缺陷。 只有当基于检查和检测结果的检算分析方法，尚不足以评定旧桥承载能力 时，如检算修j 下后的荷载效应高于修正后的结构抗力，但超出的幅度又比较小 时( 超幅介于5 2 5 ) ，才需进一步用荷载试验的方法加以鉴定。对经过荷载 试验的桥梁再检算时，则需根据荷载试验结果重新确定旧桥的检算系数z ，来 代替检算系数z i 在进行结构承载力的校核，计算公式如下： ( 比+ 砌& 。+ 岛场) 姒磊嘞) z 2 ( 2 3 ) i = 1 j = 2 式中：z 基于荷载试验确定的承载力检算系数； 其余参数同式( 2 2 ) 。 基于结构检算法的钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁承载力评定程序如图 9 2 公路混凝土旧桥承载力结构检算方法的研究 2 1 。 图2 1 基于结构检算法的公路混凝土旧桥承载力评定程序图 由旧桥承载力评定程序图可知结构检算分析法评定旧桥承载能力的关键是 旧桥检算系数z l 、截面折减系数岛、活载影响修正系数乞的确定，其中的重点 和难点是旧桥检算系数z l 的确定。目前国内主要是通过专家外观调查法，并结 合材料的实际检测结果来确定z l ，但其值给定的是一个范围，计算取值受主观 因素的影响比较大。由于不同的桥梁工作者具有的知识经验不同，所以有可能 1 0 2 公路混凝土旧桥承载力结构检算方法的研究 不同的人得出不同的评价结果，甚至得出截然相反的结论。 为了充分利用旧桥检查结果来评价桥梁结构的承载力，本文将在影响旧桥 承载力的各关键因素量化的基础上，采用模糊综合评判法对旧桥的技术状况 ( d ) 做出量化的评价，进而由量化的技术状况采用线性内插法确定旧桥检算 系数的量化取值，达到降低仅依靠专家调查法确定旧桥检算系数主观性较大的 目的。 2 4 本章小结 本章首先介绍了基于结构检算的公路混凝土旧桥承载力平的基本原理，其 次是分析了现有的公路混凝土旧桥承载力结构检算方法，在此基础上引入了符 合现行规范的公路混凝土旧桥承载力结构检算公式，分析了修正公式比现行公 式的优点，并给出了基于结构检算法公路混凝土旧桥承载力评定程序图，为后 文的承载力评定打下了基础。 3 基于串并联体系的旧桥技术状况的模糊综合评定 3 基于串并联体系的旧桥技术状况的模糊综合评定 3 1 模糊综合评判法理论简介 从多个因素方面对事物进行的总体评价称为综合评判，如果在评价过程涉 及到模糊因素，就叫做模糊综合评判。模糊综合评判法【2 2 - 2 4 5 2 】【5 7 】常用于包含众 多的复杂不确定性因素，单纯用定量的分析方法往往难以有效的解决问题，如 采用模糊综合评判法，反而更容易取得较为理想的结果。 多因素模糊综合评定的程序就是通过单因素评判得到各单因素的模糊关系 向量，构成模糊关系评价矩阵，然后与各因素的权重向量作相关的模糊运算， 从而得到评定对象的评定结果。 用模糊数学原理对事物进行综合评判时，我们将考虑由评定对象的因素构 成的因素集：u = “，材2 ，“。) ( 珂表示评估对象有胛各评估因素) 和评判 对象各种结果构成的集合评语集：v = 1 ，l ，1 ，2 ， ( m 表示有m 种评定结 果) 。 【厂和y 之间存在某种的模糊关系，即在任意序偶( ，1 ，) 中，评语等级v ，往 往是因素“，集合上的一个模糊子集。 由于因素集u 中各个因素为均已知，所以可以用单因素评判方法得到各 单因素对评判集v 中的各等级隶属度如下式： ，= v ，( 1 l f ) ( j = 1 ，2 ，1 ) ( 3 1 ) 于是可得各单因素评定模糊关系向量如下： ，；= ( ，；，；2 ，) ( f = 1 ，2 ，肌) ( 3 2 ) 将各单因素“，( j = l ，2 ，z ) 对y 的模糊关系向量联合起来，构成因素集和评 语集之间的模糊评价矩阵： r = ，2 ： ir 1 2 lp 2 2 ，：l i2 ( 3 3 ) 隶属函数的确定是用模糊综合评判法解决问题的关键步骤之一，通常情况 下，只有定量的因素才能建立隶属函数，而隶属函数大多数是由人的主观经验 判断确定的，带有一定的主观性。但是由于主观性和客观事物之间的存在一定 1 2 埘 州 臃 3 基于串并联体系的旧桥技术状况的模糊综合评定 的关联性，所以说隶属函数在某种程度上还是能较为客观的反映实际的。对于 定性因素一般情况是根据专家讨论和相关的经验判断得到单因素评判的等级模 糊向量r t 。同样对于那些可以定量表示的因素，也可以根据专家讨论和经验判断 直接给出相应的单因素评判的等级模糊向量，：。其实在公路混凝土旧桥承载力评 定过程中碰到较多的就是定性因素，所以专家经验法是确定单因素评判等级模 糊向量r 的常用方法。 另外，在模糊综合评判时，各个因素对评定等级所起作用的大小也是一个 重要问题，综合考虑这些因素的关系就会形成因素集u 的另一个因素模糊子集， 表示为模糊向量的形式： a = ( 口l ，a 2 ，a 。) ( 3 4 ) 式中：a i 是对评定作用彳的隶属度，也就是考虑单因素u l 对评定作用所 起作用的大小的一种度量，表示单因素对评定等级的影响能力，其大小一般 可由经验判断来确定，并需满足罗q = l 。通常a 也称为权重向量。 f 由确定的模糊评价矩阵尺和权重向量彳通过模糊合成运算就可以对事物进 行综合评判。假定c 为综合评判所得的综合评判等级模糊子集，可以表示为模 糊向量的形式： c = ( q ，c 2 ，c n ) ( 3 5 ) 式中：c ，为评定等级1 ，( = 1 ，2 ，n ) 对综合评定所得的模糊子集c 的隶属 度，也即综合评判的结果。 模糊综合评判的一般采用以下运算形式： c = 彳or( 3 6 ) 式中：“o 为模糊合成运算符，通常使用的模糊运算模型是( v ，八) 模 型。 由等级模糊向量c 就可对事物进行评定，提出相关的决策管理意见。在对 因素较多的复杂问题进行评判时，由于各个因素可能分属于不同层次，在评定 过程中如果考虑将这些因素划分为多个层次对事物进行多级模糊综合评判，这 样会使得评定的范围减小，更容易确定因素之问的权重关系同时也简化了评定 的程序。由于公路混凝土旧桥在运营过程中影响承载能力的因素较多，且桥梁 结构本身比较复杂，所以本文考虑分层次评定旧桥承载力。 3 基于串并联体系的旧桥技术状况的模糊综合评定 3 2 模糊综合评判因素权重向量的确定方法 权重向量