任 鋼遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽 110166

橋梁結(jié)構(gòu)安全與加固方式探析

任 鋼
遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽 110166

橋梁工程的質(zhì)量好壞直接影響著公路橋梁的交通安全，文章從當(dāng)前國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行現(xiàn)狀入手，重點(diǎn)分析了我國橋梁運(yùn)行的現(xiàn)狀，然后就橋梁損傷診斷的方法進(jìn)行了探討，最后通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和安全加固技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析。

公路橋梁；結(jié)構(gòu)加固；安全分析

上世紀(jì)90年代中期以來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，最近10多年，交通投資占GDP的比重由過去長(zhǎng)期的1%～2%大幅提高到8%～10%。隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，橋梁在整個(gè)行業(yè)中的位置越來越重要，隨時(shí)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)與安全的評(píng)估，從而進(jìn)一步地回避和杜絕一些重大事故的發(fā)生，對(duì)一些橋梁的結(jié)構(gòu)上所存在的缺隱及時(shí)的進(jìn)行修復(fù)和加固，因此研究橋梁結(jié)構(gòu)安全與加固方式對(duì)我國的交通安全有著非常重要的意義。

1 橋梁結(jié)構(gòu)及運(yùn)行現(xiàn)狀分析

近些年來，世界各國就橋梁安全事故屢見不鮮，因此引發(fā)了各界人士對(duì)橋梁安全管理的重視，技術(shù)工程師也在不斷地加強(qiáng)對(duì)所有現(xiàn)役橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查和監(jiān)護(hù)。他們分別對(duì)橋梁管理系統(tǒng)的進(jìn)行了大量的研究和分析，在美國、日本、英國、德國和加拿大等西方一些發(fā)達(dá)國家的已經(jīng)開發(fā)出了一種基于計(jì)算機(jī)的橋梁管理的系統(tǒng)，美國從20世紀(jì)60年代起就開始使用橋梁管理系統(tǒng)，建成了大量的數(shù)據(jù)庫，以便對(duì)橋梁進(jìn)行科學(xué)管理。同時(shí)他們也在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量的研究，到90年代國內(nèi)外許多大型橋梁安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如丹麥的Great Belt、日本的明石海峽大橋等。

2 橋梁損傷診斷的方法

2.1 動(dòng)力指紋分析法

動(dòng)力指紋是指從動(dòng)力測(cè)試中獲取的含有結(jié)構(gòu)特性信息的動(dòng)力響應(yīng)及其衍生物理量。結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損傷，其結(jié)構(gòu)參數(shù)，如剛度、質(zhì)量、阻尼等會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致相應(yīng)的動(dòng)力指紋的變化。動(dòng)力指紋損傷診斷法的基本思想是尋找與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相關(guān)的動(dòng)力指紋，通過分析與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相關(guān)的動(dòng)力指紋變化來診斷結(jié)構(gòu)的損傷狀況。

2.2 模型修正法

模型修正法的基本思想是使用動(dòng)力測(cè)試資料，如模態(tài)參數(shù)、加速度時(shí)程數(shù)據(jù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度分布，使其響應(yīng)盡可能地接近由測(cè)試得到的結(jié)構(gòu)實(shí)際的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。

2.3 遺傳算法

遺傳算法對(duì)其目標(biāo)函數(shù)既不要求連續(xù)，也不要求可微，僅要求可以計(jì)算，對(duì)約束條件也無任何限制，而且它的搜索始終遍及整個(gè)解空間，容易得到全局最優(yōu)解，對(duì)線性問題和非線性問題同樣有效。遺傳算法應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷時(shí)，在測(cè)試獲取信息不多的情況下，能迅速判定損傷位置和程度，即使模態(tài)信息部分丟失時(shí)，遺傳算法尋優(yōu)能力絲毫不受影響。

2.4 其他方法

杠桿原理法主要適用于計(jì)算靠近主梁支點(diǎn)時(shí)的荷載橫向分布系數(shù)和橫向無聯(lián)系或橫向聯(lián)系微弱的無中間橫隔梁的梁橋荷載橫向分布系數(shù)。偏心壓力法適用于具有可靠的中間橫隔梁等橫向聯(lián)系的T形窄梁橋。對(duì)于單箱截面的橋梁可計(jì)算跨中偏載系數(shù)。鉸接法適用于現(xiàn)澆混凝土企口縫聯(lián)結(jié)的裝配式板橋。適用于僅在翼板間用焊接鋼板或伸出交叉鋼筋聯(lián)接或整體化橋面聯(lián)結(jié)但縱向嚴(yán)重開裂的無中橫隔梁的裝配式T形梁橋。剛接梁法適用于無中橫隔梁而僅僅在橋面板處剛性連接的多梁式梁橋。對(duì)于具有內(nèi)橫隔梁的T形梁和I字形梁組成的梁橋，往往因?yàn)闃驅(qū)捿^大不宜采用偏心壓力法，可以采用剛接梁法。比擬正交異性板法適用范圍，適用于橫向剛接的各種結(jié)構(gòu)形式的梁橋，空間數(shù)值法適用范圍，簡(jiǎn)支梁跨中橫向分布，連續(xù)梁橋，拱橋，剛構(gòu)橋。

3 舊橋改造技術(shù)及實(shí)例分析

3.1 舊橋上部改造技術(shù)

橋面補(bǔ)強(qiáng)加固法：根據(jù)橋梁的具體情況，采用不同的加固方法，對(duì)于使用年限長(zhǎng)、破損嚴(yán)重的采用拆除、修復(fù)的加固方案;改善橋梁荷載橫向分布能力，從而達(dá)到提高橋梁的承載能力的目的。具體做法:清縫、灌環(huán)氧樹脂漿；灑粘層瀝青；鋪裝3cm厚AM-10改性瀝青碎石層。上部結(jié)構(gòu)加固方法：根據(jù)不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式分別采取相應(yīng)的加固方法，應(yīng)做到對(duì)癥下藥。提高舊拱肋的剛度、強(qiáng)度和及抗彎剛度和荷載等級(jí)的有效措施，并力圖限制或減小主拱肋的繼續(xù)變形，使得維修加固后得舊拱橋可繼續(xù)使用;設(shè)計(jì)施工的要點(diǎn)盡量使加固構(gòu)件受力，并與原拱橋構(gòu)件形成總體聯(lián)結(jié)，從而提高橋梁的承載能力的一種加固方法。

3.2 舊橋下部改造技術(shù)

橋梁下部構(gòu)造的承載能力及能否正常使用，不僅與墩臺(tái)本身的完好程度有關(guān)，而且往往涉及到基底土質(zhì)與水文等諸多因素，尤其是基礎(chǔ)部分，因?yàn)槭请[蔽工程，多數(shù)處于水下，所以比較難以觀察和判斷。所以，在針對(duì)具體的舊橋下部構(gòu)造實(shí)施加固改造前，首先應(yīng)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料分析與判斷的基礎(chǔ)上，確定下部構(gòu)造是否具有加固改造的價(jià)值，然后從加固技術(shù)和施工工藝上分析能否實(shí)現(xiàn)加固改造目的。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)整體可靠度的驗(yàn)算

雖然可能的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值與橋梁各構(gòu)件可靠概率可根據(jù)可靠度的約束優(yōu)化模型求解得出，但這樣的求解結(jié)果忽略了很多如橋梁結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性質(zhì)及荷載信息等細(xì)節(jié)，只是在簡(jiǎn)化或一定假設(shè)中求得，且由橋梁整體可靠概率求出的橋梁各構(gòu)件可靠概率有時(shí)可能會(huì)存在得出的數(shù)據(jù)不都精確或不是最優(yōu)或不能滿足相關(guān)要求等情況。因此，我們需要對(duì)橋梁整體可靠度進(jìn)行更精確度地驗(yàn)算。而在驗(yàn)算過程中應(yīng)注意必須重新計(jì)算橋梁構(gòu)件的可靠度。當(dāng)今的橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算，已組要的交由專業(yè)設(shè)計(jì)軟件去完成。但電腦只是人腦強(qiáng)大的輔助設(shè)計(jì)工具，是人腦定量分析能力的延伸，但電腦代替不了人腦的智慧思考。設(shè)計(jì)者要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化的正確與否負(fù)責(zé)，對(duì)施工過程中的最不利工況要有預(yù)見性。此外，結(jié)構(gòu)有限元離散化的疏細(xì)成都和邊界假定，特殊荷載工況和荷載組合，收縮徐變模式和溫度梯度模式的選取等，均影響到分析計(jì)算的結(jié)果。在對(duì)設(shè)計(jì)軟件不熟悉的情況下，錯(cuò)誤的輸入則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。鑒于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是一個(gè)暗盒，對(duì)其輸出的結(jié)果還要通過定性的分析與手算進(jìn)行判定和校核，而且設(shè)計(jì)者可以做到。運(yùn)用概念來把握各種計(jì)算結(jié)果的數(shù)量級(jí)和范圍，或通過參數(shù)變化判定計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)，能夠避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用橋梁結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度或失效概率，來描述更為科學(xué)和定量的安全可靠程度,實(shí)現(xiàn)安全、適用、耐久的設(shè)計(jì)要求;另外其還考慮到不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結(jié)構(gòu)運(yùn)行和維修費(fèi)用等在內(nèi)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),考慮如何以最低的造價(jià)實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、合理和美觀的設(shè)計(jì)要求。

[1]劉目明.橋梁工程檢測(cè)手冊(cè)[S].北京：人民交通出版社，2009：54-60.

[2]張俊平.橋梁檢測(cè)[M].人民交通出版社.北京：人民交通出版社，2007：7-8.

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1674-6708（2012）59-0110-02