橋梁可靠度分析方法

Ⅰ 橋梁的全面檢測技術

為了保證既有橋的安全運營和盡可能處長其安全使用年限，應對既有橋進行檢測，而且應定期進行所謂全面檢查就是對橋梁的引道、周邊環境、地基下部結構、上部結構、橋面（包括橋面鋪裝層、伸縮縫、人行道、欄桿、防撞設施、排水設施、照明及防雷設施）、支座等作全面查看、量測。
1 橋梁的全面檢測
1.1 對引道及橋址周邊環境進行檢查量測
①查看正橋與引橋、引道（線）的銜接處是否正常，與竣工時的情況相比較，是否有變化。②橋址及其附近的水流河道是否改變，必要時還應測定主河槽的水流速度及其流向；橋下凈寬有無改變；橋墩台處培卜的局部沖刷與設計有有關數據相比是否增大。③兩岸的橋頭填土石砌錐坡有無沖刷、滑移和損壞。
1.2 量測全橋的標高和線形
①橋的標高和線形有聯系關系，但又有區別。前者是指某點的高程值，後者則是橋梁相關點的連線。一座設計施工質量良好的橋梁，其標高和線形均應達到設計期望值。②量測的主要部位和項目有：墩台的支承墊石（即支座墊板）頂面、承台頂面和梁底處的標高；墩台身在橋的縱、橫向有無偏移傾斜。a對斜拉橋和懸索橋，還應量測其主塔身在橋的縱、橫向有無偏移傾斜，塔頂的變位。b對懸索橋，還應量測主纜的線形；③對拱橋，還應量測拱肋軸線的線形。
1.3 圬工梁拱檢查量測
①檢查圬工有無風化、剝落、破損及裂逢，特別注意變截面處、加固修復處及防水層的情況。對圬工剝落、裂縫處，應注意鋼筋的銹蝕情況。鋼筋混凝土梁應重點檢查寬度超過0.2mm的豎向裂縫，並注意檢查有無斜向裂縫及順方向的縱向裂縫。預應力鋼筋混梁要觀測梁的上拱度變化，並注意檢查有無不允許出現的垂直於主筋的豎向裂縫。②拱橋應量測實際拱軸線和拱圈（或拱肋）尺寸，並檢查它們有無橫向（垂直於路線方向）的裂縫發生。
1.4 鋼結構檢查量測
①檢查鋼結構構件油漆塗層的完好程度，有無起皮、剝落、銹斑等。特別是容易積水積塵或不通風部位有無銹蝕。銹蝕嚴重的，應量測鋼板或構件的實際剩餘厚度，以便考慮斷面削弱的影響。②檢查構件有無裂紋、穿孔、硬傷、硬彎、歪扭、爆皮及材料夾層等。要特別注意以下部位有無疲勞裂紋發生：承受拉力或反復應力的桿件與節點板連接處或桿（構）件接頭處；由於損傷造成桿（構）件斷面削弱及應力集中處；縱梁與橫梁的連接角鋼；無蓋板的縱樑上翼緣角鋼；主梁間的縱向聯結系的連接處；單剪鉚釘處；焊縫端部及其附近的基材；U形肋與橫隔板連接處焊縫等。③檢查鋼箱梁工地拼接的大環形焊縫（即同一截面的頂板→ 腹板→ 底板→ 腹板的周圈焊縫）和U形肋嵌補段焊縫有無異常。④檢查桿件的平直度，當城市桿的彎曲矢大於桿件由長度1‰、拉桿的彎曲矢度大於桿件自由長度的1/500時，均應注意彎曲的影響。⑤檢查鉚釘頭有無銹蝕，鉚釘有無松動。檢查高強度螺栓是否完好，有無松動和延遲斷裂等情況；有無因銹蝕或其它原因降低磨擦力現象；並應嚴密注意節點滑移的拱度的變化。
1.5 磚石砌體的檢查量測 磚石砌體不同於鋼筋混凝土的一個特點是，抗拉強度更小，結構脆性大，開裂荷載比較接近或幾乎等於破壞荷載。因此，當磚石砌體出現由於荷載引起的裂縫時，往往是砌體破壞的特徵或前兆。
1.6 墩台及基礎的檢查量測
①墩台的缺陷主要表現是：裂縫、剝落、空洞、鋼筋外露及銹蝕、老化、變形位移等。②檢查時，應對裂縫及破損具體位置、寬度、長度、深度進行量測和描述，繪製成圖。
1.7 地基的檢驗 當發現墩台有沉降、傾斜、位移時，一定要對地基進行探測和商討。對已成橋的地其檢測是比較困難和麻煩的。可用觸探和鑽孔取樣的方法，也可用荷載板試驗。但很難在原位進行，常常只能是接近基礎原位。對岩地基，可在基岩的露配鎮穗頭地點進行檢驗。
2 橋梁的檢測定位方法
在結構損傷檢測定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。
2.1 精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應預測的重要前提；也是結構安全監測,損傷檢測以及實現最優振動控制的基礎。但是，盡管有限旅運無法得到了高度的發展，實際復雜結構的有限元模型仍然是有誤差的。有限元建模為結構飛行提供完整的理論模態參數集，但這些參數常常與結構模態實驗得到的參數不一致。因此，必須對結構理論模型進行調整或修正，使得修正後的模態參數與實驗相一致，這一過程即有限元模型修正。
模型修正法在橋梁監測中主要用於把實驗結構的振動反應記錄與原先的模型計算結果進行綜合比較，利用直接或間接測知的模態參數，加速度時程記錄，頻響函數等，通過條件優化約束，不斷地修正模型中的剛度和質量信息，從而得到結構變化的信息，實現結構的損傷判別與定位。其主要方法有：①矩陣型法，是發展最早，最成熟，修正計算模型的整個矩陣的一類方法，它具有精度高、執行容易的特點，主要缺點是所修正的模型的物理意義不明確，喪失了原有限元模型的帶狀特點，這方面的代表應屬Berman／Baruch的最優法。②子矩陣修正法，通過對待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數，通過對宇矩陣修正系數的調整來修正結構剛度，該方法的最大優點是修正後的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對稱，稀疏性。③靈敏度法修正結構參數通過修正結構的設計參數彈性模量E截面面積A等來對有限元模型進行修正。
2.2 指紋分析方法，尋找與結構動力特性有關的動力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結構的真實狀況。
在線監測中，頻率是最易獲得的模態參數，而且精度很高，因此通過監測頻率的變化來識別結構破損是否發生是最為簡單的。此外，振型也可用於結構破損的發現，盡管振型的測試精度低於頻率，但振型包含更多的破損信息。利用振型判斷結構的破損是否發生的途徑很多；MAC，COMAC，CMS，DI和柔度矩陣法。
但大量的模型和實際結構實驗表明結構損傷導致的固有頻率變化很小，而振型形式變化明顯，一般損傷使結構自振頻率的變化都在5％以內，一般認為自振頻率不能直接用來作為橋梁監測的指紋，而振型雖然對局部剛度比較敏感，但精確測量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依賴於振型的動力指紋都遇到同樣的問題。對橋缺損狀態的評價缺乏統一有效的指標，有人以模糊理論，結構可靠度理論等為理論框架建立了各種橋梁使用性能評估專家系統，但必須首先建立各種規范和專家資料庫。

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Ⅱ 公路橋梁承載能力試驗與檢測方法

1、前言
1.1公路橋梁承載力試驗的目的與作用
全國每年都有一大批結構新穎、雄偉壯觀、形式多樣的橋梁建成，無論在橋梁單跨跨度、結構復雜程度和施工技術難度方面，我國橋梁建設技術水平已進入世界先進之列。
隨著科學技術的進步，橋梁結構的設計方法和設計理論都有了根本性的變化，然而影響橋梁工程質量的許多不確定因素仍然存在，對於建成後的橋梁工程質量旅運，人們更希望了解和掌握其使用性能和效果。
對那些影響較大、結構新穎、隱蔽工程較多的橋梁進行全橋實橋荷載試驗，是竣工驗收時對橋梁工程內在質量進行評判時最直接和有效的方法和手段。同時亦為設計理論、施工技術總結積累經驗，為橋梁建設的整體水平提高創造條件，為今後橋梁的養護管理提供科學依據。
美國一位專家曾說過：「無論多麼高新的結構分析技術都不能取代用於評估公路大橋性能的現場測試。當建築物承受工作荷載時，記錄下應變測試結果，根據測試結果工程師就能更好地了解橋梁的真實結構響應。」
1.2新的公路橋梁汽車荷載標准
我國頒布的行業標准《公路工程技術標准》（JTGB01—2003），將使用近40年的原公路橋涵結構設計採用的車輛荷載標准模式及其分級作了重大調整。一是將四級標准車隊荷載改為公路—I級、公路—，，級兩級汽車荷載二是汽車荷載採用了國外普遍採用的車道荷載和車輛荷載組成的模式；另外，從形式上取消了驗算荷載，將驗算荷載的影響通配鎮穗過多種途徑間接地反映到汽車荷載模式中。
而《公路橋涵設計通用規范》（JTG D 60—2004）亦提出在公路橋涵設計時，車道荷載橫向分布系數應按設計車道數布置車輛荷載進行計算；同時多車道橋樑上的汽車荷載應考慮多車道折減；當橋梁計算跨徑大於150m時，還應按規定的縱向折減系數進行折減；當為多跨連續結構時，整個結構應按最大的計算跨徑考慮汽車荷載效應的縱向折減。
1．3解讀新的汽車荷載標准
美國早在?944年就在美國公路橋梁規范（AASHO）中採用車輛荷載與車道荷載，即雙軌制的活載標准，用以補充活載設計標準的缺陷與不足。採用車道荷載的最大優點是，車道荷載便於在影響線上布載，一旦影響線形狀、面積及最大坐標值已知，則載入手續簡便，計算工作量少而對於特定橋型結構的橋梁，其內力影響線又是一定的。所以，為簡化橋梁活載標准，同時也是為了更加符合橋梁實際使用情況，我國公路橋梁的汽車荷載標准採用國際上常用模式是利多弊少的。
對於新的汽車荷載標准，《培卜通用規范》的條文說明是：
①原規范汽車荷載的計算圖式是一輛加重車和具有規定間距的若干輛標准車組成的車隊表示的，實踐表明這種圖式對人工和計算機載入計算都不很方便，且計算效應隨橋梁跨徑的變化是不連續的。而採用由均布荷載qk組成的圖式，只要知道橋梁的影響線面積和最大豎坐標，荷載效應即可計算出來，並且這些影響線面積和豎坐標值可在橋梁設計的有關手冊查得或通過較為簡單的計算得到。
②規范所規定的車道荷載實際上是一個虛擬荷載，它的標准值qk和pk是由對汽車車隊（車重和車距）的測定和效應分析得到的。
③在橋梁設計時，為取得主梁的最大受力，汽車荷載在橋面上需要偏心載入，其方法仍可用車輛荷載偏心載入，從而得到汽車荷載橫向分布系數。
為適應新的汽車荷載標准，在進行公路橋梁承載力試驗和檢測時，則應重點測試橋梁的內力縱向影響線和荷載橫向分布系數，進而分析評定橋梁的實際承載能力。
2、公路橋梁承載能力試驗與檢測方法
2.1橋梁承載能力定量檢測程序
對公路橋梁實施荷載試驗用於檢測和評定其承載能力和實際狀況，應遵循內外相統一的因果規律，通過由現象到本質、由表及裡的深化認識和跟蹤，從檢測和現場荷載試驗入手，尋求橋梁現狀和承載力的定性關系，從而確定橋梁具體測試方案、測試孔跨及其測試部位，按逐級載入的多工況實施靜態測試；按不同車速進行動態測試；利用應力釋放原理，施測結構自重恆載應力（有條件和具有相應測試儀器可考慮做此項測試工作）及混凝土彈性模量；對結構幾何尺寸作空間變形觀測；對混凝土材料標號用綜合法作探測試驗等等。在一系列實測數據的基礎上，將實測值與理論值作相似條件下的對比分析，以校驗系數作為指標參數和合理性的衡量標准。由此，對得出的承載力指標，再經過可靠度分析和實際狀況評定，從而確定橋梁實際承載能力和實際狀況。
2.2橋梁縱向影響線的測試
反映橋梁承載力的主要指標當數各控制截面的內力或應力，按新規范要求，當橋梁的縱向影響線和最大豎坐標已知後，荷載作用效應（內力或應力）即可得到，橋梁的承載能力也就知道。
下面結合工程實例，介紹採用雙軸荷載測定橋梁控制截面內力縱向影響線的方法，進而對橋梁承載能力進行評定。
3、拱橋承載能力測試實例
3.1黃花大橋概況
黃花大橋位於江西省萍鄉市的320國道上，是一座鋼筋混凝土雙曲拱橋，全長188m，主橋三跨，每跨凈距28.5m。主橋設計荷載汽-13，拖-60，橋面凈寬7.3m，無人行道，矢跨比1／6，設計拱軸系數M=2.20，主拱圈寬度為8m，拱圈厚0，88m，立柱式腹拱墩。下部構造為：15#片石混凝土實體墩和橋台，橋墩頂寬2.5m，基礎均為明挖擴大基礎。
3.2測定主拱圈縱向影響線
為測定主拱圈混凝土和鋼筋應力沿拱跨縱向分布情況，即縱向影響線，測試時採用兩輛「羅曼」車偏下游布載，共計10個車位（如圖1所示）。
為了測得縱向影響線，須採用圖1方式布載，將一輛雙軸汽車順橋向布置在各載位上，所得某測點相應的應變示於相應載位的縱坐標上，並用迭代法求得該測點位置影響線縱坐標值。
為了求得某測點的縱向影響線峰值，應首先把荷載的後軸置於該測點的位置上，然後以此遞推其他載位。如圖1中載位①載位⑩的載位系列可求得拱頂截面上各測點的影響線峰值，因為其中載位⑤的後軸正好位於拱頂截面上。
但對L／4等位於縱粱上的各測點與上述載位系統中各載位的後軸作用位置不重合，只能求得這些測點在這些載位下的影響值，而無法直接求得這些測點的影響線峰值。
為了能實測到該測點的峰值，可在此點布置另一載位的後軸，並向前或向後遞推到其它載位，直到橋面的一端，組成一個補充載位系列。如圖1所示，為了補充截面L／4的峰值，補充載位系列為載位11和13組成，載位13的後軸作用點在截面L／4上。為了保證數據正確，荷載要准確稱重，作用點位置要盡可能對准。
3.3橋梁荷載橫向分布系數測定
為測定橋梁的荷載橫向分布情況，分別在試驗孔拱頂和L／4截面載入測得主拱圈撓度，進而求得橋梁的實際橫向分布系數。
②載入為兩輛各重300kN「大交通」偏下游布置.
3.4大橋承載能力測試結果
①由實測的橋梁荷載橫向分布系數可知，大橋各肋分配內力較均勻，整體性能較好。
②在兩輛「羅曼」車作用下，無論是跨中截面的混凝土和鋼筋應力，還是L／4和拱腳截面混凝土應力，其沿橋跨的縱向分布情況，以及相應的縱向影響線均和理論情況相吻合。說明該橋的施工質量和使用性能較好。拱上建築與拱圈聯合作用明顯。
4、連續箱梁橋承載能力測試實例
4.1大橋概況
江西吉安贛江公路大橋全長1577.08m.全橋橋孔布置為34×16m空心板+5×40mT梁+（60+4×100+60）m連續箱梁（主橋）+2X40mT梁+14X16m空心板。橋面凈空為凈—15+2X1.76m人行道。設計荷載：汽車—超20級，掛車—120，人群荷載3.5kN／m2。
本橋主橋上部構造為雙箱單室連續箱梁，下部構造為V形預應力混凝土墩，基礎為中7．8m鑽孔灌注樁。
4.2試驗目的和內容
本次試驗的目的是檢測大橋結構的剛度、強度和整體受力性能，檢驗大橋是否符合設計要求及能否正常使用。因此，根據本橋主橋設計特點，以及正負彎矩分布情況，在汽車—超20級荷載作用下最大正彎矩位於距39號橋墩支座中心沿贛州方向108．9m處跨中截面（以下稱A截面），最大負彎矩位於距39號橋墩支座中心沿贛州方向173．34m處支座截面（以下稱B截面）。各V型橋墩墩頂設縱橫系梁是保證V形墩正常工作的重要部件，縱向系梁為預應力混凝土，橫向系梁為普通鋼筋混凝土。為此，測試截面定為A截面、B截面及41號橋墩墩頂縱系梁中點截面（以下稱C截面）。
4.3測試方法
由於本橋跨徑大，測試范圍長，橋面寬，設計荷載標准高等特點，如採用通常用汽車載入，按設計規范的4列車隊滿布橋面的方法，則需要大量的重型車輛，不僅這種車輛一時難以尋找和集中，而且需花費過多的經費。為此，本次試驗採取對上述截面測取實橋在試驗荷載作用的實際混凝土應力和撓度縱向影響線，並和試驗荷載作用下理論計算的大橋相應截面的混凝土應力和撓度值進行比較分析，從而鑒定大橋是否符合設計要求和能否滿足正常使用。
4.4試驗載入汽車縱向車位布置
試驗時載入汽車縱向車位布置是從39號橋墩上的連續箱梁端部開始，向贛州方向每隔8m作為一個測試車位，用紅油漆和鋼尺在橋面上標出。共計布置41個車位，計載入范圍總長335m。此時載入後對A、B、C截面產生的應力和撓度值很小，可以不考慮其影響。
4.5測試成果分析
4.5.1測試成果分類整理如下列表2—表6
4.5.2測試成果分析
①由表2至表5中各截面的實測值和相應的理論計算值的校驗系數可知，均符合《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中所規定的1.0≥71>0.8的要求，說明本橋無論是從強度上或是剛度上均達到設計要求。
②表6中由實測撓度所推出的活載橫向分布系數，較好地吻合理論計算的活載橫向分布系數，說明大橋的整體受力性能較好，符合設計要求和滿足正常使用要求。
4．6試驗結論與橋梁承載力評定
從吉安贛江公路大橋主橋的鑒定性靜載試驗結果分析，大橋具有足夠的剛度和強度承受設計荷載，其橫向聯系和橋面是強勁的，活載撓度橫向分布與計算值吻合，大橋的整體受力性能良好。因此，可以認為大橋的設計和施工是成功的，達到了預期的目的，可以交付使用。
5、結語
①對於需進行施工質量評定的新建橋梁，鑒定性荷載試驗的控制荷載就是設計荷載；按新規范的要求，橋梁的承載能力可通過實測主要控制截面的內力縱向影響線來分析評定。若是需進行承載能力評定的既有橋梁，應當先進行全橋檢測，查明病害，再確定控制荷載，以防進行荷載試驗時給既有橋帶來新的損傷；如進行荷載試驗是為測試重型車輛是否能通過該橋，控制荷載應選擇與重型車輛具有同樣效應的布載方式。
②鑒於我國現行的《公路舊橋承載能力鑒定方法》中靜力載入試驗項目的確定，主要是針對橋梁主要承重構件而言，對次要承重構件或局部受荷強度以及橋梁橫向受力特徵等問題沒有涉及，而次要承重構件或橋梁橫向受力特徵計算取用合理性直接關繫到檢算結果的真實性，同時局部受荷強度問題往往是造成橋梁無法正常使用的關鍵問題，所以建議增加諸如行車道板、拱上建築以及橋梁橫向荷載分布測定等的載入試驗項目。隨著我國橋梁建設事業的發展，許多新橋型、新結構已在公路上被廣泛使用，所以有必要結合全國公路橋梁普查情況，增加斜拉橋、懸索橋、連續剛構、剛構—連續粱組合體系、無梁板橋、系桿拱、預應力桁架拱、剛架拱等新橋型、新結構的載入試驗項目。
③考慮到在以往的橋梁試驗鑒定中，經常碰到測讀的結構裂縫寬度雖然超限，但試驗測得的結構主要控制截面應變和撓度要比計算結果小得多的情況，如果僅憑裂縫寬度這一單一指標超限就認定一座橋梁承載能力有問題，是不妥的。而規范對裂縫寬度的限制，更多是從耐久性角度考慮的，加上目前影響測讀裂縫寬度的人為因素較多，所以在裂縫評定中建議採用裂縫形態、分布（間距）、高度和寬度以及卸荷閉合等多指標進行綜合評定。

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