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'万方数据学校代号:10536学号:12202030318密级:公开长沙理工大学硕士学位论文中美公路旧桥承载力评定方法的}匕较学位申请人姓名匿亟威指导教师王盔熬援指导教师瑟蕉i三熬握所在学院±丕皇建筑堂瞳专业学位领域蕉箕生±查工猩论文提交日期论文答辩日期2014.042014.05
万方数据TheComparisonsbetweentheChineseandAmericanassessmentmethodsoftheexistingbridges’carryingcapacitybyChenShuoweiB.E.(HunanCityUniversityofScience&Technology)2012AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineering1nArchitectureandcivilengineeringlnChangshaUniversityofScience&TechnologySupervisorProfessorWangLeiProfessorZhangJianrenApril,2014
万方数据长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:蒋硫吱日期:p{牛年皇月2易日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公众提供信息服务。本学位论文属于1、保密口,在——年解密后适用本授权书。2、不保密栖。(请在以上相应方框内打“√”)日期:o_dII-年譬月2G日日期:厶f《;}年譬月26日
万方数据摘要目前世界上最常用的评定方法为基于结构分析的桥梁承载力评定法,且其评定结果较为准确且评定成本相对较低。同时,由于车辆超载及长期服役引起的老化等原因,不少桥梁结构出现病害,破损,甚至发生较严重的质量事故,公路桥梁的承载能力鉴定及安全问题不容忽视。根据1988年中国交通运输部门颁布的《公路旧桥承载能力评定方法》(试行)阐述了关于旧桥承载力评定推荐方法,该法被称为试行法并曾作为我国桥梁承载力评定规范,指导我国的桥梁承载力评估工作。而后,随着桥梁检测技术的不断发展,交通部又颁布了《公路桥梁承载能力检测评定规程》作为新的公路旧桥评估规范法。1994年,美国AASHTO《桥梁状况评估手册》提出了基于荷载因子设计法的评定方法,而后又与2011年出版了《桥梁评估手册》中,提出了荷载抗力系数评估法用于美国各州的桥梁评定。本文根据研究中国和美国两国的桥梁承载能力评定理论,通过比较其评定方法在评定程序步骤、评定公式表达、评定参数的取值及桥梁评定分级等方面的异同,并对国内三座实桥进行检测、数据采集及理论分析,并指出中美桥梁承载能力评定结果的异同。将中国规范中的试行法与JTG法对比研宄表明:后者的桥梁承载能力评定数值总体上要小于前者,说明新的规程将有利于桥梁安全保证,但亦将增加维修养护成本。将美国的LRFR和LFR方法对比研宄表明,LRFR评定法比LFR法桥梁评价结果数值,下降幅度在17%一44%之间。美国桥梁承载力评价趋势与中国一致,亦将更加追求桥梁的安全性。采用中国JTG法和美国LRFR规范方法计算的桥梁承载能力评定结果较为吻合,但比较而言,中国方法估算的桥梁承载能力值较美国法偏高,美国法桥梁评定有着更为严格的评估过程。最后,本文对中美桥梁评估理论方法和应用研究方面存在的问题和有待进一步深入研究方向进行几点分析。关键词:承载能力:评定;公路桥梁;L陬:LRFR
万方数据AbstractInrecentyears,astherapiddevelopmentofeconomyandtransportationinfrastructure,moreandmorehighwaybridgesWasbuilt.Meanwhile,duetotheoverloadingofvehiclesandbridgeaging,thediseaseisproducedonthebridgestructure,andevencausesofseriousqualityproblems,Identifythebearingcapacityofhighwaybridgeshouldnotbeneglected.InChina,MinistryofCommunicationshasbeendevelopinganewbridgescarryingcapacityassessmentmethod((SpecificationforInspectionandEvaluationofLoad-beatingcapacityofHighwayBridge)),duetothedevelopmentinbridgeinspectiontechnology.Previouslyat1989.ChingsMinistryofCommunicationsissued《Carrying-capacityofHighwayBridgeEvaluationMethods(Trial)))toassessthecarryingcapacityofhighwaybridges.1994,AASHTOissued{ManualforConditionEvaluationofBridges))whichputforwardtheLFDmethod.Afterthenin2011issued《ManualforMaintenanceInspectionofBridges))putforwardtheLRFRmethodtoassessmenthighwaybridgeoftheUnitedStates.ThispaperelaboratedthetheoreticalmethodstoassessthecarryingcapacityoftheSino—UShighwaybridges.ThedifferencesofthecarryingcapacityassessmentmethodsoftheSino-USbridgeswerecomparedinassessmentprocedure,formulaexpression,parametervaluation,theclassificationofthebridgeassessmentandotheraspects.Atthesametime,aresearchontesting,datacollectionandtheoreticalanalysisofthreedomesticrealbridgesandpointedoutthedifferencesandsimilaritiesofthecarryingcapacityassessmentresultsbetweentheSino—USbridges.ThecomparativestudyofChinesetrialmethodandJTGmethodshowedthat:thebridgecarryingcapacityassessmentnumericalresultsinJTGmethodislowerthanthetrialmethod.Thisshowsthatthenewassessmentprocedurewillhelptoensurethesafetyofthebridges,butitwillalSOincreasethecostofmaintenance.ThecomparativestudyofAmericanLRFRandLFRmethodsindicatedthat:LRFRmethodgiveslowerbridgeevaluationnumericalresultsthanLF&rangedbetween17%to44%.Americancarryingcapacityevaluationisconsistent丽tllthetrendofChina’Sanditwillalsoseeksecuritymore.TheresultsofthenumericalevaluationofthecarryingcapacityofthebridgesisquiteTl
万方数据consistentcalculatedbyJTGandLRFR,butcomparativelyspeaking,thenumericalresultoftheChinesemethodforestimatingthecan咖gcapacityofthebridgeishi曲erthantheU.S.methods,andtheU.S.methodshavemorestrictassessmentprocedures.Finallv,someproblemsoftheevaluationtheoryandapplicationisputforwardandresearchingdirectioninftli也erisanalyzed.Keywords:carryingcapacity;assessmentlhighwaybridge;L蛋R:LRFRIII
万方数据目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IAbstract⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯II第一章绪论1.1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)1.2桥梁检测评定发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)1.3本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(10)第二章美国桥梁评定研究2.1美国桥梁评定法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(11)2.2美国法评定计算公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(11)2.3桥梁评级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(15)2.4活载模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(17)2.5LRFR评定流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··:⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(17)2.6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(19)第三章中国桥梁评定研究3.1中国桥梁评定法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(20)3.2中国法评定计算公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(22)3.3桥梁评级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(30)3.4桥梁承载力评定流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(30)3.5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(33)第四章桥梁检测与调查4.1桥梁检测与调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(34)4.2桥梁检测样本⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(37)4.3外观质量检查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(38)4.4材料测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(39)4.5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(41)第五章桥梁承载能力评定5.1中国桥梁承载能力评定法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(42)5.2美国桥梁承载能力评定法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(50)5.3桥梁样本评定结果比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(54)5.4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(60)结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(61)参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(63)致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(68)附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(69)
万方数据第一章绪论1.1引言第一章绪论中国作为一个历史悠久的桥梁大国,早在公元前605年就修建了赵州桥,其被称为“国际土木工程里程碑式建筑”。1957年,武汉长江大桥的建成是我国第一次在长江流域修建桥梁。而后,虽然我国桥梁建设水平在不断发展,但目前国内的许多在役公路旧桥应用的技术标准仍然相对落后。随着在役桥梁的服役时间增长,其设计缺陷、自然老化、结构损伤、维护管理工作的相对滞后的问题愈加凸显,现有的旧桥承载能力不能满足现代交通的社会需求,已成为影响交通发展的一个重要因素。与欧美发达国家相比,我国的现有桥梁建设与评估水平仍有一定的差距,如何对已建桥梁的承载能力进行科学,准确评估成为亟待解决的问题。目前国内外桥梁承载力评定的主要方法主要有:(1)以经验评定为主的经验系数法(2)基于结构设计的规范法(3)通过荷载实验评定的荷载试验法【l】。据最新统计,截至2012年中国桥梁建设达到713400余座,特大桥有2688座,大桥有617000余座。在截至2012年的过去十年中,我国投入桥梁修建维护资金438.8亿元,并改造了国内危旧桥2万余座。然而近5年来,我国在役桥梁发生垮塌事故的有37座,造成了严重的人员伤亡与经济损失。美国国家桥梁分类目录(NBI)的曾于2003年进行过相关统计,当时美国有公路旧桥梁58万余座,在役桥梁中经检测有病害问题的约有15万余座,占到了桥梁总数的26%。其在役公路旧桥一般实际使用寿命为44年,但是其设计基使用寿命为75年,出现质量问题的桥梁中,每年要花费约900亿美元来维护【2】。公路桥梁作为交通线路的枢纽,其建设工作是国民经济发展中非常重要的组成部分。桥梁建成通车后,会由于各种因素导致桥梁的承载能力逐年降低吲:(1)由于设计不足而存在隐患(2)结构性能在自然因素的影响而引起的逐渐老化(3)交通量的不断增加,加重了桥梁的负荷,使桥梁的结构性能加速退化。世界范围内,由于桥梁承载力不满足要求而发生桥梁倒塌的事故时有发生,如英国Ynys—Y-Gwas桥和意大利SaintStefano桥等后张预应力混凝土桥梁分别在服役33年和40年时候在自重作用下发生脆性倒塌,我国的杭州钱江三桥和辽宁盘锦辽河大桥的倒塌,其原因很大一部分是预应力筋的腐蚀所致。由此,1992年英国终止了该国后张灌浆预应力混凝土桥的修建工作,直1
万方数据硕士学位论文到1996年新标准的公布后才开始重新修建,该事件曾震惊了当时的工程界。我国是后张预应力混凝土梁桥大国,随着时间推移,这些桥梁耐久性问题将日益突出,如何掌握这些桥梁承载能力是摆在人们面前的迫切任务。对旧桥承载力的鉴定工作,应按照全面检验,通过对全桥细节检测,承载力计算,全桥承载力评估方法的步骤,先依照检测情况核定折减系数,再对情况最恶化与受载最重的主梁计算,最终依照计算结果对受检桥梁的承载能力评定【4】。1.2桥梁检测评定发展现状1.2.1国外桥梁检测评定现状19世纪80年代世界各国开始兴起了对在役桥梁的检测评定工作,尤其在发达国家,桥梁工程的重心已经从建设修建转移到对在役桥梁的维修养护、评定加固方面,该方面工作也取得长足发展。1980年英国颁布了结构评估规范,在法国巴黎与布鲁塞尔、华盛顿也先后召开了关于旧桥评定,维修加固问题的研讨会【5司。日本在1988年于大阪举行了桥梁结构的重新评估国际研讨会,该会议对准确评定在役桥梁的实际承载力及在役桥梁安全方面的问题进行了讨论,对于如何找桥梁发生病害问题的早期,正确展开评定工作,从而采取相应的维修加固方案进行了研究;1990、1993和1996年,在英国召WT"--次国际桥梁管理会议【7】;2004年北京国际桥梁结构评估研讨会中,崔玉萍,王晓江,张沉等学者对桥梁检测及评估研究进行了相关探讨【81,2007年上海举办的第七届国际桥梁会议上,陈艾荣教授与国内外众多学者对桥梁运营评估与评价,桥梁性能退化,损伤检测,使用寿命预测进行了深入讨论。针对近年来行业创新科技成果,2014年的“国际桥隧技术大会”上,对绿色材料技术、BIM技术、桥隧工程项目的信息化技术、高分子材料的应用及桥梁评估检查技术等方面进行了探讨。LRF评定法与LRFR评定法是美国桥梁评估规范发展过程中的两种基于既有结构评估的评估法,对评估工作而言,其主要优点是它的评定参数和设计规范中我们已经熟悉的分项系数相类似。由此,对于这种基于分项系数法我们可将其定义为结构评估中的荷载抗力系数评估(LRFR)。通过计算归纳,得出其对于材料极限强度的折减,活载、恒载的荷载系数[9_111。英国目前的桥梁结构评估其主要有BD与BA两个评估标准,它们均包含了评估荷载、对象与特殊桥型的评估规定,及出现桥梁病害不满足使用要求时的维护管理方法,两种评估方法都是在设计规范的基础上发展起来的。BD2I/01标准主要用于干线公路桥2
万方数据第一章绪论梁的评估,可用于评定钢桥,拱桥与混凝土桥,但不能用来评估木桥、石板桥。其在计算分析时,在考虑结构缺损状况的前提下,按照英国运输部BS5400、BD15、BA16、BA55标准中规定的计算方法计算,当结构工作状态正常,分项系数中活载和材料的安全系数按标准取值。一般情况不计算其极限使用状态。评估过程中,英国的桥梁评估由简单到复杂共分为5个级别。德国在统一前,东德与西德的桥梁设计与评估规范各不相同,在其于1990年统一后,根据DIN1027标准对原东德范围内的桥梁进行了结构设计、结构状态、荷载等级等方面的评估。德国的桥梁结构评估是建立在桥梁结构设计规范的基础上的,以极限状态法进行评估,当结构破坏前无明显症状时,安全系数,,取值2.1,当结构破坏前有明显症状时,安全系数y取值1.75.其安全系数与设计规范相比没有降低。挪威的桥梁评估自1973年将极限状态引入设计规范中,是该国桥梁结构评估计算的唯一方法,在评估计算中主要依据桥梁设计规范,考虑材料的弹性行为进行分析计算。根据该国标准规定,在焊接钢桥中,当活载与恒载的比值较高,活载车辆荷载较大,超载超重情况明显,应在评估结果中考虑疲劳寿命。对混凝土桥进行评估的过程中,在进行裂缝宽度验算时应采用使用极限状态法。法国的桥梁评估没有专门的标准,其评估准则主要依据桥梁设计规范,通过对结构进行弹性、塑性与非线性分析,分析结构的实际使用状况。在进行计算分析前,先进行现场调查、无损检测,以更准确的在计算分析时将结构模型细分,评估中选取的材料、恒载安全系数与设计值相比有一定的降低。在评估过程中,承载能力极限状态设计法针对钢筋混凝土桥评估,使用极限状态法针对预应力混凝土桥评估。日本根据桥梁检测评估结果,将桥梁评定分为5个等级,通过耐负荷性能评价法,比较桥梁的实际应力与设计应力直接的差别,从而判定所测桥梁的耐负荷能力。在进行应力测定时,测定一般为72小时或更长,再根据测定结果,将桥梁结构的最大应力度与设计值相比较,当分析计算所得的耐负荷性能小于1,桥梁评定为安全,大于1时,桥梁需进行加固处理。MohenA.ISSA、ShuminTsuitl21等研发了基于计算机技术的桥梁维护管理系统,其主要用来对在役中小型公路桥梁进行分析与评价。日本KusidaM,MiyamotoA[131等认为评估桥梁结构性能的因素有很多,如承载力,耐久性,安全性等,因此其利用具有学习能力的系统建立了可用于旧桥等级评估的桥梁3
万方数据硕士学位论文评定专家系统BREX,进行旧桥实际状态评估工作。A.EminAktan和DanielN.Fathey_[14】等采取对数据进行综合分析及试验分析的方法对桥梁状态进行综合评定,通过采集了七座桥梁的非破坏性试验与破坏性试验数据,进行了桥梁结构损伤识别,阐述了桥梁状态评估和可靠性评估结果。Zhao[”1等运用基于观测所得数据的模糊专家管理系统来评估在役公路桥梁的损伤状况,主要运用模糊理论的聚类分析法,用经过修正后的峰值聚类法来作参数识别,进而进行数据获取及规则优化,全面考虑了混凝土桥梁的开裂与剥落两种病害影响。BelytschkoT,LiuWK与MoranB[16】利用有限元在桥梁结构承载力非线性分析中的应用,对桥梁承载力进行了相关的探讨。wd)(inRen,IssamEHarik等【l7】利用实测结果对结构初始有限元模型进行了修正,经过修正后的计算模型的频率及振型与桥梁的实测结果吻合情况较好,用于对桥梁进行相关的动力与承载力的分析计算。Va曲efi,K和Oats,R等㈣研究遥感技术来用于评估和监测桥梁基础设施的状况,提高检验,维修和恢复工作的效率。探讨了遥感技术技术被在桥梁评估中数据收集准确性,商业可用性,可分析和解释的复杂性等方面的应用。Cai,C与Shahawy,M.[19]通过现场测试的方法来评定桥梁的既有承载能力,通过采用荷载分布因子LDF和梁分布因子GDF两种方法来评定桥梁承载能力。Barker,M.G[删通过研究桥梁评估中各种因素的影响情况,并将各影响因素量化,通过确定有益效用来源及去除部分无益影响,使得桥梁评估工作更为方便快捷。Varela.Ortiz,W.,Cintr6n,C.[201等通过研究美国陆军工程师研究与发展中心的无损技术,将涉及桥梁检定用探地雷达(GPR)与非破坏性的荷载测试技术相结合。通过探地雷达技术提供有价值信息,探寻结构的活荷载的响应情况,用荷载测试技术更为准确的评估现有桥梁的承载力。Wang,N.,Ellingwood,B.,andZureick,A【2l】.介绍了AASHTO(AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials)桥梁评估三种方法,在基于可靠性的LRFR荷载评估法中,提出了改进后的评定法来更准确的评估桥梁承载能力。Zhu,J.和“u,B[223提出一种以性能指标为标准的评定方法对钢筋混凝土桥梁进行评定,评估其使用寿命,生命周期的维护成本以及提出维修加固策略。通过将状态指标,可靠性指标,寿命和桥梁的生命周期维护成本视为四个独立的目标函数,对桥梁结构建立多个线性模型进行验证分析美国交通运输部门针对各州在役钢、桁梁桥的运营状况进行状态评估,评估桥梁节4
万方数据第一章绪论点、桥板间的连接状况,这通常需要有准确的图纸来获得已建桥梁的详细板,构件等结构的具体尺寸。对于某些桥梁其建成的信息已经失效,或提供的图纸可能并不代表实际的现场条件。为了填补这一空白,Higgins,C与Tul-an[231开发近景摄影测量技术来快速和准确的进行现场测量及板件的几何形状的收集,该法用于连接的评估和评级,处理后的图像尺寸测量的结果是一样甚至更优。纤维增强聚合物复合材料(FRP)近几年来逐渐被应用与钢筋混凝土桥梁结构中,其材料特性可用于结构的维修加固。在实验室环境中FRP材料性能在许多情况下都能够表现良好,但是针对桥梁结构所处的实际环境,其长期性能仍待考证。Allen,D和Atadero,R【24】针对一座使用了FRP材料进行加固8年后的拱桥进行结构耐久性评估,通过使用声学探测和热成像仪进行检测,评估FRP材料对结构耐久性影响状况。在桥梁的生命周期中,由于随机流量负载和恶化的路面条件的动态影响,对桥梁构件可引起严重的疲劳问题。Zhang,W和Cai,C[25】使用可靠度的方法处理输入参数作为车桥动力系统的随机变量,进行桥梁结构的疲劳可靠度评估,探讨了其在生命周期中,依据现有桥梁的车速和路面粗糙度情况产生的随机效应下的可维护性,还讨论了路面状况,车辆的速度对疲劳可靠度指标和疲劳寿命的影响。Bell,E,Lefebvre,P等【26】提出了一种客观的荷载评估法,利用近年来桥梁设计,施工和管理模式的变化的优势,进行结构模型,仪器和无损检测。通过创建基线结构模型,并利用结构健康监测(SHM)受控的静态负载测试期间收集的数据进行验证,将该结构产生的额定负荷因素与AASHTO标准评价方法进行比较。在桥梁管理过程中,桥梁评估者需要对桥梁实际状况有清晰的评判。全国桥梁库存状况评级数据,和公认的核心状况的数据,是美国的桥梁状态数据的两个主要来源。Bektas,B和Carriquiry,A[27]等提出使用分类回归树的方法,进行桥梁库存状况评级。该回归树的数据是由三个州的运输机构所提供的桥梁状态数据进行分析得到的,结果表明该方法具有较好的适用性。1.2.2国内桥梁检测评定现状我国交通运输部门在逐渐积累桥梁评估技术经验,并通过学习国外相关技术知识的基础上,积极开展桥梁的承载力检测评估的相关工作,还颁布了相关的标准,如1982年颁布了《大跨径桥梁的试验方法》,1988年颁布了试行的《公路桥梁承载能力鉴定方法》[281,2003年颁布了《公路桥梁承载能力检测评定规程(征求意见稿)》,2004年颁布5
万方数据硕士学位论文了《公路工程质量检验评定标准》等规章制度,目前最新的评定规范为2011年颁布的《公路桥梁承载能力检测评定规程》。我国交通运输部门在《公路养护技术规范》(JTJ073.96)基础上,编制了《公路桥涵养护规范》(JTGH11.2004),用于指导在役公路桥梁的养护管理。2005年,交通部将《公路桥涵养护规范》中的第三章第五节单独提取出来,以该部分内容为基础,单独成册,编写颁布了《公路桥梁技术状况评定标准》,并于2011年正式实施用于公路桥梁定期的检查评估工作。《公路桥梁技术状况评定标准》的评定计算从桥梁构件开始,而《公路桥涵养护规范》中的评定计算从桥梁部件开始,两者都采取了对桥梁主要部件最差的缺损状况进行评定,前者比后者的计算准确度和计算深度都有了一定的提高,也更接近桥梁的实际状况。在评定结果上,经由《公路桥梁技术状况评定标准》评定的桥梁其一类桥数量减少,二三类桥数量增加,四类桥基本不变。另外《公路桥梁技术状况评定标准》考虑到桥梁上部结构的类型的不同,将桥梁上部结构进行了分类,分为梁式桥、拱式桥、斜拉桥和悬索桥四种类型,使得评估者对标准的使用更为方便,评估结果更为精确。我国交通运输部门现行的评定方法是在试行版的《公路旧桥承载能力鉴定方法》基础上法中发展起来的,该方法基于原有桥梁设计规范采用的承载力计算公式,通过对评估桥梁采用旧桥检算系数,依据混凝土质量,裂缝宽度,固有模态参数的相关鉴定结果,对桥梁结构抗力采取相应折减。如旧桥各部分状况良好,桥梁结构未产生相应病害,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。除了进行常规的规范标准检测评定法,我国学者也在现有桥梁评定法基础上不断进行探索,王永平‘2堋等根据结构损伤度来判断评定桥梁的结构构件损伤,运用模糊数学理论建立基于模糊理论的综合评价体系,该体系知识库经多位专家建议及专家经验而得,且系统具有一定的机器学习能力。刘沐宇、袁卫国、任飞[301基于层次分析法的原理,创建了对于在役拱桥的评价模型与相关评定指标,该体系主要基于桥梁状态评定,通过结合模糊数学原理对该桥梁评定工作进行了完善和补充。陆亚兴31】等采取五级评价标准对桥梁结构进行评定,根据所测桥梁结构的特点和损伤类型,通过采用桥梁缺损状况指标BCI(BridgeConditionIndex)对桥梁进行评估建模,并对模型的各项评估参数进行标定,并对桥梁缺损状况指标与旧桥加固维护方面的6
万方数据第一章绪论策略进行了研究。潘黎明‘323将模糊数学理论、层次分析法与神经网络法三种理论联系起来对在役桥梁进行状态评价,以此研发的专家评估系统其通过将评估桥梁状况的各影响因素条理化,建立本构关系模型。以判断矩阵进行两两比较,经由专家调查来标定桥梁状况各指标权重,再通过模糊理论进行加权综合评定,最后引入神经网络理论,利用其功能特点来对桥梁进行安全性、耐久性评价。我国西南交通大学针对大漂流石河流桥的相关病害机理,开发了针对该类桥的专家评估系统,采用专家系统对旧桥承载能力做出合适的判断陋361。赵国藩和李云贵【371针对既有评估结构与拟建结构的异同,将可靠性评定理论与模糊数学相结合,提出对结构可靠性进行准确分析的理论与步骤。王有志【381根据钢筋混凝土梁式桥结构特点,首先计算出各部分受力构件的承载能力降低率,再依据层次分析法原理,将其合成为结构体系建立评估指标,从而提出了基于桥梁结构体系的实用评估方法,并在此基础上开发了一个自动评估系统,对结构在维护保养、加固或拆除等方面提出了宝贵意见。张玲玲[39】等改进了过去桥梁结构评定主要依靠专家经验,评估过程不够客观的缺陷,采用结构可靠性模糊评判的相关原理与步骤,通过综合模糊评定法对在役桥梁结构的可靠性进行了评估。季征宇[删等通过对受损部件结构进行承载力综合模糊评定,对海洋平台的桥梁结构受损状况进行评估,并开发了相应的专家评估系统。胡雄【4ll将桥梁结构分为小的子结构,并以其组成的系统采用神经元理论来建立神经网络评估系统。该系统有一定自学能力,可对旧桥进行安全性和耐久性方面的评定,且弥补了过去神经网络评估法中权值不够准确的”黑箱“问题。刘沐宇[42】依据规范里的相应评级标准,对桥梁结构考虑了结构缺损状况、实际承载力影响因素等问题,采用了校正系数的方法,以结构开裂度,结构锈蚀率等指标采用模糊神经网络法对所测桥梁进行安全性评定。任宝双[43即】考虑了钢筋混凝土简支桥受到黏结破坏,从而影响结构承载力的情况,由此提出钢筋作用系数与钢筋黏结系数作为评定指标,并应用现有规范对所评桥梁进行刚度估算与承载力的估算。卫红蕊、吕颖钊【45】对恒载效应的概率模型及活荷载效应的概率模型作了全面改进,从可靠指标的延续性出发,考虑构件抗力随时间变化的情况,提出了在役桥梁构件可靠度与剩余使用寿命预测法,并以实例验证了该法的实用性,同时基于系统可靠度理论提7
万方数据硕士学位论文出了在役混凝土梁桥体系可靠度的分析方法。邹兰林惭】以频率校验系数为指标快速评定桥梁结构承载力,以编程计算为手段对桥梁结构动力响应进行系统分析,最终建立桥梁结构承载力综合评定系统,为同类装配式板桥快速评定结构承载力提供了有效的参考依据。陆新征、张炎圣H7】等进行了基于非线性有限元和快速建模的桥梁承载力预测研究,介绍了非线性精细建模技术,通过实例证明了非线性有限元模型的计算准确性,并开发了快速建模程序,为桥梁承载力预测技术的工程应用提供极大方便。林鸣,陈康,赵少杰【48】针对准确评估旧双曲拱桥承载力评定中的难点,在对桥梁进行现场调查与荷载试验的基础上,采用迈达斯有限元软件对评估桥梁使用空间格法建模,提高了评估结果的准确度。崔玉涮49】详细阐述了我国公路旧桥的现状、检测评定理论及相关问题,针对桥梁评定方法中关于损伤识别与桥梁剩余承载力的评估中目前存在的问题进行了讨论。刘扬、张建仁‘删主要探讨了结构受到了整体锈蚀与局部锈蚀情况下,通过建立两种锈蚀模型,对公路旧桥的承载力可靠度进行了评定研究。杨则英,黄承逵,曲建、波【511结合了神经网络,模糊原理与遗传算法,将三种方法融合在一起研发了具有调节能力的桥梁耐久性专家管理评估系统。因为该系统具备白适应与学习能力的特点,克服了原有传统评估系统学习能力较差的缺点。赵启林,姚冰,李志刚【521考虑在军事环境下桥梁结构可能受到总重或轴重超过限值的车辆通行的情况,通过对评估桥梁外贴光传感器,进行加载试验,获得评估桥梁结构的应变信息,提出了一种利用光圈传感技术的桥梁安全性快速评定法。陆新征、张炎圣掣531建立了非线性有限元模型,对桥梁承载力进行建模分析,阐述了非线性精细建模技术的运用。并用实列证明非线性有限元模型其计算较为精确,同时研发了快速建模程序,预测桥梁的实际承载力。樊学平,吕大刚[54]将桥梁结构的时变特性作为一个重要考虑因素,认为结构性能会随着时间动态变化。通过结构检测获得相关检测数据,并对结构建立贝叶斯动态线性模型,对其不断的进修正,使得最终的动态模型能够更好的反映出桥梁结构的实际状况,再利用模型预测结构承载力下降趋势与可靠度变化情况。吕毅刚,张建仁,彭晖等【55】为了准确评估有钢筋混凝土拱肋实际承载力,将结构拆分为不规则的五边形,并以此为基础建立评估指标。考虑了各评估因素间的互相影响,采用“雷达图”将各变量在同一个坐标系中进行标定,通过非线性变化提取“雷达图”R
万方数据第一章绪论的特征向量,推定旧桥检算系数z1的取值,降低评估过程中各影响因素的线性关系,使得评估结果更为准确。刘晓尧掣561提出了基于结构频响函数(FRF)的损伤识别方法,包括静态模式法、动态模式法、神经网络法等,并对用静态神经网络法进行桥梁的损伤识与状态评估别作了具体的研究。吕颖钊、宋一凡、贺拴涮571等对简支梁桥和连续梁桥的承载力进行研究,将多梁式结构的空间可靠度问题转化为单梁式结构的平面可靠度问题,简化了梁桥结构体系承载力的估算程序。周枚、张明、彭挺掣58]将人工神经网络(㈣技术引入Pc梁桥承载力评估中,抽取了8种损伤指标作为BP神经网络的输入值,建立了PC梁桥承载力预测的3层BP网络模型,并讨论了提高模型预测精度的措施。乌晓光、郝际平、苟洁‘5吼等提出了利用模糊数学等级评定的贴近度分析法,结合模糊综合评判探讨了IEl桥承载力等级评定,改善了既有的最大隶属度法带来的评判误差,使得旧桥承载力等级模糊综合评判结果更贴近工程实际。刘浩,王婷婷‘删考虑了大跨度桥梁承载力不均匀,局部的承压绕度形变程度极小,过小的形变导致形变部位基准坐标点不准,由此提出一种基于GPS补充技术的大跨度桥梁结构的承载力检测方法,对形变部位的坐标值进行残差修正补偿,减小转化坐标误差的影响。杨绿峰,李琦,张伟【61】基于弹性模量缩减法建立了钢桁架梁桥构件安全系数和结构整体安全系数的便捷计算方法,提出了结构两层面安全分析和优化方法结合的方法,通过调整高承载和低承载构件的截面强度,使钢桁架梁桥的承载状态和材料消耗得到优化,,避免了繁琐的非线性分析和优化计算过程。史文军[蚓针对中小跨径钢筋混凝土梁桥的承载能力评估特点,提出了基于准静态影响线的桥梁承载能力评估方法,以影响线进行有评估桥梁的限元模型修正,并进行计算分析,完成对桥梁承载能力的评估。曹慧,梁鹏,吴向男等[63】利用裂缝信息实现对RC梁桥承载力的定量评估,该方法选取裂缝间距、宽度和高度作为参数,运用层次分析法确定各参数的权重,得出裂缝指标的计算表达式。通过对大量实际裂缝进行调查统计分析,得出裂缝指标与RC梁桥承载力检算系数的对应关系,通过结构抗力表达式进行结构检算,最终对桥梁承载力作出评0
万方数据硕士学位论文定。1.2.3桥梁检测评定发展趋势检测和评定桥梁是一种实践活动,但它总是与理论分析保持着密切联系,但由于多方面的原因,如理论与实际情况的差异,设计中使用的性结构模型分析具有一定的局限性,简化了桥梁结构,导致实际测试结果往往存在一定差距。当对在役桥梁进行检测评定时,这种差异更大,由此我们的桥梁检测评定技术要不断的进行完善,使得评定结果和理论值相吻合。在检测评估过程中可以用设计理论来指导,评估结果也可以完善设计理论,这两者相铺相成,缺一不可。1.3本文主要的研究内容影响桥梁评估的因素有很多,如结构原规范设计标准,现场实际情况,工艺技术等方面的不同,造成了中美桥梁评估技术方面的不同。相比较而言,欧美发达国家的桥梁设计施工、维护管理、新工艺材料的应用方面要更为先进,我国应学习其先进理论,缩小我国桥梁建设和欧美发达国家之间的差距,如何对已建桥梁的承载能力进行科学,准确评估成为亟待解决的问题。由此,主要以我国桥梁评定规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》,与美国的桥梁评估规范AASHTO《桥梁评估手册》(第二版)中相应的内容作比较研究,主要的研究内容如下:(1)用无损测试的方法对所选桥梁样本各部分技术状态、荷载状况与病害缺陷进行调查研究。(1)分别比较中美两国桥梁承载能力评定方法在评定程序,公式表达,参数取值、桥梁评定分级等方面的异同。(3)用中美两国的承载能力评估方法进行实桥案例评估,并对评估结果进行比较。10
万方数据第二章美国桥梁评定方法2.1美国桥梁评定方法AASHTO于1931年第一次颁布了公路桥梁检测评定规范,目前现行的规范为《桥梁评估手册》(2011版)。1970年以前,AASHTO公路桥梁设计规范是基于允许应力法(AsD法)设计,ASD设计法是建立在结构的承载能力不得超过规定极限应力的基础上的,AASHTO((ManualforMaintenanceInspectionofBridges))(1970)中详细介绍了ASD法。19世纪70年代开始,由于预应力混凝土和钢结构的设计是基于混凝土与钢筋的极限应力,ASD法也被不断的完善。为了使评定的荷载因子可以反映结构所受的相关不确定的以及可预测的荷载,比如说车辆荷载,风荷载与地震影响因素,1994年,AASHTO((ManualforConditionEvaluationofBridges))(MCE)提出了新的了基于荷载因子设计(LFD)法的评定方法,并取代了颁布的早前的((ManualforMaintenanceInspectionofBridges))。虽然1994年的评估手册仍然包含一些允许应力法评估的指导条例,但它着重强调的是新的荷载因子评定法(LFR)。美国许多的州立交通部使用基于1994版的评估手册,并在他们的桥梁评估工作中,相继出版了1995,1996,1998和2000年的中期修订版。在1994年,AASHTO的国家桥梁组委会投票表决通过了AASHTOLRFD桥梁设计规范,并在1998年指定LRFD法作为公路桥梁的主要设计方法,该设计规范被纳入公路桥梁的现代设计理论中。LRFD推出了基于可靠性的极限状态设计理念,为每个适用的极限状态提供了更加均匀和可控的安全级别。为了扩大这一理念对现有桥梁的评估,AASHTO颁布了2003版的((GuideManualforConditionEvaluationandLoadandResistanceFactorRating(LRFR)ofHighwayBridges)),第一次介绍了基于结构可靠性的LRFR评定法。现在美国桥梁承载能力评定法中的ASR,LFR与LRFR法均包含在AASHTO出版的((TheManualforBridgeEvaluation))(2011)(MBE)中,用于美国各州的桥梁评定。2.2评定计算公式
万方数据硕士学位论文当对结构进行评估时,评估的重点是活荷载及结构抵抗活载的能力,在AASHTOMCELFR(1994)@,评定等式为:RF=莉C-AID(2.1)42三(1+,)、7式中,RF——分级系数;c——承载能力;C2矽R.A1—恒载系数;D一叵载效应;A,——活载系数;I一活载效应;I__钟击系数;在AASHTOMBELRFR(2011)@,桥梁评估计算公式为:RF:—C-(YDc)(DC)-(Yv—w)(DW)+(y.)(P)(2.2)(yLL)(皿+IM)式中:足F——分级系数;C——承载能力;强度极限状态:C=cp。识伊R。;使用极限状态:c=厶;五——在LRFD中的允许应力;R。——名义构件抗力;DC——构附件引起的恒载效应;DW一铺装层引起的恒载效应;P——恒载以外的永久荷载;LI,一活载效应;IM一动力荷载允许值;yDc——构附件LRFD荷载系数;%酽——铺装层等LRFD荷载系数;y皿——评估活载系数;妒。——状态系数;ep,——系统系数;妒——LI江D抗力系数;对于LRFR评定法与LFR评定法的相关改变可见表(2.1)表2.1LFR评定法到LRFR评定法的改变类别LRFR法LFR法承载能力LRFD中的体。LFD中的蜱。分配系数LRFD相关公式LFD相关公式恒载系数yDC蔫稿7Dw7D活载系数修正的y址儿12
万方数据第二章美国桥梁评定方法状态和系统系数伊。织无允许的动荷载可能基于结构表面状况主要基于结构跨度由上图可知,在LFR评定法中的构件承载能力用评估系数≯与构件抗力R的乘积表示,在LRFR中将评估系数妒进行了细分,将其分为了状态系数唬、系统系数纯与LRFD抗力系数≯三部分组成。在LFR中恒载系数%也在LIaR中被细分为构件及其附属物荷载系数与铺装层荷载系数两部分。同时,u疆R也对LFR中的活载系数y,进行修正,以更符合所测桥梁的实际状况,LRFR评定法比LFR评定法在评估参数上更为细分,评估结果更加精确。构件抗力和荷载分配系数的不同主要是由于LIaR法是基于LRFD建立的,而LFR法是基于LFD建立的。这些在u讧D法中的变化主要是基于校准后的系数够及为了适应交通发展趋势而将规范标准更新后的构件抗力R。。系数眈在评估手册中主要是用于计算结构构件恶化部分,与一个在建桥梁相比,它仍然有许多不确定的部分。在LRFD规范中活载分配系数的主要变化是由于其有更精确且更复杂的分配计算公式。恒载系数y。在LFD规范中为1.3,它在u江D中由如c和如酽两类系数组成。构件及其附属物的LRFD荷载系数‰c的最大取值为1.25,铺装层等U强D荷载系数%∥的最大取值为1.5。当铺装层表面的厚度已经被实地测量过,铺装层等LRFD荷载系数%旷的取值可以取为1.25。美国桥梁承载力检算法评定分为3个水准评定:设计荷载评定、法定荷载评定和允许荷载评定,每种评定方法采用不同的荷载及荷载效应系数。在各个水准的分级评定中,又分别分为高等级的库存评级与低等级的运营评级。在设计荷载评定中的活载系数九,在LFR评定法中,当采用库存评级时,取值2.17,在采用运营评级时,取值1.3。在LIaR评定法中,其在库存评级中取值1.75,在运营评级中取值1.35。在不同的交通条件下,这些系数基于可靠性安全条件下,提供了不同的取值范围。在高级别的评定方法中更加侧重与采用高负荷车辆及重型车辆从桥梁一侧穿行的桥梁承载能力,活载系数提供了基于不同交通状况的相匹配的的计算取值。允许荷载在LRFR评定法中考虑了不13
万方数据硕士学位论文同的许可车辆类型,而在LFR中没有考虑。2.2.1状态与系统系数(吼,织)状态系数纯表示了构件抗力的变化,并随着结构恶化,或结构在周期性检测过程中恶化趋势而增大。这种变化在结构构件的平均抗力中划分为一个单独的问题处理,采用恶化的尺寸和性能来计算构件的名义抗力。状态系数饵涉及到对桥梁状况的定性描述——良好的、一般的和较差的。修正后的仍与不断发展的结构可靠性评估理论联系在一起,同时也与MBE中的理论相一致,并采用了最新的桥梁抗力退化模型及桥梁状况历史评价数据库。根据AASHTOMBELRFR(2011)中,推荐根据桥梁状况取值的状态参数见下表t它也同时与桥梁检测报告中桥梁的上部结构状况评定相联系。虽然状态系数与结构构件的状况相关,但它只考虑由自然因素引起的结构劣化:如腐蚀风化等,而不考虑由于外部事件引起的结构破坏。表2.2眈的取值变化结构构件状况眈良好的1.00一般的O.95较差的0.85系统系数织在LRFR评定法中被修正用于反映系统失效(用于取代构件失效),在评定老旧的桥梁类型时有着非常重要的作用。系统系数服务于老旧桥梁的构件承载力(通过低等级的评定)。系统系数同样适用于计算结构的名义抗力,用以反映结构上部系统的退化级别根据AASHTOMBELRFR(2011)中,推荐的系统系数织的取值可见表(2.3)。简化的织只可以用于检测评定结构和构件在强度极限状态时弯矩和轴向力作用影响。当检测的是强度极限状态下剪力的影响时,根据AASHTOMBELRFR(2011)中系统系数织的14
万方数据第二章美国桥梁评定方法取值为1.0。表2.3织的取值表上部结构类型织焊接型两跨梁桥/桁架桥/拱桥0.85铆接型梁桥/桁架桥/拱桥0.90眼杆式的桁架桥O.90三跨式梁桥(梁跨间距-<6ft)O.85四跨式梁桥(梁跨间距≤4ft)0.95所有其他的梁桥和板桥1.OO横梁间距≥12ft以及非连续型纵梁桥0.85纵梁与横梁之间的子系统退化1.002.2.2活载系数AASHTOMCELFR(1994)版中,在库存评级中活载系数取值为2.17,在运营评级中取值为1.3。然而在LRFR评定法中使用更多不同的经修正的活载系数。LRFR活载系数不仅仅随着评定级别的不同而不同,也随着通车的车辆类型的变化而变化。在设计荷载评级中,LRFR的库存评级中荷载系数托取值为1.75,运营评级中取值1.35。2.3桥梁评级关于LFR与LRFR桥梁评级系统被分为不同的等级,每一个等级对应不同的安全等级。LFR法被分为有2个评定等级,而LRER法被分为更为复杂的3个等级。根据AASHTOMCELFR(1994),美国的公路桥梁应该被分为2个评价等级,库存评级以及运营评级:(1)库存评级:库存评级通常根据常用的设计应力来评定,并且反应了被评估桥梁及结构的状况劣15
万方数据硕士学位论文化部分。基于库存评级的桥梁评估允许使用较新的结构承载能力,由此,允许结构在活载作用下安全的利用现役结构的承载能力。根据HS一20汽车设计荷载,美国联邦公路管理(FI-IWA)中的全国桥牌库存中有相关的规定与报告。(2)运营评级运营评级通常反应了结构可能受到的最大的允许活载。在这一评级系统中,允许使用桥梁所能承载的最大数量的车辆来计算,但这可能会导致桥梁使用寿命的减少。根据运营评级的评价结构可以用来决定是否作出桥梁加固及关闭桥梁通行的相关决定。根据AASHTOMBELRFR(2011)中,评级被分为了三个等级:设计荷载评定、法定荷载评定和允许荷载评定。1、设计荷载评定:设计荷载评定是桥梁评定的第一个等级,在对桥梁的尺寸及性能状况进行核查后,使用HL一93规定的荷载及LRFD设计标准来进行相关评定,它用来评价现役桥梁在新的设计标准下的表现。根据这些检查来甄别现役桥梁在强度极限状态下载设计层面的可靠性或者在一个较低等级的可靠性(与运营评级级相比)。它们之间的不同主要是在于y,系数的取值不同。在库存等级评定中y,系数的取值为1.75,反应了校准后的可靠性指标为3.5。而在运营等级评定中九系数的取值为1.35,反应了校准后的可靠性指标为2.5。2、法定荷载评第二等级评定提供了适用于AASHTO以及国家的法定荷载作用下的保证结构安全的荷载承载能力,国家的法定荷载是指其可适用于任何类型的公路桥梁。在一些线路中,许多桥梁需要先进行荷载张拉以免其受可能遇到的一些破坏。此时,HS.20所规定的荷载被考虑为最适用于代表张拉桥的国家的法定荷载。这一评定法的活载系数是基于在役桥梁的交通状况来选取,评估中主要考虑结构的应力极限状态,使用极限状态及疲劳极限状态可以选择性的应用。法定荷载评级的相关评定结果可以作为桥维修梁加固的决策依据。法定荷载评级中活载系数的取值见表(2.4)。16
万方数据第二章美国桥梁评定方法表(2.4)法定荷载评级的活载系数取值单向交通量活载系数未知的1.80ADTI"->50001.80ADTI毫10001.65ADTT-<1001.403、允许荷载评级在实际交通情况中,由于桥梁可能会受到高于法律规定的许可车辆类型(超重车辆)通行,对此允许荷载评级提供基于此状况下的桥梁安全性、维护性的一系列程序评估。在规定的车辆许可类型及交通状况下,经校准的荷载系数用于表示超重车辆引起的荷载效应。允许荷载评级在对车辆许可证申请进行相关检查时,提供了相关的适用性标准。允许荷载评级程序只适用于有足够能力承受法定荷载作用下的桥梁。2.4活载模型AASHTOMCE(1994)与AASHTOMBELRFR(2011)中将活载模型分为两类,第一类为设计荷载模型,第二类为法定荷载模型。AASHTOMCE(1994)@设计荷载模型由HS20荷载模型与设计车道荷载组成。AASHTOMBELRFR(2011)为指定LRFD的设计设计荷载模型为HL.93。为了将评定程序用于发展LRFR评定规范,尽管特定状态下的活载系数小于国家标准,评定所用的活载系数仍采用全国公认的可靠性评价指标。AASHTOMCE(1994)与AASHTOMBELRFR(2011)中分别将LFR与LRFR评定法指定相同的三个法定荷载模型,类型3,类型3.3及类型3S2。对于设计荷载模型,均可用于LFR与LRFR评定理论中。2.5LRFR评定流程规范规定的LRFR评定法采用了多层次评定标准,在对既有桥梁进行承载能力评估时,先采取设计荷载在库存等级下进行评定,如果算得的评级系数灯大于1时,则表明所评估桥梁的实际承载能力达到相关要求,评定结束。如果RF值小于1时,则再进17
万方数据硕士学位论文行运营等级的荷载评定,如果评定计算的盯值还小于1,则在法定荷载下进行评定,与设计荷载相比,法定荷载由于与桥梁的实际交通量有关,其值相对减小,如所测结果仍不能满足要求,或需获得更精确的评估结果,可采取更先进的评估方法,借助更先进的技手段方法如荷载试验等进行评估。评定流程如图2.1所示。图2.1LRFR评定流程图18
万方数据第二章美国桥梁评定方法2.6本章小结本章主要介绍了美国桥梁承载能力评定法的发展及评定公式,内容及流程,着重介绍了基于基于荷载因子的LFR评定法及基于极限状态可靠性的LRFR评定法,对两种方法的评定计算公式,参数取值,评定内容及桥梁分级进行了介绍、分析与比较。19
万方数据硕士学位论文第三章中国桥梁评定方法3.1中国桥梁评定随着中国经济的快速发展,我国的公路交通也在不断的发展,因此我们需要有一种准确便捷方法来对在役公路桥梁的承载能力进行评估,并采取相应的维护措施,以满足车辆安全通行的需求。在施工阶段可能由于某些情况,会导致混凝土的强度达不到规定的标准,基础深度达不到规定要求,构件的意外受损等情况都会使桥梁的承载能力受到影响。与规范相比,在不同的设计规范,车辆荷载作用下,桥梁的承载能力计算值会有不同。此外,随着时间的推移与桥梁结构所受交通量的增加,结构构件会出现不同程度的老化,破坏,结构的承载能力也会随之下降。目前,已经有许多的理论方法用于评估公路桥梁的承载能力。1988年,我国的《公路旧桥承载能力鉴定法》(称为试行法)作为较早时期的桥梁承载力评定规范,这一评估方法是基于对桥梁的实际检测和结构状况分析来评估公路桥梁的承载能力,然而这一方法,由于其评估结果较为粗糙或者由于评估论的不成熟,其结果对于科研工作者们对桥梁实际承载力的探讨有某种程度上的不足随着桥梁检测技术的不断发展,中国交通部不断的完善着桥梁承载能力评估理论。在2004年,交通部颁布了新的桥梁承载力评估规范《公路桥梁承载能力检测评定规程(报批表)》(称为JTG法),目前其最新的版本为2011年颁布的《公路桥梁承载能力检测评定规程》,这一方法使得桥梁承载能力的评估结果更为准确,更能代表桥梁结构的实际状况。JTG法通过考虑桥梁结构的退化因子如承载力恶化系数,混凝土截面折减系数与刚截面折减系数等,来更精确的计算桥梁承载能力的减少。与试行法相比,现行规范其进步与完善的部分如下:1、桥梁的检测与调查。2、桥梁结构计算。3、根据实测结果判定桥梁承载力。4、对一些评估参数的取值进行了修正。3.1.1桥梁检测的一般性工作流程20
万方数据第三章中国桥梁评定方法我国桥梁检测评定程序中首先要对桥梁历史状况与现状进行调查,收集评估所需的相关数据资料,实际的对桥梁的现状进行初步的现场考察调研,并根据收集到的材料数据,编写检测计划书,准备相应的检测仪器设备,做好检测评估的前期准备工作。在进行桥梁评估的现场详细检查时,可分为一般性检查和详细检查,要采集桥梁实际工作状况数据,根据需要可用仪器工具进行必要的检测工作,如外观质量检查、混凝土强度检测、混凝土碳化深度检测、钢筋保护层厚度、钢筋锈蚀电位检测等内容,再对所测数据进行分析处理,进行桥梁承载能力评估计算,作出评定结果,最后编制桥梁检测评估报告,对评估桥梁提出合理的管理维护意见并存档保存。具体的桥梁检测评估工作流程见图3.1。结构实地考察(快速扫视检查)I●l燃『l动态调查Il数据和资料ll卅“”8确定检测目的制定检测计划建立检测组织检查技术和设备的准备照相H一一芋查H无损或半破损检测叫取煳|取煳I●样品分析(化学,物理)j室内材料试验Ill坏原因评估卜L耐久性分析H损坏发展趋势研究I』r料实际强度H结构评定卜__缺陷损坏评估ll检测评定结果I维修处治措施建议【l加固措施建议图3.1桥梁检测的一般性工作流程21
万方数据硕士学位论文3.1.2中国桥梁承载能力评定影响因素及关系中国公路桥梁承载能力评估,主要基于对公路桥梁安全性在安全性,适用性与耐久性方面的考虑,其中桥梁承载力评估中常见的两种极限状态,承载能力极限状态与正常使用极限状态其分别对应与桥梁结构的安全性评估,适用性与耐久性评估。桥梁结构承载能力评估的核心问题,是弄清影响结构承载能力的相关因素,并通过对结构进行准确的检测,评估结构当前的内力状态,建立检测结果与抗力之间的关系,合理确定结构的安全水平。在桥梁评估过程中,环境作用、荷载作用及材料时变性是影响桥梁结构状况的重要因素,这些影响因素会造成桥梁结构的内力变化,影响桥梁结构抗力,造成性能劣化,再通过对桥梁进行结构状态,承载力等方面进行分析计算,考虑桥梁的安全性,适用性,根据鉴定结果提出实用的可行性意见。基本的关系系可如图3.4所示。3.2评定公式图3.4影响因素与鉴定结果之间的关系试行法所提供的桥梁承载能力评估计算公式如下:(1)对砖石及混凝土桥梁:sd(y,。妒∑y。1Q)≤y6Rd(坠,口k)z1(3.1)ym式中:
万方数据第三章中国桥梁评定方法足——前载效应函数;O——前载在结构上产生的效应;‰——结构重要性系数;Y。1.——荷载安全系数;妒——荷载组合系数;兄——结构抗力效应函数;R7——结构安全系数;%——结构几何尺寸:z,——旧桥检算系数。(2)对钢筋混凝土及预应力混凝土桥Sd(ygG;r。ZQ)<--YbRd(R万。;争(3.2)式中:足——荷载效应函数;G——久荷载(结构重力):以——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,基础变位影响力;yq-_前载Q的安全系数;兄——结构的抗力效应函数;y。——结构工作条件系数;Yc——混凝土安全系数;足——预应力钢筋或非预应力钢筋强度设计采用值;以——钢筋安全系数:zl——旧桥检算系数。3.2.1JTG法桥梁承载能力评估计算公式(1)砖石和混凝土梁桥:趴‰慨翻观浯,akB㈣3,LyⅢ/式中:S。——荷载效应函数:a——荷载在结构上产生的效应;‰——结构的重要性系数,当计算跨径L<50m时;‰=1.00;当50mlOOm时,Yso=1.05;儿。——荷载安全系数,对于结构自重,当其产生的效应与汽车(或挂车或履带车)产生的效应同号时,以,=1.2;异号时,则以,=0.9;对于其他荷载y一=1.4;少——荷载组合系数:岛——结构抗力效应函数;‰——材料或砌体的安全系数;Otk——结构的几何尺寸;B——材料或砌体的极限强度;Zl——旧桥验算系数;乒——横截面折减系数。(2)对预应力及钢筋混凝土桥:
万方数据硕士学位论文Sd(yaG:托ZQ)≤托局(色竺£;毒堕)Zl(1一色)(3.4)ycjls式中:&——荷载效应函数;G——永久荷载(结构重力)效应;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正系数乞;%—前载Q的安全系数;兄——结构抗力函数;%——结构工作条件系数;R。——混凝土强度设计值;心——混凝土安全系数;Rs——预应力钢筋或非预应力钢筋强度设计值;Ys——在钢筋强度设计采用值基础上的钢筋安全系数;z。——承载能力检算系数;孝。——承载能力劣化系数;色——配筋混凝土结构的截面折减系数;善,——钢筋的截面折减系数。通过对比试行法与JTG法两种评估方法的计算公式,可知其不同之处可以分为两个部分,首先,JTG法加入了新的折减系数善。蟊用来处理结构混凝土与钢筋部分的折减,加入了善。来处理承载能力检算系数Z1的恶化,而试行法中没有相类似评估指标。此外,JTG法中还加入了活载影响系数邑用来处理车辆活载对结构承载能力的影响,试行法中也没有进行相关考虑。再比较两评估公式的旧桥检算系数z1,试行法的z,取值主要依靠专家经验,其值较为主观。而JTG法规范中对z,的取值规定更为详细,更多的参考了评估桥梁的检测数据,其判定更为科学准确。中国桥梁承载力评定JTG法与试行法公式表达的比较见表3.1。表3.1中国桥梁评定JTG法与试行法公式表达的比较承载能力评估JTG方法试行法承载能力影响系数Zl一根据桥梁检测数据Zl一根据专家经验混凝土劣化系数孝。无钢筋劣化系数专s无承载能力劣化系数善。无24
万方数据第三章中国桥梁评定方法活荷载影响系数乞无将两评估公式比较后可知,与JTG法相比较,试行法有以下不足:1、规定的检算方法与要点方面太过于死板;2、评定指标单一,可操作性差;3、即使基于实测得到的检测结果,依然无法很好的应用与实桥承载力评定,一般需再进行相应的荷载试验进行补充鉴定;4、荷载试验在鉴定过程中,需要中断交通,且鉴定费用较高,不过其有着鉴定结果较直观的优点;5、即使是通过荷载试验的桥梁,仍不能反映其结构疲劳状况、承载能力潜力、材料强度与结构响应方面,其不定性、耐久性等指标也会对结构承载力有一定影响,然而荷载试验也不能很好的反映。.rig评估法在试行法的基础上,对桥梁结构进行外观检查、无损试验、对其作出承载力评定。其结合了旧桥评估的特点,对各评估参数进行分析判定,在现役桥梁设计规范的基础上,通过采用旧桥检算、恶化、截面折减、活载修正等指标等对桥梁结构的评估承载力进行修正。最终颁布了《公路桥梁检测评定规程》,建立了一套完整的对于桥梁检测指标的定量定性评价指标,作为我国桥梁承载能力评估新规范。3.2.2旧桥检算系数z"依据《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》规定,试行法的公路旧桥的检算系数z。的取值可见下表。旧桥检算系数的取值主要是基于材质,裂缝宽度,结构缺损状况及运行状况。值得注意的是,对于裂缝宽度和混凝土质量、结构损伤等指标可以定量评定。其具体取值主要基于有经验的工程师的判断。表3.2试行法旧桥检算系数Z。取值表检算系数Zl桥梁状况1.1.1.2墩台基础没有出现位移、地基情况坚实,拱轴线的吻合情况十分良好,未发现主拱圈有风化剥落,开裂窝蜂情况,无裂缝或及其轻微的裂缝25
万方数据硕士学位论文1.O.1.1墩台基础有轻微的位移,拱轴线吻合情况有一定的偏移,可以观察到主拱圈有轻微的风化剥落,开裂窝蜂情况,有少量裂缝但其值未超限值拱0.9.1.0墩台基础有小量的位移、设计拱轴线与实际值不太吻合,可以观察到主拱圈有风桥化剥落,开裂窝蜂情况,有较多的裂缝但其值未超限值≤0.9墩台基础有大量的位移、且位移趋势情况不容乐观,可以观察到主拱圈有严重的风化剥落,开裂窝蜂情况,部件组合出铰接不严,且有不均匀沉陷出现,有较多的裂缝且其发展情况严重1.O.1.1桥梁构件的使用功能正常,混凝土质量良好,裂缝宽度未超限值,未发现病害0.9.1.O桥梁构件的使用功能基本正常,混凝土质量较差,裂缝宽度未超限值,有一定病梁害出现桥≤O.9桥梁构件的使用功能收到严重影响,混凝土质量很差,裂缝宽度超限值且有发展趋势,有严重的病害根据JTG法的《公路桥梁承载力检测评定规程》规定,与试行法不同,JTG法将旧桥检算系数z。分为五个级别,对于砖石,混凝土与钢筋混凝土桥来说,其取值主有于三个影响因素:外观质量的评估、混凝土强度的评估,桥梁结构自震频率的评估。这三个因素对旧桥检算系数z。的影响并不是一样的,根据JTG法,其各自所占权重按如下表所示。表3.3旧桥检算系数检测指标权重值检测指标名称缺损状况材质强度自振频率权重吩0.40.3其中,按下式计算确定结构或构件承载能力检算系数评定标度D。D=∑a,Di(3.5)26
万方数据第三章中国桥梁评定方法式中:口』——某项检测指标权重值:D,——某项检测指标评定标度。依据对结构或构件的承载力检验系数的评价尺度,可确定圬工及配筋混凝土桥梁旧桥检算系数Z1,特殊情况下也可以通过专家调查法确定。表3.4JTG法圬工及配筋混凝土桥梁的旧桥检算系数五值结构与构件评轴压轴拉偏压或偏拉受扭受弯或局部承定标度D压l1.201.051.151.101.1521.151.101.051.1031.050.951.OOO.951.OO40.95O.85O.900.850.905O.850.750.800.750.80注:l、小偏压可参照轴压取用Z。值。2、Z.值可采取线性内插。对于钢结构桥梁,其旧桥检算系数Z。的取值见表3.5。表3.5JTG法钢结构桥梁的旧桥检算系数z1值性状描述结构与构件旧桥检算系数Zl值评定标度(0.95,1.05】钢结构焊缝质量好,节点处连接稳定,构件表层无破损;防1护层轻微老化(O.90,0.95】钢结构焊缝质量好,个别节点处连接不牢固,构件表层出现2轻微锈蚀,防护层有老化现象(0.85,0.90】钢结构焊缝小部分开裂,部分节点处连接不牢固,构件表层3出现少部分锈蚀,防护层出现面积10%到20%明显的老化现象,非主要构件出现个别变形严重(0.80,0.85】钢结构焊缝开裂,节点连接处连接不牢固,并出现少部分不4能正常工作,构件表层锈蚀严重,防护层出现50%面积明显的老化现象,主要构件有个别变形严重≤0.80钢结构焊缝开裂严重,节点连接处连接不牢固,构件表层锈5蚀严重,材料性能退化,防护层油漆失效,主要构件变形严重对于拉吊索结构桥梁其旧桥检算系数z。的取值见表3.6。27
万方数据硕士学位论文表3.6JTG法拉吊索结构桥梁的旧桥检算系数z1值性状描述结构与构件IH桥检算系数zl值评定标度(1.oo,1.10】结构表面保护情况好,构件表明无积水锈蚀,混凝土没有出1现开裂(O.95,1.00】结构表明保护情况较好,有轻微裂缝,构件无锈蚀,锚固连2接处无裂缝(O.90,0.95】结构表面出现小部分裂缝,构件出现轻微锈蚀,锚固连接处3有轻微裂缝(0.85,0.90】结构表面出现开裂脱落,构件出现锈蚀,锚固连接处有明显4裂缝≤0.85结构表面大面积开裂脱落,构件锈蚀严重,锚固连接处裂缝5宽度超过0.2咖通过对比试行法与JTG法的旧桥检算系数z。值可知,试行法中将评估桥梁的Zl取值划分为梁桥和拱桥两类,分别对这其进行桥梁结构性状描述,依据工程师的现场检测判断,标定评估桥梁的旧桥检算系数z1。在JTG法中将说评估的桥梁按法圬工及配筋混凝土结构桥梁、钢结构桥梁与拉吊索结构桥梁进行分类,根据规范各类型桥梁结构的性状描述评定标度并加入了外观质量的评估、混凝土强度的评估,桥梁结构自震频率的三个权重标,评估指标更为细分,评估过程中参考因素更为全面客观,相较于试行法而言更符合桥梁的实际情况。3.2.3承载能力恶化系数孝。大多数的公路桥梁都是钢筋混凝土结构,调查表明,近年来,有许多的钢筋混凝土桥梁在结构的设计使用年限之前失效,而其原因有一部分是由于结构耐久性不足。基于结构耐久性影响,非结构性效应对承载力的影响主要是一下几种情况:1、混凝土碳化状况;2、氯离子含量;3、混凝土抗渗性与抗冻性;4、混凝土碱骨料反应;5、钢筋锈蚀电位;6、混凝土强度劣化状况:试行法在评估过程中并没有考虑结构在使用过程中耐久性会随时问而衰退的情况,而JTG法引入桥梁结构承载力恶化系数毒。用来表明桥梁非结构作用时其耐久性所受到28
万方数据第三章中国桥梁评定方法的影响状况,使结构质量在出现缺损老化情况时,对结构该部分因素进行权重考虑,使得最终评价结果的结构仍然具有一定的可靠性。影响孝。的取值主要的因素是结构所处的实际环境情况,这是由于结构功能与材料性状受环境影响变化较大,从而影响结构耐久性。承载能力恶化系数害。的取值可见表3.7。表3.7配筋混凝土桥梁的承载能力恶化系数色值环境条件恶化状况评定干燥干、湿交替标度E不冻无不冻冻侵蚀性介质无侵蚀性介质侵蚀性介质l0.000.020.050.062O.020.040.07O.0830.050.070.100.124O.10O.120.14O.185O.150.17O.20O.25注:色值可采用线性法内插取用。3.2.4结构截面减少系数孝。色试行法中并没有考虑到结构在受到外力作用时,如风化侵蚀等作造成的结构有效截面损失,材料强度降低的情况。JTG法中考虑该因素对桥梁承载能力的影响,从而在桥梁评估过程中引入了结构截面减少系数毒,、色表达结构的截面损失对承载力的影响情况。对于圬工及配筋混凝土桥梁,由于结构特点,材料不同,受环境影响出现的结构损伤如混凝土剥落等原因造成截面损失,并由于这些有效截面的损失,结构的承载力会有一定折减。根据JTG法,结构截面折减系数孝,、善。的取值可见表(3.8)(3.9)。表3.8配筋混凝土钢筋截面折减系数善。的取值评定性状描述截面折减系数善。标度1沿钢筋出现裂缝,宽度小于限值(O.98,1.oo】29
万方数据硕士学位论文2结构受周围环境影响出现锈蚀,引起混凝土的剥落,(0.95,O.98】或沿钢筋有裂缝,宽度超过限值3混凝土出现与钢筋的剥落现象,钢筋有外露或表明有(0.90,0.95】锈胀坑蚀4混凝土剥落、露筋,表面膨胀性锈层显著,钢筋断面(0.80,0.90】损失在10%以内5混凝土剥落,露筋,腐蚀,钢筋的截面损失在10%以-<0.80上表3.9圬工及配筋混凝土桥梁截面折减系数后色的取值截面损伤综合评定标度R截面折减系数色1≤R≤2(O.98,1.00]2≤R≤3(0.93,0.98]3≤R≤4(O.85,O.93]4≤R≤5≤0.853.3桥梁评级JTG法根据对桥梁结构各个部分的详细检查,桥梁检测评定等级分为五个等级,具体分类见表(3.10)。表3.10JTG法桥梁检测评定分级桥梁状况评定分级良好1较好2较差3差4危险53.4公路桥梁承载能力评定流程根据试行法规范规定,对桥梁进行承载能力评估工作首先要收集评估桥梁的相关历
万方数据第三章中国桥梁评定方法史资料,并对实际情况进行现场实际调查,获得评估所需检测数据,并根据规范中桥梁性状的描述确定旧桥检算系数Z1,再将其代入承载能力评估公式,进行结构检算,评定旧桥的实际承载能力,若检算的主要指标超过限值(30%以内)时,则需再采用荷载试验,并重新确定结构旧桥检算系数z:,再进行承载力计算,最后将评定结果归档保存以供日后参考,并提出相应的维护管理措施。试行法具体的评定流程可见图(3.2)。图3.2试行法桥梁承载能力评定流程31
万方数据硕士学位论文根据JTG法规范规定,公路旧桥的承载力评定工作先要收集评估桥梁的相关历史资料,并对实际情况进行现场实际调查,获得评估所需检测数据,确定桥梁结构的外观质量,结构模态参数与混凝土强度,分别考虑其评定中对旧桥检算系数Z1的影响权重,标定旧桥检算系数z1。再根据规范规定确定评估公式中的混凝土、钢筋、承载能力恶化系数最、孝;、色,活载影响修正系数£,并将其值代入承载能力评估公式,进行结构检算,评定旧桥的实际承载能力,若检算的主要指标超过限值(30%以内)时,则需采用荷载试验,再标定旧桥检算系数Z,,再进承载力计算,最后档保存。图3.3JTG法桥梁承载能力评定流程32
万方数据第三章中国桥梁评定方法3.5本章小结中国公路桥梁承载能力评估主要建立在基于对公路桥梁在安全性,适用性与耐久性方面的考虑,其中桥梁结构的承载能力极限状态,主要体现的是结构的安全性方面,正常使用极限状态则体现的是结构的适用性与耐久性方面。本章主要介绍了中国公路桥梁承载能力评定方法,其发展主要为两个阶段,试行法阶段与JTG评定法阶段,比较了两种方法的评定公式、参数取值方面的异同,分析了JTG法的进步之处,对比了试行法与JTG评定法的评定流程。33
万方数据硕士学位论文第四章桥梁检测与调查4.1桥梁检测与调查4.1.1桥梁检测由于温度,车辆荷载等作用,材料其固有特性也有一定的衰退,桥梁结构受力状态、承载能力、耐久性能、材料特性和桥梁整体性能一般都随时间逐渐退化,因此在桥梁在运营相应的年限后,对其进行全面检测是十分必要的。桥梁检测的目的主要是:(1)要掌握桥梁的实际运营状况,判定其技术状况与安全状况,采取桥梁结构的外观与病害实际检测,指导乔戈里峰的维护管理或加固工作;(2)通过检测,记录桥梁损伤和疾病的位置,规模,范围和程度,进行确定性分析,判定大桥病害产生的原因和影响,并对其运营稳定性和桥梁病害的统计分类,为桥梁维修、加固设计提供依据;(3)根据试验结果,指出该桥梁的病害和潜在的安全隐患;(4)进行外观检测后,再采用无损检测的方法,获得桥梁构件的混凝土强度数据,检定保护层厚度或钢筋锈蚀,综合分析评估桥梁结构的耐久性;(5)通过桥梁静载试验,获得桥梁的控制界面挠度与应变数据,判定其受力性能,了解其工作状况,综合评价桥梁的实际承载力,看该桥的评定结果是否满足设计要求;(6)采用动载试验的方式,判定桥梁的动力性能,进行数据分析,看其是否满足设计要求;(7)根据现场检测结果,调查桥梁的历史病害,维修记录,再根据桥梁现有情况,对病害问题进行处理;(8)在安全得到保证的情况下,有效率的完成检测工作,并及时完成检测报告工作,存档保存。4.1.2桥梁调查在接到检测任务后,由经验丰富的桥梁检测工程师对张清大桥进行实地考察,掌握桥梁现场情况,了解桥梁历史,向养管单位咨询桥梁的运营情况,并收集相关的技术资料,以便编制可行性检测方案,更好地完成检测任务,达到预期的检测目的,并对桥梁34
万方数据第四章桥梁检测与调查进行快速检测,掌握桥梁的实际情况。检测内容如下:(1)桥梁所在位置、周边环境、交通量调查、桥下净空、当地气候环境等基本情况。(2)对于评估桥梁的历史资料可向有关部门索取。(3)对桥梁进行快速实查,并通过历史资料加深对桥梁实际受损问题进行判定。在对公路桥梁进行承载能力评估时,需要先对说评估桥梁做好相应的检测与调查工作,取得评估所需的相关数据,根据《公路养护规范》的规定,桥梁检查有经常性、定期性、特殊性检查三种。4.1.3经常性检查主要指对结构各部位技术状况进行的检查。对桥梁结构的经常检测的每个月应至少进行一次,在特殊情况下因增加检测次数。其主要通过目测法,配合简单工具进行检查,主要进行外观性缺陷病害鉴定。在进行完鉴定工作后,要及时做好记录工作,对检测项目,范围,依据及建议相关内容进行如实记录。经常性检测中如发现桥梁出现明显外观缺陷,应及时汇报。养护规范规定了十四种经常检查的内容,对桥梁应检测的内容进行了规定,检查要细致认真,防漏检或错检,一般检查周期为一季度一次,当出现特殊情况时,根据实际情况变动。桥梁工作所用的辅助设备及工具也应进行定期的维护和测试。检测用传感器的工作状态可用接受仪器来确定。4.1.4定期检查对桥梁主体结构及其附属构造进行检测评定,可进行定期检测。其检测周期可根据具体情况而定,且各个国家的规定也不一样,如丹麦为卜6年进行一次检测,德国检测周期为三年,瑞士则为5年,意大利则为一年一次。我国公路交通发展迅速,桥梁结构所受交通量日益增加,在此情况下,应根据需要加强对桥梁结构的检查。规范规定的检测周期不得超过两年,可根据实际情况适当波动。一般情况下,桥梁在建好后一年内应进行较充分的详细检查,对于临时桥梁也是如此,并应根据实际情况酌情增加检测次数。若所测桥梁出现三、四、五类激素状况时,立即进行一次检测。定期检测可用目测法结合观测仪器进行,对各检测构件进行详细观察,可采用桥梁35
万方数据硕士学位论文检测车,临时支架等措施来更好的完成检测工作。定期检查应严谨有序,检查前应先查阅相关历史资料,并做好检测前期准备,落实安全保障措施。规范文件中对各种类型的桥梁及桥梁结构的应进行检测的部分进行了详细规定。在检测工作中要严格遵守规定。对钢筋与预应力混凝土桥梁要进行五个方面的检测,主要以混凝土开裂和钢筋锈蚀为主。对桥梁结构出现的裂缝主要检测内容为:位置,宽度,长度、数目与趋势判断。为了观测细微裂缝的发展情况,可以在选定部位涂抹石膏,但裂缝宽度增大时,石膏表面将拉裂。观测裂缝深度通常情况下是采用红外检测仪等仪器,同时还可顺便检测分离,孔洞等病害缺陷。由于使用仪器辅助检测成本相对较高,可根据结构状况酌情使用。对于钢筋混凝土结构的检测,当混凝土品质、保护层厚度、开裂等出现不合规定时,可能造成钢筋出现锈蚀。检测钢筋锈蚀情况一般采用半电池电位法。现场检查时,对其暴露部分的锈蚀观察可定性地判断锈蚀的严重程度。对于结构的混凝土质量,保护层厚度,电阻率,氯离子含量等内容的检测一般不可直接获得鉴定结果,要采用间接评定。结构在使用过程中,受环境影响会出现不同程度的碳化,对结构碳化深度的检测,一般采用酚酞试剂法。4.1.5特殊检查对于桥梁的病害原因,损坏程度等,要进行技术状况评估,应先进行特殊检查,其主要分为专门检查和应急检查:专门检查采用一定检测工具,在常规检查后进行专门的现场行测定工作。对以下结构应进行专门检查:(1)难以判断损坏程度或原因的桥梁;(2)桥梁技术状况为四、五类者,(3)需采取加固手段提高承载力的桥梁,(4)技术状况为五类的桥梁,只是在其技术状态偏向四类且区分不明显时才考虑进行专门检查;对于较重要的桥梁应进行周期性的检查,一般是在桥梁使用20年后,每个10—15年进行一次荷载试验。工程结构都会由于材质随老化,原设计、施工方法不当,结构构造不合理等问题出现承载力下降,因此对结构进行周期性检测显得十分必要,检测一般采用荷载试验法。36
万方数据第四章桥梁检测与调查在桥梁受到地震,洪水,冲撞,垮塌等灾害时,为了采取维护管理措施,应对桥梁结构进行应急检查。特殊检查根据桥梁缺陷类型和部位,用相应的仪器检测,必要时可进行荷载试验,破坏性试验等。对桥梁实际情况进行鉴定分析,并建立桥梁基本状况卡,建档保存。4.2桥梁检测调查实例本文将选取国内三座桥梁数据作为评估样本,来研究中美桥梁承载能力桥梁评估结果方面的差异。桥梁样本的一般性信息如桥梁建成年代,桥长,桥跨数,材料类型,结构类型等。图4.1桥梁现场图片1号桥梁样本桥梁全长867m,其跨径组合为(55+2×100+55)m的四跨预应力混凝土连续箱型梁桥,全宽由左、右两幅桥构成,每幅桥宽14.75+2XO.5=15.75m,主孔跨度lOOm。采用悬浇,双壁钢围堰施工。荷载标准汽超.20,挂-120,该桥于1996年建成通车。2号桥梁样本桥梁全长1307m,其跨径组合为(84+3×120+84)m的五跨径预应力混凝土连续箱型梁桥,桥面宽19.5m,采用宽翼缘单箱单室横截面,翼缘悬出长度4.3m。三向预应力配筋,纵向采用大吨位的)(M锚具,上部结构箱梁采用悬臂浇筑法施工。荷载标准汽.20,挂.100人350,该桥于1986年建成通车。3号桥梁样本桥梁全长1410m,其跨径组合为(87+7×114+87)m的九跨预应力混凝土连续箱型梁桥,桥面宽12m,桥墩高20m,主孔桥跨度114m。上部结构采用悬臂浇筑法施工。荷载标准汽超.20,挂-120人350,该桥于2003年建成通车。表4.1桥梁检测样本基本信息桥梁编号年代桥长(M)桥跨数材料类型结构类型1号桥19968674预应力混凝土连续箱梁2号桥198613075预应力混凝土连续箱梁37
万方数据硕士学位论文4.3外观质量检查在JTG法规范中,根据所评估桥梁的相关检测结果,将桥梁的外观质量按缺陷度将桥梁分为5个级别。(1)良好状态。桥梁结构没有明显的缺陷,一些微小的缺陷可以通过维护工作消除。(2)较好状态。桥梁结构有一些小的缺陷,但这些缺陷对桥梁结构的现有功能没有明显的影响,对桥梁的耐久性有一些影响。(3)较差状态。桥梁结构有明显的缺陷,且这些缺陷影响桥梁结构的现有功能,若不及时进行相关的维护工作,会严重影响桥梁结构的耐久性。(4)差的状态。桥梁结构承载力下降,无法满足正常的交通功能,必须采取相应的维修措施。(5)危险状态。桥梁结构有明显的安全风险,必须通过评估与维修加固,确定其是否继续使用。表4.2桥梁样本检测项目及方法检测检测内容检测方法及工具项目铺装层的检测:是否有不平整、出现裂缝坑槽、混凝土钢筋剥离、等现象人行道的检测:检查其有无出现各种裂缝缺陷;查看缘石是否有磨损、外剥离等病害护栏的检测:检查其有无出现破损、形变、偏移等情况伸缩缝的检测;检查其有无出现漏水、缺陷、拥堵、不平整等情况观照明标志检测:查看其能不能正常工作及有无破损等排水设施的检测:检查其设计合理情况;坡度设计顺适度、表层积水情目测为主、况:泄水管有无损坏、堵塞、泄水能力是否适应需要;防水层工作是否测量工具配合检正常,有无渗水现象等上部桥梁结构检测:结构实际尺寸(包括截面尺寸、跨度等);梁体有无干裂、变形及其它损坏;梁体表面病害缺陷;梁端与墩台的相对位置是否正确测桥台检测:台身是否缺损;台背填土质量状况锥坡检测:是否有破损、沉陷、开裂、冲刷、滑移等支座检测:支座位置是否正确,位移是否正常,是否有脱空、变形、锈38
万方数据第四章桥梁检测与调查蚀、损坏等基础检测:墩身是否出现形变,偏移,沉降等质量缺陷桥面轴线线形检测:桥面轴线线线性变化情况工程测量方法4.4材料测试:对桥梁样本的上部结构的材料进行了强度与状况检测。4.4.1混凝土强度检测本文中桥梁样本用无损检测的方法对桥梁混凝土质量进行检测,通过数显回弹仪来评估桥梁构件混凝土的强度等级。详见下表(4.3)。表4.3桥梁样本混凝土强度检测结果混凝土回弹平均值混凝土回弹修正值混凝土换算强度(^iPa)混凝桥梁土强检测区域度编号平均1212l2值1号桥54.754.251.250.741.040.340.72号桥55.254.551.851.141.840.941.43号桥55.454.041.650.845.343.744.54.4.2混凝土碳化深度检测混凝土结构在环境作用下,随时间会逐渐发生碳化反应。混凝土原本的碱性环境会受到影响,导致其中性化。结构中的钢筋出现剥离,并会出现锈胀,使得结构的耐久性受到破坏。因此,混凝土碳化深度检测主要是对结构耐久性进行评价,并对钢筋腐蚀状况的间接评价。混凝土碳化深度检测是应用1%酚酞酒精溶液试剂(酸碱指示剂)喷洒在混凝土新鲜破损面上,通过使用碳化测试仪的检定,依据出现缺损部位的指示剂色彩交壤处,获得其部位碳化深度值。由化学反应可知酚酞在pH<8.2的化学环境里颜色是透明的,而39
万方数据硕士学位论文当其处在pH>8.2的化学环境中颜色呈现出红色。混凝土结构受到环境影响出现碳化后,其结构pH值会降低,将酚酞滴在混凝土结构上不会改变颜色,在其原本的弱碱性环境下也就是混凝土没有受到碳化影响时,将酚酞滴在结构物上时酚酞会变色,根据变色和没有变色的接壤处,可得到其碳化深度。表(4.4)显示了桥梁样本混凝土碳化深度的检测结果。表4.4桥梁样本混凝土碳化深度混凝土碳化深度(mm)混凝桥土梁检测区域平编均号碳化深l23度1号桥5.54.85.22号桥4.34.85.24.63号桥4.14.24.14.4.3钢筋保护层厚度检测:通过使用探测仪可以获得结构物钢筋保护层厚度相关数据,还可以获得结构钢筋的所在具体位置。在进行钢筋保护层厚度检测的工作当中,使用钢筋探测仪的传感器在结构被检测的部位进行挪移,通过屏幕图像所反应出钢筋的具体位置。再将数据输入软件,经过计算可知其保护层厚度。钢筋保护层厚度会影响结构的耐久性,若保护层厚度不够,钢筋更容易受到侵蚀,因此,要准确评估结构的耐久性,需要测量钢筋保护层厚度。桥梁样本保护层厚度检测结果见表(4.5)。
万方数据第四章桥梁检测与调查表4.5桥梁样本保护层厚度检测桥梁编号保护层厚度(mm)保护层厚度平均检测区域值12345(mm)1号桥3031303l3030.42号桥444542434243.23号桥29283028.84.4.4钢筋锈蚀电位检测在工程中一般采用半电池电位法检测钢筋混凝土锈蚀情况,它是通过检测得到结构物钢筋电位变化情况,来获得钢筋锈蚀状况评估数据。通过测定钢筋/混凝土做为一个电极与在混凝土表面的铜/硫酸铜参考电极之间的电位差,评定钢筋的锈蚀状态。桥梁样本的钢筋锈蚀电位检测结果见表(4.6)。表4.6桥梁样本钢筋锈蚀电位检测桥梁编号检测区域半电池电位(mV)1231号桥1.72.40482.112.105.2122号桥1.25.23.742.53.21—823号桥1_42.54.902.76.21.854.5本章小结本章介绍了桥梁检测与调查方面的相关工作,并根据所选样本桥梁的实际状况,确定评估前期一些桥梁检测内容,为后面进行桥梁结构的承载能力评估提供依据。41
万方数据硕士学位论文第五章桥梁承载能力评估5.1中国桥梁承载能力评估法中国桥梁承载能力评估有试行法及JTG法,它们的评估公式分别见式(3.2)与式(3.4)。其两个公式可以看成:评估荷载效应≤评估抗力,即评估荷载效应与评估抗力的比值≤1,我们也可以将它写成:承载能力系数=爵淼≥1(5.1)从上式中可以看出,根据试行法与JTG法的相关要求,承载能力系数≥1表示结构满足承载力要求,承载能力系数的大小可以表达承载能力评估结果。设计活荷载模型根据《公路桥涵通用设计规范》中的规定选取,可适用于试行法及JTG法两种评估方法。根据相关设计规范规定,试行法与JTG法的可变荷载分项系数心=1.4,静载分项系数儿=1.2,结构工作条件系数以=0.95。根据桥梁样本的检测及调查工作,试行法桥梁样本的相关评估数据可见下表,表内包含的桥梁评估数据主要有:未折减承载力,未折减活载,未折减恒载,结构工作条件系数九,可变荷载分项系数Y。,静载分项系数Y。,承载能力检算系数z。,承载能力系数。如对1号桥梁,其承载能力系数计算公式为式5.1,根据规范,试行法Z,的取值主要根据桥梁实际检定情况,依据专家经验结合规范对检定出现桥梁的病害特征进行判定,该桥部分构件混凝土质量较差,桥梁产生一般病害,桥梁各部分基本能正常工作,Z,取值1.00,试行法规范中可变荷载分项系数Y。=1.4,静载分项系数儿=1.2,结构工作条件系数儿按桥梁状况取o.95。将鉴定数据带入公式,可计算得其试行法抗弯承载能力系数=1.72,抗剪承载能力系数=o.99,其他桥梁样本承载能力系数同理可得,计算结果如表5.1、5.2。表5.1试行法桥梁样本抗弯承载能力系数评估数据桥梁编未折减承载未折减活未折减恒Z1承载能力系数托y可托号力(KN.In)载(KN.m)42
万方数据第五章桥梁承载能力评估1号桥12365.341610.483823.410.951.41-21.001.722号桥45284.256978.4117467.320.951.41.2O.981.373号桥31179.235724.467866.310.951.41.20.941.57表5.2试行法桥梁样本抗剪承载能力系数评估数据桥梁编未折减承未折减活未折减恒Z1承载能力系数%yd号载力载(KN.m)载(KN.In)(KN.in)1号桥3534.371349.871246.670.951.41-21.000.992号桥10823.181463.434855.31O.951.41.20.981.283号桥663I.241228.753237.26O.951.41.20.941.05根据JTG法的相关规定,桥梁样本的相关评估数据可见下表,表内包含的桥梁评估数据主要有:未折减承载力,未折减活载,未折减恒载,结构工作条件系数%,配筋混凝土结构的截面折减系数色,钢筋的截面折减系数孝。,承载能力劣化系数孝。,承载能力检算系数z,,承载能力系数。对于1号桥梁,其承载能力系数计算见式5.1,根据JTG法规范规规定,该桥外观质量评定标度取值为2,混凝土强度评定标度取值为1,结构模态参数评定标度取值为1,将其按规范权重代入式3.5,D=2x0.4+1×0.3+1×0.3=1.4,根据规范按线性内插可得Z·=1.18,该桥恶化状况评定标度取值为2,处于干、湿交替、冻无侵蚀性介质环境中,根£据规范5—0.07,该桥构件材料风化评定标度取值为3,混凝土碳化深度评定标度取值为1,物理与化学损伤评定标度取值为2,将其按规范中分别以O.1,0.35,0.55权重进行计算,其构件截面损伤综合评定值R=3x0.1+1×0.35+2x0.55=1.75,根据规范插值检算可得受=1.0,根据外观检查时发现结构受周围环境影响出现锈蚀与混凝土的剥落,沿钢筋有裂缝,宽度超过限值,善。=O.95,将相关鉴定数据带入公式5.1,其JTG法抗弯承载能力系数=1.70,其抗剪承载能力系数=0.90。其他桥梁样本承载能力系数同理可得,计算结果如表5.3、5.4。43
万方数据硕士学位论文表5.3JTG法桥梁样本抗弯承载力评估数据桥梁未折减承未折减活未折减恒舌。孝。Zl承载能儿编号载力载(KN.n1)载(KN.HI)力系数(KN.m)1号桥11748.761610.483823.41O.951.OO.950.071.131.702号桥45328.326978.4117467-320.950.991.000.071.081.453号桥30582.375724.467866.31O.95O.981.OOO.051.081.72表5.4JTG法桥梁样本抗剪承载力评估数据桥梁编未折减承未折减活未折减恒毛c毛s孝。ZI承载yb号载力载(KN.m)能力(KN.111)系数1号桥3534.371349.871246.67O.951.O0.950.071.090.902号桥10823.181463.434855.310.95O.991.OO0.071.Ol1。193号桥6631.241228.753237.26O.95O.981.00O.051.Oll国1上表归纳了了所选桥梁样本的承载能力评估数据,下表将对所选桥梁样本应选取的控制承载力系数进行归纳。表5.5试行法控制承载力系数选取桥梁编号承载能力系数抗弯承载力系数抗剪承载力系数控制承载力系数1号桥1.72O.990.992号桥1.371,281.283号桥1.571.05表5.6JTG法控制承载力系数选取桥梁编号承载能力系数抗弯承载力系数抗剪承载力系数控制承载力系数1号桥1.70O.900.90
万方数据第五章桥梁承载能力评估2号桥1.451.193号桥1.721.01通过比较桥梁样本评估数据,我们可以发现,试行法的抗弯承载力系数小于等于JTG法的抗弯承载力系数,他们之间的相差值在百分之十之左右。而JTG法的抗剪承载力系数小于试行法的抗剪承载力系数,他们之间的差值在百分之四到百分之十之间。JTG法承载力系数霎E三一1.2十—————————————————————————窭}——————————一1十———————————,p——————————◆抗弯呲卜————』—————飞磊;0.6_———————————————————————————————————————————————————————————————一0.4l———————————————————————————————————————————————————————————————一0.2J———————————————————————————————————————————————————————————————一0o0.5试行法承蛾力系数1·52图5.1试行法与JTG法桥梁样本承载能力系数比较用试行法与JTG法比较分析桥梁样本抗弯承载力系数评估数据,相关对比可见下图,通过图表可知,JTG法的桥梁样本控制承载力系数要略小于试行法的,它们的差值在百分之四到百分之十之间。这是由于与试行法相比,JTG法的评估理论更为完善和复杂,JTG法中引入了桥梁检算系数、耐久性恶化系数、截面折减系数和活载修正系数分别对极限状态方程中结构抗力效应和荷载效应进行修正,各检测指标的定量与定性评价更为准确。!量叠;曼叠图5.2试行法与JTG法桥梁样本控制承载力系数比较尽管试行法与JTG法中并没有用评估系数RF来评价桥梁承载能力,然而美国桥梁45421864201O0O
万方数据硕士学位论文评估结果用RF来表示,因此我们依然计算了试行法与JTG法桥梁样本的RF,计算所得结果用来与美国桥梁评估方法来进行相关比较,比较内容内容将在后面进行阐述。其计算公式如下:艘=塑塑鬻蒜蒙产㈦4,~考虑荷载系数活载⋯“对于1号桥梁,将鉴定数据带入公式5.4,可得其试行法抗弯评估系数RF=3.17,同理可得其它桥梁样本抗弯与抗剪RF值,汇总如下表(5.7)。表s.7试行法桥梁样本抗弯及抗剪评估系数取值桥梁样本试行法评估系数值(RF)抗弯评估系数抗剪评估系数控制评估系数1号桥梁3.17O.980.982号桥梁2.172.073号桥梁2.271.17对于1号桥梁,将桥梁样本相关检定数据带入公式5.4,可得其JTG法抗弯评估系数RF=3.12,同理可得其它桥梁样本抗弯与抗剪RF值,汇总如下表(5.8)。表5.82TG法桥梁样本抗弯及抗剪评估系数取值桥梁样本JTG法评估系数值(Rf)抗弯评估系数抗剪评估系数控制评估系数1号桥梁3.120.812号桥梁2.331.673号桥梁2.491.04下图显示了试行法与JTG法抗弯评估系数及抗剪评估系数的区别,我们可以看出试行法计算所得的抗弯RF值在较小的取值范围内比JTG法要小,然而在RF计算值相对较大的情况下,试行法计算所得的抗弯RF值比JTG法有要更大的趋势。另一方面,试行法计算所得的抗剪RF值比JTG法计算的值要大,同时所计算采用的控制RF值也比JTG法要大。
万方数据第五章桥梁承载能力评估0.50医◆抗弯评估系数匿抗剪评估系数图5.4试行法与JTG法控制承RF取值比较5.1.1旧桥检算系数Z。在JTG法中承载能力检算系数z,主要基于三个方面:外观质量的评估、混凝土强度的评估,桥梁结构自震频率的评估。此外,在试行法中推荐的旧桥检算系数取值主要基于旧桥检算系数的取值主要是基于材质,裂缝宽度,结构缺损状况及运行状况。同时,虽然桥梁承载力的评估等指标可以定量,但zl的取值在主要取决于检测工程师的判断。为了研究两种承载能力检算系数对结构作用的影响状况,z,的取值见下表。JTG法中对抗弯与抗剪承载能力采用不同的检算系数,而在试行法中,抗弯及抗剪承载能力检算系数均采用相同值。47【J11▲壶燃9上I-坠楗:盟渤
万方数据硕士学位论文表5.9桥梁样本旧桥检算系数IB桥检算系数Z1桥梁编号试行法JTG抗弯JTG抗剪1号桥梁1.001.181.092号桥梁0.981.171.033号桥梁0.941.161.01JTG法与试行法旧桥检算系数取值的比较可见下图图5.5试行法与JTG法Z。取值比较图由上图可知,JTG法计算所得的桥梁样本旧桥检算系数Z。比试行法要高,抗弯检算系数z,的增加值在18%到23.4%之间,再比较JTG法抗剪检算系数Z。与试行法计算的桥梁样本检算系数z,,抗剪检算系数Z。的增加值在5%N9%之间。同样,从图中可以看出,与抗弯检算系数相比,JTG法抗剪检算系数z.更接近于试行法的旧桥检算系数,这是由于JTG法中的抗剪效应要低于抗弯效应。JTG法中承载能力恶化系数色可部分反应旧桥检算系数的取值情况,因为这两个系数均表示了基于评估结果的桥梁承载能力的退化情况。公式(3.4)表示了基于耐久性原因导致的承载能力恶化,因而用z。乘以(卜色)。4R
万方数据第五章桥梁承载能力评估zl(1一色)的相关数据见表(s.10)。表5.10桥梁样本z1(1一色)的相关数据桥梁编号试行法ZlJTG法色JTG法Zl(1一色)抗弯抗剪1号桥梁1.OO0.071.101.012号桥梁0.980.071.080.943号桥梁0.940.051.100.96将试行法的Z。与JTG中的JTG法Zl(1一乞)相关数据进行比较,比较结果见下图:由图中可知,JTG法中抗弯z1(1一色)取值比试行法中的互值要大,JTG法中ZI(1一色)值与试行法中的z1增加值要多5%到10%。此外,由图中可知,JTG法中抗剪z1(1一色)取值比试行法中的zl值要大,JTG法中Zl(1一色)值与试行法中的Z。增加值要多5%到9%。图5.6试行法zl与JTG法zl(1一邑)比较5.1.2相关承载能力分析结果先前的试行法与JTG法承载能力比较结果显示,JTG法的承载能力评定结果比一般比试行法要低。从更深层次的角度来看,在公式(3.4)中计算承载能力的内容为:含荷载系数的承载能力,含荷载系数的恒载与含荷载系数的活载。49
万方数据硕士学位论文式中含荷载系数的恒载率在JTG法与试行法中是恒定的,这是由于在两种计算方法中,其计算过程一致,对于两种计算方法的恒载系数值均为1.2。含荷载系数的活载率在JTG法与试行法中相对一致,这是由于我们对于两种计算方法采用的活荷载模型一致。同时,含荷载系数的活载率比1.0略小,这表明由于影响系数的存在,使得JTG法的含荷载系数的活载比试行法的要大。对于含荷载系数的承载能力率小于1.0,这表明试行法的含荷载系数的承载力比JTG法的要小。由早前研究所知,这主要由于.ITG法中的旧桥检算系数z.比试行法中的旧桥检算系数z1要大。因此,试行法所计算所得的承载能力系数比JTG法要小。含荷载系数的承载能力率,试行法比JTG法抗弯承载能利率要稍微高一些,虽然两者的活载系数与恒载系数均相同,但是由于二者的旧桥检算系数z.不同造成的。对于试行法与JTG法的抗剪承载能力分析,也是同样的道理。含荷载系数的承载能力率稍低于1.0,这是由于JTG法的抗剪承载能力中的旧桥检算系数zl比试行法中的乙值要小。5.2美国桥梁承载能力评估方法本文中采用两种美国桥梁评定方法来评估桥梁样本承载能力。美国桥梁评定法中主要由LFR评定法及LRFR评定法,本文评定主要采用LFR法的库存级别评定与LRFR法的设计库存级别评定,其评定公式分别见式(2.1)(2.2)。根据桥梁样本的检测及调查工作,LFR评定法及LRFR评定法桥梁样本的相关评估数据可见下表,对于LFR评定法表内包含的主要评估数据主要有:未含荷载系数承载力,未含荷载系数活载,未含荷载系数恒载,抗力系数≯,恒载系数4,活载系数爿:,评估系数RF。对于LRFR评定法表里包含的主要评估数据有:未含荷载系数承载力,未含荷载系数活载,未含荷载系数恒载,抗力系数≯,状态系数九,系统系数噍,构附件荷载系数如c,铺装层等LRFD荷载系数如Ⅳ,评估活载系数t,评估系数RF。在美国桥梁评定法中,LFR评定法采用HS20设计荷载模型,LRFR评定法采用HL.93设计荷载模型。根据AASHTOMCE(1994)相关规定,LFR评定法活载系数4值为1.30,4,值为2.17,LRFR评定法的评估活载系数旯,值为1.75。50
万方数据对于1号桥梁,将桥梁样本相关检定数据带入公式2.1,根据规范在库存评级中,4。=1.30,A2=2.17可得其LFR法抗弯承载力评估系尉7=2.77,同理可得其它桥梁样本抗弯与抗剪腰值。LFR法的相关桥梁样本评估数据见表(5.11)。表5.11LFR抗弯承载力评估系数RF桥梁样本未含荷载系九弯么1彳2RF数承载力数活载数恒载(KN.m)(KN.In)(KN.m)l号桥梁12365.34815.423823.75O.901.302.172.772号桥梁45284.253993.5917481.270.901.302.171.703号桥梁31179.234235.127860.31O.901.302.17表5.12LFR抗剪承载力评估系数桥梁样本未含荷载系‰弯4l4腰数承载力数活载数恒载(KN.n1)(KN.m)(KN.111)l号桥梁3534.37669.401263.520.851.302.170.752号桥梁10823.18679.124847.850.851.302.171.583号桥梁6631.24608.713237.340.851.302.17O.89对于1号桥梁,根据规范在设计荷载评定的库存评级中,对于预应力混凝土桥丸=1.75,如c=1.25,%∥=1.5,该桥的构件状况评定等级为良好,纯将按规范对应取值为1.0,识取值主要受桥梁上部结构类型组成的子系统影响,根据规范取值为1.0。样本相关检定数据带入公式2.2,可得LRFR法抗弯艘=1.96,同理可得其它桥吮梁样本抗弯与抗剪I强值。LRFR桥梁样本抗弯及抗剪盯值见表5.13、5.14。51
万方数据硕士学位论文表5.13LRFR抗弯承载能力评估系数桥梁未含荷载系未含荷载‰弯晚噍如c如矿丸RF样本数承载力系数活载系数恒载(KN.m)l号桥12365.342041.263823.95lO.9511.251.51.751.962号桥45284.256893.4317482.31lO.9511.251.51.751.673号桥31179.236242.177867.2710.9511.251.51.751.88表5.14LRFR抗剪承载能力评估系数桥梁未含荷载系未含荷载未含荷载系虹剪吮欢如c%Ⅳ九鼯样本数承载力系数活载数恒载(KN.m)(KN.111)1号桥3534.371252.711251.720.9O.9511.251.51.75O.522号桥10823.181157.144855.760.90.9511.251.51.75O.963号桥6631.24972.633233.850.9O.9511.251.51.750.47上表归纳了了所选桥梁样本的LFR评定法及LRFR评定法的承载能力评估数据,下表将对所选桥梁样本应选取的控制承载力系数进行归纳。表5.15桥梁样本LFR评定法评估系数汇总表桥梁编号LFR评估系数腰抗弯评估系数抗剪评估系数控制评估系数1号桥梁2.770.75O.752号桥梁1.701.583号桥梁2.17O.89表5.16桥梁样本LRFR评定法评估系数汇总表桥梁编号LRFR评估系数职抗弯评估系数抗剪评估系数控制评估系数1号桥梁1.96O.522号桥梁1.67O.963号桥梁1.880.47通过比较桥梁样本LFR评定法及LRFR评定法的评估系数腰,我们可以发现LRFR52
万方数据第五章桥梁承载能力评估评定法的评定结果要小于LFR评定法,两者相比LFR的抗弯评估系数值比LRFR的大3%到44%。同时,对于两法的抗剪评估系数也有同样的趋势,LFR的抗剪评估系数值比LRFR的要大44%N65%。2◆刃◆习1.5评,t◆抗弯评估系数法1监匿抗剪评估系数刃O.5一———^U00.51LFR评趟法RF22.53图5.7比较LFR评定法及LRFR评定法RF值下图比较LFR评定法及LRFR评定法的控制评估系数,两法的控制评估系数取值可见前面表格所述。通过比较,可以得知一般情况下LRFR评定法的控制评估系数比LFR评定法要小,减小的范围在30%到47%之间。1殳上‘o161L+1.2。1no—LFR控制评价系数UA5O6LRFR=f"?捌评什系数0.4n11号桥梁2号桥梁3号桥梁图5.8LFR评定法与LRFR评定法控制评估系数比较图5.2.1相关承载能力分析结果通过比较LFR评定法及LRFR评定法两者的公式,可以发现对于两种评定方法计算评估系数的主要因素均为含荷载系数承载力,含荷载系数恒载,含荷载系数活载。53
万方数据硕士学位论文对影响评估系数变化的主要因素进行研究,通过先前的相关数据可知,对于LFR评定法及LRFR评定法两者的桥梁样本抗弯承载能力是相对恒定的,且其承载能力率的比值略大于1,这主要是因为两种评定方法有不同的评估系数。对于LFR评定法及LRFR评定法两者的抗剪承载能力也有相同的趋势,这是由于其计算恒载的方法是一样的。其抗剪承载能力率同样大于1,是因为LRFR评定法的恒载系数要大于LFR评定法的恒载系数。对于含荷载系数的活载,两种方法中其取值也是相对恒定的。5.3中美桥梁样本评定结果比较在这一小节中将对桥梁样本承载能力评定结果的中国评定法(试行法与JTG法)与美国评定法(LFR评定法与LRFR评定法)做一个比较,相关的数据由前面章节有关计算得出。5.3.1试行法与LFR及LRFR评定法比较根据试行法的承载能力评估公式,其承载力评估结果表现在承载能力系数上。对于LFR评定法及LRFR评定法承载能力评估公式,其承载能力评估结果表现在评估系数上。将试行法的承载能力系数值与LFR评定法的评估系数进行比较,比较结果见下图:图5.9试行法承载能力系数与LFR评估系数比较由图可知试行法的抗弯承载能力系数值比LFR评估系数值要小,这是由于承载能力系数值与LFR评估系数值的计算方法不同,在试行法中,承载能力系数值由评估抗力54
万方数据第五章桥梁承载能力评估比上荷载效应(活载与恒载效应),而在LFR中,评估系数由评估抗力减去恒载效应之差比上活载效应,相比较而,LFR评定法中计算公式中分母数值相对于试行法要小,因而其计算结果会大于试行法。同时,有一个桥梁样本抗剪承载力评估结果在LFR评定法中评定为不合格,而在试行法中评定为合格。图5.10试行法评估系数与LFR评估系数比较上图将试行法的承评估值与LFR评定法的评估系数值进行比较。先前章节指出,中国试行法评定并没有使用评估系数作为桥梁承载力的评估结果,但我们仍然计算了其评估系数用了与LFR评估系数做相应比较。由上图可知,LFR评定法评估系数值一般比试行法要小,这说明了LFR的评估结果一般都会比试行法的要小,这是由于两国规范中对于评估指标的取值不同造成的,在试行法中活载与恒载效应系数指标分别取1.4与1.2,而在LFR中,计算式分子中恒载效应系数指标为1.3,分母中的活载效应比试行法要多乘以一个冲击系数指标,因而其评估结果要小于试行法。此外,有一个桥梁样本的抗剪承载力评估结果在试行法中合格,在LFR评定法中不合格,这和先前的承载能力系数比较结果相类似。55
万方数据硕士学位论文图5.11试行法承载能力系数与LRFR评估系数比较上图为试行法承载能力系数与LRFR评估系数比较,由图可知,LRFR评定法中评估系数值通常小于试行法的承载能力系数,这是由于本文计算的LRFR评定法中第1水准评定为设计荷载评定,而本文采用的又是设计荷载评定中的较高等级的库存级别评定,在这一级别的LRFR评定中,荷载效应系数取值根据采用的可靠度的不同而不同,库存级别评定采用与设计同一等级的可靠度,其要求评估结果有着较高的可靠性。因此其各评估参数的取值相比较陈旧及主观的试行法要更为严格,同时评定结果也将更为客观。另外一方面,通过比较试行法的控制承载能力系数与LRFR的控制评估系数值,可以得知试行法的控制承载能力系数比LRFR的控制评估系数要大,这也与前面所得的数据比较趋势相一致。1·叶1.21O8O.6-试行法LRFR法O.40.2辅蚶¨、}孑U1号桥梁2号桥梁3号桥梁
万方数据第五章桥梁承载能力评估5.3.2JTG法与LFR及LRFR评定法比较根据JTG法的承载能力评估公式与LFR及LRFR的承载力评估公式,将JTG法评估结果与LFR法及LRFR法评估结果相比较,相关比较数据由前面章节计算所得。下图比较了JTG法承载能力系数与LFR法评估系数:1j一◆写乃评估系数◆——◆抗弯匿抗剪疆一0.5_—————————————————————————————————————————————————————————一Oo0.5JTG泫承1飘LHEE.力系蠢。52图5.14JTG法承载能力系数与LFR评估系数比较由通过比较图5.14可知,JTG法承载能力系数值比LFR法的评估系数值要小,这主要是由于计算承载能力系数与计算评估系数的方法不同,在JTG法中,承载能力系数值由评估抗力比上荷载效应(活载与恒载效应),而在LFR中,评估系数由评估抗力减去恒载效应之差比上活载效应,相比较而,LFR评定法中计算公式中分母数值相对于JTG法要小,因而其计算结果会大于JTG法。此外,有两个桥梁样本数据抗剪承载力评估结果在LFR评定法下不合格,而只有一个桥梁样本在JTG法评定下为不合格。◆1号桥梁2号桥梁3号桥梁■JTG法LFR法图5.15JTG控制承载能力系数与LFR控制评估系数比较574218642O10O0
万方数据硕士学位论文再比较图5.15的JTG控制承载能力系数与LFR控制评估系数,可以观察到同样的评定结果趋势。图5.16JTG法与LFR法评估系数比较上图比较了桥梁样本JTG法评估系数与LFR法评估系数,由图可知,LFR评定法的评估系数比JTG法的评估系数要小,这主要是由于两种方法计算评估系数时的参数取值不同,在评估系数计算中,计算式中分子为评估抗力一叵载效应,JTG法中恒载系数指标取值1.4,而在LFR中相应的取值为1-3,同时计算式分母中LFR法的活载效应还多考虑了冲击因素的影响,因而计算所得的LFR评定法的评估系数比JTG法的评估系数要小。下面将比较JTG法桥梁评估数据与LRFR法桥梁评估数据。如图5.17所示为JTG法桥梁桥梁样本承载能力系数与LRFR法评估系数的比较。由图可知,LRFR评定法的抗弯和抗剪评估系数比JTG法有着更广的分布,与此同时,通常情况下JTG法的抗剪承载能力系数大于LRFR法抗剪评估系数,而其抗弯承载能力系数一般小于LRFR法抗弯评估系数,这是由于两国规范中标准荷载的取值不同及评估系数取值不同造成。图5.17JTG法承载能力系数与LRFR法评估系数比较58
万方数据第五章桥梁承载能力评估下图将比较JTG评定法控制承载能力系数与LRFR评定法的控制评估系数比较,由图表可得JTG法的控制承载能力系数比LRFR法控制评估系数要高。这与我们前面所观察到的趋势相一致。0.80.6_JTG法oLRFR法图5.18JTG法控制承载能力系数与LRFR法控制评估系数比较下图比较了JTG法与LRFR法的评估系数值,由图可知,一般情况下LRFR评定法的评估系数值比JTG评定法要小,这是由于本文计算的LRFR评定法中采用第1水准评定设计荷载评定中高等级的库存级别评定,其要求评定结果的可靠性较JTG法更高,如计算式中分母所示的活载效应指标系数JTG法中取值1.4,而LRFR中取值为1.75。美国承载力评定公式(检算公式)中抗力是通过状态系数、系统系数和抗力系数来进行的折减,其对名义抗力的折减过程虽同样存在主观因素,但美国考虑的因素较多,同时考虑了冗余自由度的影响,相比较我国JTG法中的折减系数一般来说更为严格可靠。◆O1234JTG法评估系数图5.19JTG法评估系数与LRFR评估系数比较59
万方数据硕士学位论文5.4本章小结本章主要计算了桥梁样本的中国评定法(试行法及JTG法)承载能力评估参数,同时也计算了美国评定法(LFR法及LRFR法)承载能力评估参数。并分比较了试行法与JTG法承载能力评估结果,LFR法与LRFR法承载能力评估结果,最后将试行法与LFR法及LRFR法相关评估结果参数进行比较,同时将JTG法与LFR法及LRFR法评估结果参数进行比较,较详细的将中美两国桥梁承载能力评定方法的评定结果进行了对比。
万方数据第六章结论与展望6.1本文结论近几十年来,我国的公路桥梁交通建设方面有了较大的发展。随着时间的推移,桥梁结构的逐渐老化及通行车辆的日益增加,如何对在役桥梁做出恰当的承载能力评定显得尤为重要。本文主要通过对桥梁样本用中国桥梁承载能力评估法(试行法及JTG法)与美国桥梁承载能力评估法(LFR法及LRFR法)做相应比较,并对结过进行分析,对中国和美国之间的桥梁承载能力评方法进行比较,本文的主要结论如下:(1)试行法与JTG法相比较,试行法中抗弯承载能力系数小于JTG法承载能力系数,而试行法中抗剪承载能力系数大于JTG法中抗剪承载能力系数。这主要是由于在计算承载能力系数时两种方法参数取值区别造成,在试行法中旧桥检算系数在抗弯和抗剪承载力评定中都是固定的,而在JTG法中其抗弯旧桥检算系数比抗剪旧桥检算系数要大一些。此外,JTG法的控制承载能力系数一般小于试行法。(2)LFR法与LRFR法相比较,LRFR法的抗弯评估系数一般小于LFR法,本文计算的桥梁样本两种方法的抗弯评估系数差值在3%到44%之间,对于两种评估法的抗剪评估系数也有同样的趋势,本文计算的桥梁样本LFR法的抗剪评估系数值比LRFR法的要大44%到65%。这是由于LRFR法相比LFR法而言,评估中考虑的折减参数种类多且取值更为严格,LRFR的要求的评估结果的可靠性程度比LFR要更高。此外,LFR法的控制评估系数一般比LRFR法要小。(3)试行法与LFR法及LRFR法相比较,试行法的抗弯承载能力系数值比LFR法评估系数值要小,其抗剪承载能力系数在较小值时,试行法抗剪承载能力系数比LFR法评估系数要大。试行法承载能力系数与LRFR法评估系数相比较趋势也相类似。一般情况下,试行法的评估系数比LFR法及LRFR法的评估系数均要大。(4)JTG法LFR法及LRFR法相比较,JTG法的承载能力系数值在小于1时比LFR法的评估系数值要大,而当其值大于1时,JTG法承载能力系数值比LFR法的评估系数值要小。本文桥梁样本中,有2座桥梁在LFR法评估下承载能力评估结果不合格,而当其在JTG法中,只有一座桥梁样本承载能力评估结果不合格,说明LFR法比JTG法有着更为严格的评估结果。同时,JTG法的抗弯承载能力系数比LRFR法的抗弯评估系数要小,而其抗剪评估系数比LRFR法的要大。在某些情况下,桥梁样本在JTG法评61
万方数据硕士学位论文估下为合格,而其在LRFR法评估下为不合格。LRFR法比JTG法同样有着更为严格的评估结果。(5)总体而言,JTG法相较于试行法与LRFR法相较于LFR法均能更准确的评定既有公路旧桥的实际承载能力,中美两国桥梁承载能力评定方法各有优劣,美国的评定法更多的将桥梁视为一个系统整体,采用状态系数、系统系数和抗力系数来进行的折减,而中国的评定法更多的将抗力影响因素视为单一的影响如在评估中采用配筋混凝土结构的截面折减系数,钢筋的截面折减系数等进行抗力折减,实际情况中影响桥梁的承载能力因素应该是综合的而不是单一的,应该说美国法考虑的抗力折减相对要更为合理可靠一些。6.2研究展望对既有公路旧桥承载能力评估是一个较复杂的问题,本文中对基于检算分析的基础上对中国和美国两国之间桥梁承载能力评估方法进行了初步的探讨。由于作者水平有限,结合在写论文过程中遇到的相关问题,提出研究过程中需要进一步讨论及研究的地方,主要由以下几个方面:(1)根据规范的桥梁承载力评定,在桥梁检测数据获取及分析过程中,具体操作起来有很多的主观因素,从而影响桥梁评承载力定结果。可以考虑将层次分析法、模糊综合评定法等其他方法结合进规范的评定法中,提高桥梁承载力评定结果的准确性。(2)本文的桥梁承载能力评定结果偏理论,若要应用到工程中,可考虑再进行相关荷载试验,并分析荷载试验结果,可以更为精确的评估所选桥梁的实际承载能力。(3)对桥梁承载能力评估中评估参数值的确定,由于实际影响因素的随机性与不确定性,可在评估过程中考虑更多评估参数及制定更精确的参数评估权重,如何根据所得评估数据计算的桥梁承载能力,使其更符合其实际情况,值得我们进一步的研究探讨。
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万方数据致谢本学位论文是在导师王磊、张建仁老师的亲切关怀和悉心指导下完成的,谨此向王老师表示最衷心的感谢!在论文的选题、论文的结构以及论文的撰写和修改等方面导师都给予细心的指导。在这两年的学习期间,深受王老师严肃的科学态度、严谨的治学精神、精益求精的工作作风的感染和激励,不仅使我在专业知识方面学到很多东西,同时还在思想、生活上给我无微不至的关怀,导师的言行和教诲是我人生方向的指明灯。同时,感谢彭建新老师,彭晖老师,蒋友宝等老师在工作和生活中给予的帮助与在论文上给予的指导,也感谢土建学院的其他各位老师在这两年内对我的学业上的指导帮助。感谢师姐师兄唐皇、何炳涛,李林龙,同门刘彬彬、付有志和师弟张湘黔,许永超,薛成洋,感谢你们在日常生活中给予的帮助,和你们在一起的日子开心快乐。感谢张旭辉师兄和马亚飞师兄在桥梁数据资料上的帮助,在你的支持和帮助下,我才得以顺利完成学位论文。感谢我的父亲和母亲,感谢他们辛辛苦苦抚育我成人,感谢我的亲人朋友,感谢他们在我迷茫和彷徨时给予的鼓励和指引。时光渐逝,真情不变!谨以此文献给所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、朋友和亲人们,再次表示诚挚的谢意和深深的祝福168
万方数据附录一、学习期间所参加的主要课题及项目2012.09.2013.06高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目“封锚和压浆缺陷下预应力筋腐蚀混凝土梁桥抗退化研究”69
中美公路旧桥承载力评定方法的比较作者:陈硕威学位授予单位:长沙理工大学引用本文格式:陈硕威中美公路旧桥承载力评定方法的比较[学位论文]硕士2014'
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