公路混凝土桥梁安全评价理论、方法及其应用

桥梁作为公路运输线上的关键结构物之一，其结构性能随时间的增加逐渐下降。早期修建的桥梁技术标准较低，相当一部分结构产生了病害，极易引发桥梁安全事故，轻则导致损伤，重则引发垮塌，给人民生命财产造成巨大损失。我国现有公路桥梁存量世界第一，已达100余万座，其中80%以上为混凝土桥梁。其性能随着时间在不断退化，病害逐渐暴露，极易引发桥梁事故。我国早期修建的桥梁结构安全设置水准偏低、整体牢固性及可靠性不足、结构安全不容乐观，对桥梁安全评定技术提出了迫切需求。但在实际工程应用中，由于钢筋混凝土桥梁开裂安全评价、预应力桥梁有效预应力等关键技术制约着安全技术的发展。针对以上情况，自本世纪初开始，在进行混凝土桥梁结构安全、预应力衰减和损伤评价理论研究的同时，开展应用研究，通过理论分析、模型试验与工程应用相结合的方法，取得以下成果。

针对RC桥梁，建立了结构的裂缝特征、振动参数与力学参数相关关系，提出了多梁式桥跨结构的动力分解法，定义了名义配筋率概念，实现了以裂缝特征、振动参数对RC桥梁刚度及承载力的定量评价，给出了刚度及承载力评定方法。针对PC桥梁，系统研究了钢束锈蚀、偏位和压浆状况的检测评价理论及方法，提出了力束锈蚀状况、偏位量和灌浆饱满程度的检测评价方法；开发预应力检测设备，建立了力学参数与应力的数学模型，提出了有效预应力检测的横张增量法、应力释放法和力学参数法；定义了预应力束名义损失参数、应力沿程界限波动率等概念，构建了钢束的有效预应力沿程分布分析模型，建立基于预应力储备度、预应力储备度衰减率及名义裂缝宽度的桥梁安全分级评价方法。研究了裂缝，钢束位置偏差、压浆及锈蚀和有效预应力衰减状况等评价指标的分级标准，建立了桥梁安全、适用与耐久性的综合评价模型，提出了评价分析方法，研发了检测评价系统，编制了评价指南。

成果已在陕西、山东、辽宁、宁夏、广东、河南、江苏、重庆等十几个省市得到应用，解决了混凝土桥梁安全评定的重大技术问题，提高了桥梁安全水平，延长了结构寿命，促进了行业技术进步，取得了良好的社会经济效益。

基于裂缝特征的钢筋混凝土桥梁

评价方法

针对钢筋混凝土桥梁，建立了结构的裂缝特征、振动参数与力学参数相关关系，提出了多梁式桥跨结构的动力分解法，定义了名义配筋率概念，实现了以裂缝特征、振动参数对钢筋混凝土桥梁刚度及承载力的定量评价，提出了桥梁刚度及承载力评定方法

建立了钢筋混凝土桥梁截面特征与裂缝统计参数的关系，基于开裂梁段的刚度分析值、基于裂缝的预测值及统计参数分析值，提出了基于裂缝参数的钢筋混凝土桥梁刚度预测分析方法。建立了多梁式钢筋混凝土桥梁结构刚度的动力分解法，实现了用裂缝特征参数与结构基频分析钢筋混凝土桥梁的结构刚度；定义了能综合各种损伤因素、表示其结构特征的名义配筋率，提出了基于刚度和名义配筋率的结构承载力分析方法并得到推广应用。

预应力混凝土桥梁安全评价方法

针对预应力混凝土桥梁，系统研究了桥梁预应力钢束锈蚀、偏位和管道压浆状况的检测评价理论及方法，提出了预应力束锈蚀状况、偏位量和管道灌浆饱满程度的工程实用检测评价方法。开发了预应力检测评定设备，建立了梁及力筋的力学参数、钢筋应力与有效预应力的数学模型，形成有效预应力检测的横张增量法、应力释放法和力学参数法；定义了预应力束名义损失参数、钢束应力沿程界限波动率和基于波动率的钢束分类：平缓束和波动束概念，研究了复杂预应力体系桥梁钢束有效预应力沿桥梁纵向分布规律，首次构建了常见钢束的有效预应力沿程分布预测模型，提出了分析方法，建立以释放应力推算有效预应力和基于预应力储备度、预应力储备度衰减率及名义裂缝宽度的桥梁安全分级评价方法。

针对混凝土桥梁预应力束的服役现状，提出了预应力束锈蚀状况、偏位量和管道灌浆饱满程度的工程实用检测评价方法；建立了预应力混凝土梁的力学参数与永存预应力的数学模型，提出了基于梁体力学参数的有效预应力分析评定方法和基于应力释放的有效预应力检测分析方法；开发了预应力钢索张力测试仪，实现了有效预应力的直接检测分析。

定义了预应力束名义损失参数、钢束应力沿程界限波动率和基于波动率的钢束分类：平缓束和波动束概念，依据预应力的大小所定义的等差、等比和混合模式建立了预应力沿桥梁纵向分布预测分析模型，结合桥梁工程中最常见的对称、非对称束及“直-曲-直”型钢束、“直-曲-曲”和“复合曲线”型钢束（图1），建立了基于有限检测点的复杂预应力体系桥梁有效预应力沿程分布预测模型及其分析方法。

定义了截面内消压弯矩与最不利使用弯矩的比值为有效预应力储备度、储备度衰减率、储备度恶化系数和名义裂缝宽度概念，提出了桥梁控制截面有效预应力储备度的实际值、理论值和储备度衰减率的解析算法。分别建立了基于有效预应力储备度、储备度衰减率和名义裂缝宽度的预应力混凝土桥梁安全分级预测评定方法并得到推广应用。

混凝土桥梁安全性、适用性与

耐久性综合评价模型

针对混凝土桥梁安全的综合评价问题，研究了混凝土桥梁评价中的裂缝，钢束位置偏差、管道压浆状况、钢束锈蚀状况及有效预应力衰减状况等重要指标对结构产生的影响、评价指标的分级标准、敏感性、关联度及权重等，结合混凝土强度等的测评值，分别建立桥梁安全性、适用性与耐久性评价的综合评价模型，提出了评价分析方法，研发了相应的检测评价系统，推广应用于桥梁安全的检测评价工作中。建立了预应力筋位置偏差、管道压浆状况、有效预应力及力筋锈蚀状况等缺损状况对结构性能影响的评价指标、评估等级及评估值区间。分别建立了混凝土桥梁的承载能力折减分析的安全性评价模型、正常使用功能评估模型及包括子指标层、指标层、分项层、项目层和目标层的多层次耐久性评估模型。研究了各元素对桥梁结构安全性、适用性和耐久性的影响程度，确定了各元素相应的权重及评价值，采用由下至上逐层评价方法，建立了混凝土桥梁结构安全综合评价模型，实现了桥梁结构安全性能的分层评价及综合评价。

开发了具有自主知识产权的混凝土桥梁安全评价系统，可进行指标层、子指标层分析，给出元素的评价标度，各元素权重的确定，关联度的计算，桥梁安全性、适用性和耐久性的技术状况评价及桥梁的综合安全性能评价，通过友好的可视化界面，提高了效率，编制了可供实际应用的混凝土桥梁检测评价指南。

结束语

本研究目前已给出了结构的裂缝特征、振动参数与力学参数相关关系，提出了多梁式桥跨结构的动力分解法，定义了名义配筋率概念，实现了以裂缝特征、振动参数对钢筋混凝土桥梁刚度及承载力的定量评价，给出了刚度及承载力评定方法。研究了力束钢束锈蚀、偏位和压浆状况的检测评价理论及方法，提出了力束锈蚀状况、偏位量和灌浆饱满程度的实用检测评价方法；开发预应力检测设备，建立了力学参数、应力与有效预应力的数学模型，提出了有效预应力检测的横张增量法、应力释放法和力学参数法；定义了预应力束名义损失参数、钢束应力沿程界限波动率等概念，构建了常见钢束的有效预应力沿程分布分析模型，建立基于预应力储备度、预应力储备度衰减率及名义裂缝宽度的桥梁安全分级评价方法。研究了裂缝，钢束位置偏差、压浆及锈蚀和有效预应力衰减状况等评价指标的分级标准，建立了桥梁安全、适用与耐久性的综合评价模型，提出了评价分析方法。

然而，仍有以下技术问题需要进一步研究解决：

（1）技术改造后的混凝土桥梁，由于其采用了不同的技术措施，如增设体外预应力，粘贴钢板、钢筋或纤维布，增大桥梁结构构件的截面积，更换结构构件，新增设结构构件等，形成了由新老结构组合而成的复合、复杂结构，由于其材料性能的差异，新老构件特性的差异，结构受力的不连续性等，结构的时变耐久性问题非常复杂，需要进一步研究。

（2）对技术改造后的钢筋混凝土桥梁及预应力混凝土桥梁B类结构，由于粘贴等改造措施掩盖了结构受力时的再次开裂现象，其结构的抗裂性问题一直未能很好地解决，需要进一步研究。

相关图表

主要文献来源：

[1]贺拴海，宋一凡，赵小星，崔 军.钢筋混凝土梁式结构裂缝特征与损伤评估方法试验研究.土木工程学报，2003，36(2)：6-9.

[2]贺拴海，徐兴.多梁式混凝土桥梁结构刚度的裂缝特征--动力分解综合识别法.土木工程学报，2006，39（8）：91-95.

[3]贺拴海，赵小星，宋一凡.袁旭斌.具有初荷载的钢筋混凝土梁桥粘贴碳纤维布加固试验研究.土木工程学报，2005，38(3)：70-76.

[4]郭琦，贺拴海，任伟. 后张预应力钢束有效预应力沿程分布模式判别与统一模拟方法[J].交通运输工程学报，2008，8（6）：57-62.