桥群“体检”出新招——桥梁承载能力巡检式快速检测评定技术

据交通运输部发布的《2022年交通运输行业发展统计公报》显示，我国在役公路桥梁已超100万座，其中中小跨径桥梁占比高达86%。这些桥梁的技术状况十分复杂，例如：有的桥梁是按旧规范（如1951版《公路工程设计准则（草案）》）设计，建设标准相对较低且日常养护不足，加之受密集车流、重载车辆、撒盐除冰等不利因素影响，其结构性和构造性病害问题突出，成为公路交通运营安全的严重隐患。

为确保桥梁的长期服役安全，需对桥梁的承载能力进行定期检测评定。现行《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21）要求引入分项检算系数，对桥梁的极限状态设计表达式进行修正检算。众所周知，该系数反映了桥梁实际状况与理论设计的差异，需要通过材质、缺损、状态参数检测和荷载试验来确定。然而，目前采用分级加载方式的荷载试验虽能直接反映桥梁的真实刚度和关键截面内力，但却难以大规模定期实施。究其原因主要包括以下两点：一是中断交通、成本高昂。荷载试验的直接成本包括加载车租赁费、技术人员人工费、传感器安装和线路敷设费等；间接成本包括与多部门协商沟通成本、中断交通的运营损失和社会负面舆情影响等，这些高昂的成本常令养护部门难以承受。二是方案复杂、安全性差。《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01）规定，荷载试验时一般需要使主梁多个控制截面介于0.95  1.05的荷载效率区间，造成布载方案的设计和实施都较为困难，且在现场操作时存在诱发桥梁损伤的潜在风险。

为有效破解这两大难题，该文提出了一种桥梁承载能力巡检式快速检测评定技术，即采用“单辆重车巡检式动测”来替代“重载车队静力荷载试验”。基于此主编完成了《公路桥梁承载能力快速测试与评定技术规程》（T/CCES 43），并自主研发了一套桥梁快速评定系统（Bridge rapid evaluation，简称BRE），相关成果可为存量巨大的中小跨径桥梁隐患初筛提供一套完整的解决方案。

采用荷载试验评定桥梁承载能力的方法具有较长的历史。早在21世纪50年代,由于桥梁分析和设计理论不够完善，为使每个人能够“看见”桥梁的安全，通常将荷载试验作为通车典礼时的一个必要环节。特别是为了展示桥梁的承载能力并增强公众信心,早期的荷载试验需要施加大量荷载，例如1937年奥地利维也纳多瑙河帝国大桥的荷载试验共安排了84辆卡车和28辆满载矿车。然而，由于设计和施工水平不足，即使通过了荷载试验的检验，桥梁损伤甚至垮塌事故也时有发生。例如1897年，在完成荷载试验后仅几个月，埃及尼尔桥的主梁就出现了开裂问题，技术人员在完成维修加固后又开展了荷载试验，却不幸造成主梁的二次开裂。再如1892年，塞尔维亚莫拉瓦公路桥在荷载试验后的第二天，虽然钢桁梁挠度仍在正常的范围内，但其上弦杆因突然发生屈曲而引发桥梁的坍塌灾难。

随着桥梁分析和设计理论的逐步完善，新建桥梁的垮塌事故已罕有发生。20世纪60年代以后，虽然仍有少数工程师认为“为了安抚外行人情绪，荷载试验必须经常进行”，但是除了瑞士、意大利等个别国家外，欧洲几乎所有国家的桥梁规范都取消了成桥荷载试验的硬性要求。如今，荷载试验方法主要用于在役旧桥的承载能力评定，这些桥梁因技术档案资料缺失、内部隐蔽缺损情况不明等原因，很难通过数值方法对其进行准确分析，故此时采用荷载试验可作为计算分析的一种有益补充。在荷载试验的辅助下，工程师可准确确定出桥梁的边界条件、横向分布系数、动力放大系数等力学参数，并有效考虑护栏等非结构构件对主梁刚度的影响，从而避免对可靠性较好桥梁的贸然拆除。

20世纪末期，西方发达国家逐渐建立起了桥梁荷载试验技术标准，如美国1998年颁布了《基于荷载试验的桥梁评级手册》（Manual for bridge rating through load testing），英国1998年颁布了《桥梁附加荷载试验指南》（Guidelines for the supplementary load testing of bridges），德国2000年颁布了《混凝土结构荷载试验准则》（Richtlinie belastungsversuche an betonbauwerken）等。这里以美国现行规范《桥梁评定手册》（Manual for bridge evaluation-3rd Edition）为例，简要介绍基于荷载试验的桥梁承载能力评定流程。该手册规定桥梁承载能力评定方法的核心为检算桥梁承受活载的能力。为实现桥梁“保守设计 非保守评定”的基本理念，其建立了“新桥、旧桥”两种水准设计荷载和法定荷载，以用于不同安全目标的结构性能评定。当分析检算后，若发现桥梁无法承受最低水准的活载时，需通过荷载试验进一步检验桥梁的承载能力。该手册规定桥梁荷载试验分为两类——验证荷载试验（Proof load test）和诊断荷载试验（Diagnostic load test）。其中，验证荷载试验思想与我国现行规范中的荷载试验方法大致相同，在现场实施时需对桥梁分级施加与设计荷载等效的目标荷载。如在此过程中桥梁没有出现挠度或裂缝超限、基础不稳定沉降变位等异常情况，则可直接判定桥梁的承载能力符合要求；而诊断荷载试验则是采用单辆重车快速过桥进行激励的方式，来获取桥梁的响应时程，并基于此，建立经试验验证的桥梁模型以评定其承载能力。《桥梁评定手册》中所规定的桥梁承载能力评定流程如图1所示。

图1 美国《桥梁评定手册》中的桥梁承载能力评定流程

通过梳理桥梁荷载试验技术的发展历程可知，随着桥梁分析和设计理论的日趋成熟，采用重车分级加载的验证性荷载试验方法因具有成本高、效率低、时效差等诸多弊端，在发达国家已不再是桥梁承载能力评定的推荐方法；而选用移动式加载的诊断荷载试验方法，因具有获取的桥梁信息多、快捷方便、经济性好等显著优势，已经成为承载能力评定的主流方法。通过车辆移动式加载试验，可从车致桥梁响应中得到反映桥梁的静力性能，即最重要的参数之一“影响系数”。众所周知，当单位集中荷载沿顺桥向移动时，表示结构某量Z变化规律的曲线，称Z的影响线；当考虑桥梁宽度，单位集中荷载在桥面移动时，表示结构某量Z变化规律的曲面，称Z的影响面（图2）；对于影响线和影响面中不同位置对应的响应值，即为该位置的“影响系数”。

图2 桥梁影响线和影响面获取示意图

桥梁影响线和影响面可靠反映了桥梁不同位置的静力性能，可视作一种与有限元模型类似的静力“代理模型”。当得到实测的影响线/面以后，不仅可进一步反演计算出桥梁的动力放大系数、横向分布系数等重要的力学参数，亦可通过虚拟加载的方式得到桥梁在任意荷载作用下的响应。通俗来讲，基于力学叠加原理，可在影响线/面上施加桥梁设计荷载，即可计算得到桥梁的荷载效应，将荷载效应与结构抗力相比，即可检算桥梁的承载能力，此技术理念如图3所示。

图3 桥梁承载能力巡检式快速检测评定技术构想

为与我国现行规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21）相融合，当通过检算分析初步判定桥梁的承载能力不符合要求时，可通过巡检式快速检测评定技术来代替传统分级加载试验，进一步判断桥梁的承载能力。通过对识别出的影响线/面虚拟施加车队荷载得到桥梁响应，将其与数值计算结果相比即可得到校验系数，进而可查表换算得到检算系数来修正抗力，最终实现对桥梁承载能力的可靠评定。由于巡检式快速检测方法的加载效率较低，可能会造成评定结果的可靠性不足，此时可通过基于美国诊断试验方法（荷载效率0.4 ~ 0.7）和我国规范（荷载效率0.95 ~ 1.05）校验系数与抗力提升系数的对应关系，出于安全考虑对校验系数介于0.8 ~ 1.0时对应的检算系数进行折减，来解决这一问题。根据新近颁布实施的《公路桥梁承载能力快速测试与评定技术规程》（T/CCES 43），技术流程总结如图4所示。

图4 桥梁承载能力巡检式快速检测评定技术流程

为满足一线工程人员对该项新技术低门槛使用的需求，笔者团队自主研发了一套与之配套的工程软件——桥梁快速评定系统（BRE），该系统从桥梁建模与测试信息导入，到全桥影响线/面准确识别，到承载能力检算评定进行了全流程优化。整套软件具备可视操作、三维建模、优化布载、虚拟加载等强大功能，特别还拥有丰富的结果展示和一键生成评定报告等友好功能。用户无须掌握复杂的信号采集处理、参数识别校正和承载能力评定等专业知识，即可通过该软件快速实现桥梁承载能力的评定。

桥梁快速评定系统包括前处理、结构分析和后处理三大模块，其主界面如图5所示。前处理模块分为桥梁建模、测点信息、测试工况、数据导入四个功能模块。基于这些模块可设置桥梁类型和几何尺寸、测试加载车重量和位置、桥梁各种响应等影响线/面识别所需信息。信息导入完成后，点击开始分析按钮，软件会自动进行结构分析，其内嵌算法可无人工干预地准确识别出桥梁影响线/面。后处理模块包括影响系数、虚拟加载、结果展示、一键报告四个功能模块。最终得到的评定报告包括五项内容——项目概况、测试方案、影响线/面识别结果、承载能力评定结果、结论与建议。

图5 桥梁快速评定系统（BRE）主界面

根据现行《公路桥梁承载能力快速测试与评定技术规程》（T/CCES 43）规定，桥梁快速评定系统可在以下三个场景推广应用：

1.重车过桥线路评估。对于包含大量中小跨径桥梁的路网，传统荷载试验方法难以实施，此时可采用本技术对路网中的每座桥梁快速建立“代理模型”，然后虚拟加载计算大件运输车辆的荷载效应，最后通过对比设计抗力实现最优通行线路的选定。

2.桥梁性能退化筛查。对于具有成桥荷载试验技术档案资料的桥梁，可采用本技术对其进行快速检测来获取反映桥梁性能现状的“代理模型”，通过将影响面“虚拟加载”结果与成桥荷载试验“真实加载”结果进行对比，即可实现桥梁性能退化的定期筛查。

3.桥梁承载能力评定。对于缺损状况检查数据、桥梁设计图纸、桥梁数值模型等各项技术档案资料齐全的桥梁，可采用本技术依据图4的流程经济、快速、高效地实现桥梁承载能力的评定。