公路桥梁状态评定与桥梁建设可持续发展

              公路桥梁状态评定与桥梁建设可持续发展
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                                                                          谌润水
6 v5 d0 z; F; i! q& G8 v) ^' }                                                                 江西省交通科学研究院
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+ z# i3 w+ e# p摘  要：公路桥梁状态评定是桥梁工程的一个较新领域和学科，开展这一领域的研究工作，
4 O& P, B3 S5 ?! `具有积极和深远的意义。本文阐述了公路桥梁的建设与可持续发展的关系，并对公
5 c3 n2 L3 R7 N7 }) g路桥梁状态评定的基本原则和各阶段状态评定的内容进行了探讨。
关键词：桥梁  状态评定  可持续发展

1  公路桥梁状态评定的目的与意义
    桥梁是公路的纽带和咽喉，直接左右着公路的生命，而且相对于其他基础设施，公路桥梁造价高、投资大，社会效益和影响巨大。因此，必须确保其工程质量，始终使其处于良好的工作状态。随着科学技术的进步，桥梁结构的设计方法和设计理论都有了根本性的变化，然而影响桥梁工程质量的许多不确定因素仍然存在，对于建成后的桥梁工程质量，人们更希望了解和掌握其使用性能和效果。
如何保证新建桥梁工程的勘察设计与施工质量，在强化施工、管理、质量监督等相关程序的前提下，对那些影响较大、结构新颖、隐蔽工程较多的桥梁工程内在质量进行状态评定是最直接和有效的方法和手段，亦是一件十分重要、严肃和有益的工作。任何一座桥梁从“新”至“旧”、从状况良好到出现病害都是一个动态变化的过程。如何对不同“年龄”公路桥梁的工程质量和工作状态作出正确评定，就显得非常重要。对既有桥梁，在按有关规程充分收集桥梁技术资料、全面检测和理论分析计算的基础上，可对其工程质量和工作状态作出评定。在国民经济快速发展的过程中，各行各业也常有一些关系到国计民生的关键设备，需要通过各级公路运输，而这些设备的重量又往往是超限的，有时超重的幅度还非常大。在此情况下，对沿途所经桥梁也需要进行工作状态评定。
为客观了解和评定公路桥梁不同时间的真实状况和实际承载能力，应该完善和充实桥梁的评定方法，使之更加严谨和符合实际状况。
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2  公路桥梁的建设与可持续发展
, j% F4 [/ m8 U. d% L& A# L) g    任何一座公路桥梁在建成之时，虽充分考虑了当时当地以及一定时期远景的经济发展和社会效益诸多因素的需求，但仍受建设期当时的技术和经济条件、以及决策者的意愿等影响和制约。随着时间的推移和社会经济的高速发展，我国较早建设的公路桥梁大多数在今天仍发挥着重要作用，但安全性和舒适性较差，越来越明显地表现出其标准低和承载力不足的问题，多数已超过或将要超过其通行能力，成为“大动脉”上的“瓶颈”。致使公路运输的交通安全与畅通受到严重影响，也使桥梁建设可持续发展问题日显重要和突出。
    因此，在关于判定或评价公路桥梁建设可持续发展问题时，必须将交通运输能力增长及其对社会经济发展需求的适应程度增长放在首位。①
    而在考虑公路桥梁建设的有关问题时，应充分认识和正确理解到国民经济的可持续发展需要公路交通等基础设施的支持，同时，公路桥梁建设的本身亦存在满足当前需求与可持续发展的关系协调与统一的问题：即要确保公路桥梁的建设目标——安全、畅通、高效益和低成本的实现，又要使公路桥梁建成通车之后，顺利地持续经营下去，并有能力持续实现上述既定目标，使得公路桥梁在其营运使用年限内维持较高服务水平和通行能力，并满足使用末年交通持续增长的需要。要使公路桥梁的建设与可持续发展的矛盾较好地解决，及时发展和完善我国公路桥梁状态评定技术和规范就显得非常紧迫和重要。

3  桥梁状态评定的基本原则探讨②
2 M* b# p  f" q) A8 O3.1  桥梁状态评定应以设计规范的控制指标为标准
    交通部1985年颁布的系列“公路桥涵设计规范”是一套用以控制桥梁设计与计算的基本原则和标准，也是对桥梁承载能力评定的基本原则和标准，具有坚实的理论基础并已得到广泛应用。但是在进行桥梁状态和承载能力评定时有必要对设计准则的调整、安全系数的取值、结构损伤的确定，以及分析方法的选择等作进一步研究。
（1）桥梁承载能力极限状态的评定标准
桥梁结构部分或大范围（整体地）屈服、开裂，进入非弹性状态，或丧失稳定性、倾覆、滑动，乃至达到疲劳极限的状态，称作桥梁承载能力极限状态，又称“破坏极限状态”。处于此状态下的结构能力（即抵抗或承受外荷载效应的能力）称为桥梁结构极限承载力，即结构抗力效应值。它是以塑性理论为基础，评定标准是：荷载效应的不利组合值要小于或等于结构抗力效应值。
( y: \% e. G+ t( F+ g, N2 o" P( f$ H; {（2）桥梁正常使用极限状态的评定标准
2 Q* n$ Y9 l% ?9 G4 Q3 e桥梁结构在日常较大工作荷载下，某些部分会出现开裂、屈服等非弹性状态，在观感上已有挠曲、变形或振动加大等使人不放心，应对其监视或适当维修的状态，称作桥梁正常使用极限状态，此时绝大部分仍是处于弹性（线性）工作状态，迭加原理有效，又称“工作极限状态”或“运营极限状态”。它是以弹性理论或弹塑性理论为基础，以结构正截面或斜截面强度、或应力、挠度、裂缝宽度三个方面的限值控制。
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3.2  桥梁状态评定工作应与桥梁设计有所区别
    一般来讲，桥梁设计是指经济、合理地决定结构尺寸，检算结构的可靠性，并使其满足桥梁规范要求的过程。而桥梁状态评定则是利用特定信息，对桥梁的可靠性进行分析并作出决策的过程。由于两者的工作在不同阶段进行，两者所拥有的信息及信息量必然会产生变化，这就导致评定和设计不仅在宏观上（涉及过程、原理、准则等）有所区别，在具体实施中（涉及对荷载和抗力的确定、结构分析方法的选择以及安全系数的调整等）也会有差异。对绝大多数桥梁来说，其设计是一次完成的；而桥梁状态评定却常常是在不同的时间点可进行多次。另外由于所搜集到的信息、所采取的方法不同，即便对同一座桥梁进行评定，评定者也可能会得出相差很大甚至相反的结论。
    设计原理基于工程力学，它反应在桥规的具体条款中。从这个意义上讲，设计原理和方法是一定的。桥梁的评估原理可以基于设计原理（如基于桥规的评估方法），也可以采用基于其他原理的方法（如基于外观调查的方法、荷载试验、专家系统、基于结构可靠性理论的方法等）。
    在设计和评估准则上，也有可能存在区别。例如，在桥规中，设计基准期的长短是与活载安全系数的取值联系在一起的，对混凝土桥的耐久性要求也隐含在桥规条款中。但是，对一座已经使用时间较长（如50年）的桥梁，是否有必要仍按上述设计准则来进行评估？或者说，是放宽或调整设计准则，在安全性不降低（活载安全系数适当减小、耐久性要求适当降低）的前提下，让桥梁继续使用一段时间，还是严格执行设计准则，立即对桥梁进行加固或替换？
    根据公路桥梁荷载试验进行桥梁状态和承载能力的评定，也应与新桥的设计方法区分开来，在计算模型的建立中应尽可能充分反映桥梁的实际工作状况和影响承载能力的各种因素。
    多数桥梁状态评定的理论分析计算，仍是基本上采用设计方法再次进行验算，且大多数计算方法是以弹性理论为基础，尽管也考虑了某些因素对承载能力的影响，但由于对结构力学模型的简化与实际受力状况的差别（如未考虑实际支座的布置、钢桁梁节点的弹性等），以及计算采用的简化材料本构关系与结构材料多维受力下本构关系的不同，以设计理论为基础的评定方法难以充分反映桥梁的实际承载力，有相当多的评定结果是偏保守的。事实上，对特定荷载、特定桥型的桥梁承载力应是一个客观存在，对其评定应区别于新桥的设计验算方法。因此，有必要深入研究一种能合理、可靠地评定桥梁实际工作状况的方法。
    为真实反映桥梁的实际承载力，在桥梁状态评定的理论分析检算中应考虑材料的真实情况，如可以考虑混凝土在双向受力下的破坏准则及非线性本构关系。混凝土在双向受压和未开裂时为各向同性材料，开裂后应视为正交异性材料，并应考虑拉伸劲化和软化效应，而对于混凝土和钢筋的强度及弹性模量尽量采用实测值。
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& g( P! s2 `& ^$ D  X3.3  桥梁状态评定与荷载的关系应真实反映实际使用情况
5 Q7 p6 `" T- c: D. Q8 m* Z    桥梁的作用荷载种类、形式和大小选择是否恰当，关系到桥梁结构在它的有限寿命期限内的安全，也关系到桥梁建设费用的合理与否。实际上，荷载分析是比结构分析更为重要的问题。随着科学技术的进步和桥梁工程的发展，实际与可能作用在桥梁结构上的荷载越来越复杂，在桥梁设计中，以及桥梁状态评定时，考虑哪些荷载可能同时出现的组合也就复杂化了。
, l9 b! ?, i+ p& i7 S7 V   荷载是公路桥梁结构设计中最基本的技术条件，也是桥梁状态评定的控制条件。了解清楚桥梁的设计荷载情况，以及桥梁使用阶段实际与可能作用在桥梁结构上的荷载情况，是桥梁状态评定的重要前提和工作之一。
   为使桥梁结构符合适用、安全和经济的设计要求，必须要制定符合客观实际需要的荷载形式、标准值大小及其在不同时间不同条件下的可能组合方式。同样，桥梁结构正常使用时可能出现的荷载与荷载组合，在桥梁状态评定时应真实、全面地考虑到，并应综合分析、准确模拟，客观评定。
2 i- J# c, D" ^0 @2 G   在桥梁状态评定时，应考虑的荷载和设计时应考虑的大体一致，但是结构正常使用时的最大荷载与荷载组合，要顾及到在结构有限寿命的期限内，荷载增大时的结构负载能力，此时结构构件可能有局部达到屈服强度，而整体结构并不产生过大的永久变形，不造成正常行车的障碍，然而却使桥梁结构处于非常不利和危险的状态。所以，在进行桥梁状态评定时应充分真实地考虑到桥梁可能作用到的实际荷载和荷载组合情况。

) a9 ~' f, k; `. P7 U8 V0 H6 V" W3.4  桥梁状态评定手段应具包容性
    以结构可靠性理论为指导、以设计规范为基础的评估方法是桥梁状态评定工作的根本。除此之外，评定工作还应该包容和吸收其他评估方法的长处。例如，评定者的工程经验或专家意见就适于处理结构损伤评价这类问题；当对评定结果没有把握时，荷载试验往往就成为有效的验证办法。评定工作不仅要吸收这些方法，更重要的是，要体现这些方法是如何影响评定结果的。这样，才能把不同的评定手段有机地结合起来。

2 i, X8 @, F6 N' ~4  公路桥梁各阶段的状态评定探讨③
    桥梁建设技术包括：设计、施工、评价三大系统。建国几十年来，在桥梁结构理论及设计计算技术和施工工艺水平方面得到很大发展，尤其随着计算机的普及，我国桥梁理论及设计技术已接近或跟上世界先进水平。但在现有桥梁的评价技术方面有较大的差距，只是近十几年来，由于公路运输的发展，汽车荷载吨位的加重，迫切需要对现有桥梁进行加固改造，才受到各方面的重视，得到了一定程度的发展。
    随着对桥梁状态评定问题的深入研究，人们愈来愈深刻认识到桥梁状态评定应该是一个综合评价的问题。所谓综合评价，是指对多种因素影响的事物或现象进行总的评价，换而言之，就是在评价事物时，应兼顾各个方面，要做出任何一个决策，都必须对多个相关因素作综合考虑。
8 u8 i# U: R3 r% `- G: H    桥梁状态的评定，涉及到许多相关因素的复杂影响。对一座桥梁而言，包括上部结构、下部结构和基础工程，如再细分，又各自包括许多基本构件，对每一个基本构件，既可能存在因设计、施工和使用过程中的不同原因所引起的缺损，也可能存在由于相互作用所产生的损伤。此外，还可能存在因环境、自然灾害等引起的损坏等。这些因素之间的相互关系十分复杂，同时又相互影响，由此可见，桥梁状态的综合评价是十分复杂的。
6 i/ ]& U- J# g3 J) f8 x    一般来讲，对桥梁状态评定的基本要求，应包括三个方面：桥梁的安全性、耐久性和适用性。也就是说，对桥梁状态可以从使用价值、使用功能和结构承载能力等三个方面加以评价。使用价值评价，属于宏观评价的范畴。通常在对桥梁进行了直观和微观评价，确定桥梁在使用功能和承载能力的利用价值之后，还需从宏观技术经济的角度对桥梁在规划使用期限内的使用价值进行评估。
   对桥梁在规划使用期限内的使用功能和承载能力的评价，分属于直观和微观评价的范畴，是桥梁状态评价的重点，为人们所说的通常意义上的桥梁评定。一般说来，这一桥梁评定包含了一般评定和综合评定两部分内容。
, \: ?: m3 {9 E3 `4 a    一般评定是依据桥梁定期检查资料，通过数量级评定方法对桥梁各部件技术状况作出综合评定，进而确定出桥梁的技术等级，提出各类桥梁的养护措施。
    综合评定则包括了承载能力适应率、通行能力适应率、洪水宣泄能力适应率和承载能力评定等四方面的内容，前三方面均以路线为单位，表征公路桥涵的整体适应性。承载能力评定则是针对单座桥梁的，通常在一般评定的基础上，结合检算分析和荷载试验，对桥梁实际承载能力作出评定。一般说来，对定期检查确定为四类的桥梁和新建的大型桥梁、复杂结构的桥梁、以及采用了新材料、新工艺、新技术、新理论等设计的桥梁，需要进行承载能力的评定。
5 v/ o+ }4 ?/ A  C    桥梁状态评定通常是一个由浅入深、循序渐进的过程，即由信息收集、分析评价和决策三个基本过程组成。桥梁状态评定应该贯穿桥梁的全寿命期，即包涵设计阶段、施工阶段、正常营运阶段和疲劳损坏与加固维修阶段，直至确定拆除为止。
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- t8 }0 H) _( X$ n& z4.1  设计阶段的评定
+ s) y0 V  N& K! w/ |" F   设计阶段的评定应包括：使用功能、技术性能、美观性和经济性的评价。
对于采用新结构、新材料、新技术、新工艺等修建的桥梁，尚有许多诸如结构的材料性能、动力反应、不能建立与研究问题相对应的完善的数学模型，或计算模型与实际结构之间的差距等问题，此时可通过桥梁模型的模拟试验，直接测得理论分析与计算的相关参数，掌握桥梁结构的实际受力和工作状况，探索桥梁结构受力行为的一般规律，检验是否符合国家标准和设计要求。
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8 r. @. j" I/ X9 f4 v7 [$ ^( R7 t) H4.2  施工质量的评定
   为了对新建桥梁的工程质量进行评定，可通过一定的试验手段，对桥梁的主要质量指标（例如混凝土质量、钢材的焊接质量、检验荷载作用下桥梁的最大挠度或挠曲线、控制截面上的应力等）进行测试，根据测得的这些基本数据，对新建桥梁的工程质量和工作状态进行评定。这种试验可以用来检验设计理论以及施工质量，为即将投入使用的桥梁的运行、养护提供依据。
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4.3  营运阶段的评定
   营运阶段的评定应包括：正常营运过程中的常规检测评定、通行特种车辆前的检测与评定。

4.4  损伤维修的评定
    公路桥梁在营运过程中，因受到地震、台风、雨雪、冰冻等自然因素的影响以及冲击荷载等人为因素的作用和随着时间的推移，桥梁结构都会受到不同程度地损害。为了了解桥梁的实际损害程度以便决定采取何种养护或维修措施，就有必要对这些受损桥梁进行状况评定。
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6 \9 m7 y3 I' [  K" }5 F4.5  加固或拆除前的评定
    随着交通运输事业的发展，许多公路都要提高运输等级，线路上的桥梁也要进行改建或重建。为了采取切合实际的旧桥改造方案以便获得最佳的经济和社会效益，常常有必要对既有桥梁的实际承载能力和耐久性等进行检测与评定，从而决定采用何种措施来满足线路对桥梁的诸如承载能力、桥宽、纵坡等各项指标的要求，或者决定拆除后重建新桥。
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: k+ P  U0 Z1 j; Y  e, m5  结语
    总之，桥梁结构的状态评定，通常的意义是试图量化结构的完整度水平、其完成设计服务功能和期限的能力。合理评定现有桥梁的承载能力是桥梁状态评价的核心。总的来讲在这方面国内外的研究还都非常欠缺。桥梁不同部位、不同的材料对总体结构安全的影响是不同的。目前对桥梁状态的评价缺乏统一有效的、量化的综合性指标，难以反映各构件对整个桥梁的影响，分析影响桥梁性能的各因素，对各级各类构件都确定相应评价标准，以确定其对桥梁整体状态的影响及权重，从而建立可信的桥梁总体状态评价标准值得进一步研究。
' \8 Z8 n5 `8 [' `4 @    桥梁状态评定是桥梁工程发展的一个较新领域，是一项具有明显的技术意义和经济意义的新学科。我国桥梁状态评定与世界先进水平相比，尚存在一定差距。主要表现在：评定理论还不够先进、评定体系还不够健全，评定方法还有待完善。开展这一领域的研究工作，对提高我国桥梁状态评定水平、减少桥梁的加固重建费用、满足日益增长的交通运输要求，统一和协调公路桥梁的建设与可持续发展问题，具有积极的意义。

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参考文献

1. 陈贻安.关于公路交通可持续发展能力评价模型的探讨.第一届全国公路科技创新高层论
坛论文集（综合卷）.外文出版社.2002年.
2. 谌润水、胡钊芳等.公路桥梁荷载试验.人民交通出版社.2003年.
3. 张劲泉、李万恒等.公路旧桥承载能力评定方法.全国公路桥梁养护管理技术交流会文集.
# c) X. v: y; c: {" _2002年.

谌润水老师在旧桥加固方面有很多著作和论文,我读过好几篇.

这几年作者发表了很多相关方面的文章，不知道有没有理论方面的创新！