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既有鐵路橋涵重載評估問題研究

文檔作者：劉漢夫文檔來源：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月12日
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既有鐵路橋涵重載評估問題研究 劉漢夫 75
既有鐵路橋涵重載評估問題研究
劉漢夫
(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)
摘要：為更好地進行既有鐵路橋涵重載評估，對其相關(guān)理論、技術(shù)等方面存在的問題進行了初步分析，認(rèn)為：
應(yīng)按“重檢慎修”的原則充分做好前期評估工作；人工檢查、實橋檢算和橋梁測試是不可偏廢、三位一體的評估手
段；應(yīng)充分利用既有橋涵的剩余承載力，以達(dá)到安全和經(jīng)濟的平衡；按以前的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的梁大多具備短期承受較大
軸重荷載的能力，使得短期內(nèi)橋梁測試難以發(fā)現(xiàn)有價值的新問題，應(yīng)建立長效觀測、評估機制；某些方法、規(guī)范條文
自身還不夠完備，應(yīng)及時進行研究、澄清與修正；評估人應(yīng)具備概念評估的工作理念，以解決主要問題。
關(guān)鍵詞：既有線；鐵路橋；重載；評估；問題
中圖分類號：U448．13；U446 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號i1671—7767(2013)01—0075—04
1 引 言
目前大秦、大包線等多條鐵路線已普遍開行軸
重25 t的C80重載貨車。2011年11月在齊齊哈
爾一龍江、齊齊哈爾一泰康區(qū)間進行了軸重27 t貨
車作用下橋梁評估試驗。隨著朔黃線等鐵路線運力
進一步提高的需要，還將推出載重100 t級的新型
貨車，其軸重將達(dá)到近30 t。上述既有鐵路線運營
荷載的加大對既有鐵路橋涵靜、動力適應(yīng)性評估提
出了迫切要求，其中如實掌握實橋的承載力裕度是
其技術(shù)難點。為更好地進行既有鐵路橋涵重載評
估，本文針對運營荷載效應(yīng)加大情況下既有橋評估
工作中評估與加固的工作關(guān)系、橋梁評估工作中需
要改進的方面、對設(shè)計與檢定理論的模糊認(rèn)識及其
本身缺陷、評估策略建議以及概念評估思想等方面
存在的問題進行了初步探討。
2 評估和加固的關(guān)系
評估與加固的關(guān)系如同橋隧養(yǎng)護維修中的檢與
修，目前其理念已轉(zhuǎn)向“重檢慎修、檢重于修”_1]?！都?
有線提速200～250 km／h線橋設(shè)備維修規(guī)則》_2]
1．0．3條及其條文說明口 1．0．3條以及《鐵路橋隧建筑
物修理規(guī)則》 4．0．1條中均明確要求要實行檢、養(yǎng)、
修分離的管理體制。因此，評估人應(yīng)以對工程的安
全、經(jīng)濟高度負(fù)責(zé)的態(tài)度，專心做好復(fù)雜的實橋鑒定。
只有評估做得細(xì)致、到位，加固才更合理。加固屬于
設(shè)計施工范疇，應(yīng)由原設(shè)計單位依據(jù)評估結(jié)果進行加
固設(shè)計。評估單位只對評估結(jié)論負(fù)責(zé)，這樣做責(zé)任明
確，充分體現(xiàn)了檢、修分離的新理念。
3 鐵路橋梁評估工作現(xiàn)狀
3．1 過于依賴儀器檢測，對實橋檢算重視不足
實橋評估又稱橋梁檢測，包括“檢”和“測”2個
方面。其中“檢”包含檢查及檢算兩方面的工作。目
前2004版《鐵路橋梁檢定規(guī)范》第4～9章節(jié)是橋梁
檢算方面的內(nèi)容，只有第1O、第11章節(jié)是橋梁試驗
方面的內(nèi)容。需強調(diào)的是，實橋檢定承載系數(shù)K 不
是設(shè)計檢算的結(jié)果，而是按照檢定標(biāo)準(zhǔn)、材料參數(shù)的
實測值進行實橋檢算得出的。大多數(shù)實際結(jié)構(gòu)評估
問題(尤其是靜力特性評估問題)應(yīng)該能夠通過實際
材料參數(shù)鑒定及細(xì)致全面的檢算完成。《混凝土結(jié)
構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)也強調(diào)了既有結(jié)構(gòu)
應(yīng)按材料強度實測值進行驗算評估，尤其對于既有
結(jié)構(gòu)靜承載力評估問題。除材料破損非常嚴(yán)重、很
難進行實際參數(shù)鑒定及驗算的情形外，一般并不推
薦進行昂貴的荷載試驗。
目前大部分鐵路舊橋(除個別高墩橋外)的重載
評估屬于既有結(jié)構(gòu)靜承載力評估問題。然而目前鐵
路橋檢工作卻對實橋檢算認(rèn)識不足：不懂如何進行
實橋檢算；把實橋檢算等同于設(shè)計檢算；很少進行實
際材料參數(shù)的鑒定或鑒定很不規(guī)范；不知橋梁承載
系數(shù)K 的含義、如何得出；認(rèn)為橋梁檢算是設(shè)計人
員的工作，橋梁評估的全部工作就是進行野外試驗。
上述認(rèn)識使得橋梁評估變成了在市場上購人現(xiàn)成儀
器設(shè)備進行荷載試驗，按照固定的模式出數(shù)據(jù)，再和
收稿日期：2012—01—31
作者簡介：劉漢夫(1964-)，男，研究員，1987年畢業(yè)于河海大學(xué)工程固體力學(xué)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，1993年畢業(yè)于北方交通大學(xué)橋隧與結(jié)構(gòu)工
程專業(yè)，獲碩士學(xué)位(E—mail：hanfuliu@sohu．corn)。
76 世界橋梁 2013，41(1)
規(guī)范限值比大小的簡單重復(fù)勞動。
橋梁荷載試驗不能完全代替橋梁檢算，原因為：
測點的有限性和現(xiàn)場條件的局限性導(dǎo)致不可能處處
設(shè)測點，測試不到的地方只能通過檢查、檢算進行評
估。因此，人工檢查、實橋檢算和橋梁測試是不可偏
廢、三位一體的評估手段。
3．2 過于依賴儀器設(shè)備，對測試關(guān)鍵技術(shù)掌握不足
目前，測試手段還很有限、隱含的測試與分析關(guān)
鍵技術(shù)掌握有難度、現(xiàn)場條件的限制以及判別標(biāo)準(zhǔn)
的時滯落后等問題的存在，使得僅期望通過試驗來
反映全部問題顯然不切實際。而且目前在動測儀器
設(shè)備方面，已經(jīng)向集成化、軟件化與自動化方向發(fā)
展，對于絕大部分非專業(yè)人員來說，測試設(shè)備變成了
進信號、出數(shù)據(jù)的“暗盒”，一般人稍加學(xué)習(xí)就可操
作。而這些一般用戶由于知識結(jié)構(gòu)的欠缺、專業(yè)校
驗設(shè)備的缺少等導(dǎo)致其辨識能力有限，只能被動接
受。這造成了目前橋梁試驗簡單化、表面化與快餐
化的行為大為流行，其不良后果不容忽視。
4 鐵路橋設(shè)計理論剖析
鐵路橋一直采用單一系數(shù)容許應(yīng)力設(shè)計法進行
設(shè)計。這往往造成只是材料強度安全系數(shù)的認(rèn)識，
結(jié)構(gòu)荷載(或效應(yīng))的安全系數(shù)應(yīng)該分配多少是一個
未知數(shù)，因此常常拿現(xiàn)行列車荷載(軸重)與設(shè)計列
車荷載標(biāo)準(zhǔn)比較，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)荷載儲備不足 ]。例如：
針對實際貨車改型、軸重加大問題，普遍做法是計算
實際列車的荷載效應(yīng)并和設(shè)計活載效應(yīng)比較，得出
超效應(yīng)比例，認(rèn)為超設(shè)計活載效應(yīng)的舊橋就需要加
固、新橋就需要提高設(shè)計荷載等級。目前建工、公路
行業(yè)對設(shè)計活載(如樓面、屋面活載，汽車車道荷載、
車輛荷載)采用1．4的荷載分項系數(shù)，這意味著結(jié)構(gòu)
實際使用活載至少在設(shè)計階段就可以確定，可以超
設(shè)計活載在4O 限度以內(nèi)。事實上對于任何建筑
設(shè)計均認(rèn)為荷載在使用期內(nèi)是變量，都在設(shè)計中通
過不同方式予以考慮，使用荷載一發(fā)生增大，就立即
要加固、要提高設(shè)計活載標(biāo)準(zhǔn)顯然依據(jù)不夠充分。
鐵路橋采用單一系數(shù)容許應(yīng)力設(shè)計法也有其合
理性。鐵路橋梁不同于其它行業(yè)建筑的區(qū)別是：活
載效應(yīng)大且疲勞效應(yīng)明顯，這必然要求橋梁在使用
中是低應(yīng)力彈性工作。值得一提的是：對于疲勞控
制設(shè)計的構(gòu)件(如廠房吊車梁)，現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)
計規(guī)范》 采用的也是與鐵路橋幾乎相同的疲勞容許
應(yīng)力及應(yīng)力幅驗算法i現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7 盡管
整體上采用的也是以可靠度為基礎(chǔ)的分項系數(shù)設(shè)計
法，但對疲勞控制設(shè)計的構(gòu)件，明確規(guī)定采用不考慮
荷載分項系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值下的容許應(yīng)力幅設(shè)計法。
眾所周知：某些老橋雖不完全符合目前的某些
標(biāo)準(zhǔn)，但卻經(jīng)受了長期運營考驗，沒有出現(xiàn)主要構(gòu)件
發(fā)生疲勞脆斷等極端現(xiàn)象。近年來為模擬C8O型
25 t軸重作用對既有橋梁的影響，對大秦線l片換
下的、狀況不佳的8 m跨鋼筋混凝土梁進行了室內(nèi)
疲勞模擬試驗，疲勞次數(shù)達(dá)2 000萬次，并進行了連
續(xù)不中斷的1 000萬次疲勞循環(huán)，先后還進行了7
次靜壓試驗。結(jié)論是：梁體混凝土和受拉鋼筋工作
正常，未發(fā)現(xiàn)明顯新增裂紋，而且原有裂紋也沒有明
顯發(fā)展l8 。這均說明以前的設(shè)計、施工理念有值得
肯定和繼承的方面，也說明某些現(xiàn)象并非如某些分
析的那樣嚴(yán)重，大多既有橋都有承載潛力可挖。
5 軸重加大后的既有鐵路橋評估策略
5．1 大多實橋?qū)嶋H承載力大于設(shè)計承載力
完善的工程設(shè)計的設(shè)計承載力所考慮的方面包
括設(shè)計活載及各類工況驗算等，認(rèn)為實際運行荷載
效應(yīng)一旦超過設(shè)計荷載效應(yīng)，結(jié)構(gòu)不安全、需全面加
固的想法是一種誤解。如：按以前的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的梁
都經(jīng)過了架橋機架梁施工驗算，而當(dāng)時考慮的架梁
軸重均在40 t以上，如130噸一59型最大軸重就達(dá)
45．8 t[9]
。盡管檢算時是按照特殊荷載考慮了容許
應(yīng)力的提高，但也至少說明該梁有短期承受如此大
載重的能力，至于能否長期承受、承受多長時間才能
暴露問題，這還和橋梁實際材料質(zhì)量、地基條件、施
工過程控制以及成橋后的養(yǎng)護維修等密切相關(guān)。
從橋梁檢定的角度來看，絕大多數(shù)實橋的承載
系數(shù)K 均滿足K≥1．0，表明橋梁的實際承載力不
小于設(shè)計承載力，需要加固的充要條件應(yīng)是實際車
輛的活載系數(shù)Q≥K，而不是Q≥1．0。
5．2 評估策略建議
實橋的重載適應(yīng)性是一切從實際出發(fā)、以事實
為依據(jù)的認(rèn)識提高過程，關(guān)鍵是在充分檢算、實測的
基礎(chǔ)上弄清結(jié)構(gòu)的實際承載力(即掌握K值)，同時
積累運行經(jīng)驗、建立人工檢查跟蹤評估機制，確定合
理的檢定周期。事實上很多重載線路重車線、空車
線區(qū)分分明，兩線又往往同設(shè)計、同施工，這提供了
很好的橋梁直觀對比條件，可以又經(jīng)濟又可靠地說
明與鑒定問題。
長期以來，橋梁人工檢查作為一種基礎(chǔ)性的檢
定手段被嚴(yán)重忽略了，改而希望通過遠(yuǎn)程監(jiān)控、長期
健康監(jiān)測代替人工檢查，這是由于某些觀念在起導(dǎo)
既有鐵路橋涵重載評估問題研究 劉漢夫 77
向作用(認(rèn)為人工檢查不是高科技、沒有體現(xiàn)高水
平)。遠(yuǎn)程監(jiān)控、長期監(jiān)測只是代表一種發(fā)展方向，
作為一種方法在開發(fā)，個別試點可以，但由于其損傷
識別靈敏度、系統(tǒng)穩(wěn)定度、海量數(shù)據(jù)的識別確認(rèn)以及
自動處理等問題的廣泛存在，這方面的技術(shù)以及相
關(guān)理論支撐還處于劇烈變動、相當(dāng)爭議之中，成熟度
遠(yuǎn)沒達(dá)到可以實用的地步。
6 鐵路橋評估方法、評估規(guī)范條文存在的問題
鐵路橋的橫向剛度是一個長期懸而未決的問
題，評價尺度各不相同、寬嚴(yán)程度也有差異，說明其
蘊涵的物理意義不甚明確，確定橫向剛度的理論方
法尚未被認(rèn)識口 。如：被當(dāng)作橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度檢
驗標(biāo)準(zhǔn)的橋梁跨中橫向振幅安全限值口 是個與梁
型、跨長L均相關(guān)的量，是依據(jù)以往的實測資料經(jīng)
歸納整理而來。而作為一種限值標(biāo)準(zhǔn)其不可能因為
梁剛度強(如跨度小、混凝土梁)標(biāo)準(zhǔn)就嚴(yán)(振幅限值
小)，梁剛度柔(如跨度大、鋼梁)標(biāo)準(zhǔn)就松(振幅限值
大)。對于貨車，限定橫向振幅的主要目的是確保脫
軌安全，其大小只能取決于車輛運行條件。其概念
是無論輪下橋梁結(jié)構(gòu)為何種類型、跨長多少，只要某
處(一般是橋梁跨中)振幅值(最多應(yīng)該是與響應(yīng)頻
率相關(guān)的量)超過某一固定數(shù)值，該處脫軌就容易發(fā)
生。不妨借鑒高速設(shè)規(guī)對梁扭轉(zhuǎn)變形的限值規(guī)定，
ZK靜活載作用下，梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順限
值為：以1段長3 m 的線路為基準(zhǔn)，I線2根鋼軌的
豎向相對變形量t≤ 1．5 mm 。這項3 m／1．5
mm 限值規(guī)定不會因為軌下梁型、跨長的不同而
不同。
針對既有鋼橋疲勞評估問題，目前基本使用基
于疲勞損傷累積假設(shè)的傳統(tǒng)的S～N 曲線分析法。
但有研究證明，該方法只適合于設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)，而
對于已經(jīng)產(chǎn)生裂紋或損傷的既有結(jié)構(gòu)，應(yīng)該用斷裂
力學(xué)方法評估結(jié)構(gòu)的殘余壽命口 。目前，疲勞研究
的方向是使斷裂力學(xué)的分析方法用于疲勞計算，充
分解釋已經(jīng)出現(xiàn)的裂紋并準(zhǔn)確進行壽命評估¨ 。
混凝土橋的檢定容許應(yīng)力取值問題同樣有值得
商榷之處：《鐵路橋梁檢定規(guī)范》口 第6．1．4條除規(guī)
定按實測強度取用檢定容許應(yīng)力值外，還加上了不
宜超過原設(shè)計容許應(yīng)力20 的規(guī)定。如果按此規(guī)
定執(zhí)行，很多橋梁檢算通不過，材料實際強度也得不
到較好發(fā)揮。此項規(guī)定實際上是1978年版規(guī)范的
規(guī)定，按照當(dāng)時的規(guī)范說明_1 ，這是為了保證結(jié)構(gòu)
尚有一定的安全裕度，是偏于安全保守的一項規(guī)定。
而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—20i0)在“既
有結(jié)構(gòu)設(shè)計原則”只規(guī)定了按材料實測值驗算，并無
20 的限值規(guī)定。重載評估的原則應(yīng)是在確保安全
的基礎(chǔ)上充分利用既有結(jié)構(gòu)的剩余承載力，達(dá)到安
全和經(jīng)濟的平衡。20 限值規(guī)范用語是“不宜”而非
“不應(yīng)”，因此對于混凝土橋梁的實際檢算，可不考慮
容許應(yīng)力2O 限值規(guī)定。
7 概念評估思想
概念評估思想即根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和以往的評估經(jīng)
驗，明確方向、弄清主要問題。測試追求的方向是一
種驗證性的少測、精測和專業(yè)測，在設(shè)計理論的指導(dǎo)
下取得能說明問題的數(shù)據(jù)。而海量數(shù)據(jù)、大面積測
試往往會造成數(shù)據(jù)處理困難、處理不到位、不專業(yè)，
質(zhì)量低劣的數(shù)據(jù)不但沒有價值，而且有不良導(dǎo)向和
示范作用。
對于中、低墩和中小跨度橋梁，重載作用下的橋
梁評估主要是靜強度評估問題，其重點是實材強度
鑒定與結(jié)構(gòu)檢算。由于這類結(jié)構(gòu)固有頻率高，而重
載車輛速度不會太高、橋上車輛質(zhì)量大，整個結(jié)構(gòu)質(zhì)
心低、剛性強，一般不會出現(xiàn)振動劇烈而影響安全的
現(xiàn)象。因此沒有必要過分關(guān)心其自振頻率、橫向振
幅超檢規(guī)限值現(xiàn)象。這一方面有其限值標(biāo)準(zhǔn)本身不
完善之處；另一方面這2項測量指標(biāo)需要很強的測
試和分析技術(shù)(如動測中測量不確定度的影響、振動
傳感器在空問六自由度激勵下的交耦輸出影響、模
態(tài)試驗分析關(guān)鍵技術(shù)等)，影響因素復(fù)雜多變，缺乏
軟、硬件系統(tǒng)專業(yè)研究的單位和個人難于做到精測
和專業(yè)分析，其數(shù)據(jù)可靠性有限。
對于高墩橋梁，重載作用下的橋梁評估除強度
問題外，結(jié)構(gòu)振動評估問題也很重要。從一般的結(jié)
構(gòu)概念設(shè)計理念來看，結(jié)構(gòu)合理的剛度及質(zhì)量分布
是抗震設(shè)計的核心。而車輛載重的增加加劇了高墩
橋的質(zhì)量分布不合理性，尤其是某些薄壁空心柔性
墩。但目前橋梁振動控制標(biāo)準(zhǔn)本身還存在一定的模
糊性，比如用哪種標(biāo)準(zhǔn)(加速度、振動位移還是與頻
率有關(guān)的振動位移等)、限值取多大合理等。
8 結(jié) 語
對于既有鐵路橋涵重載評估，關(guān)鍵在于通過人
工檢查、檢算和橋梁試驗三位一體的評估工作準(zhǔn)確
掌握其承載力或通行裕度；應(yīng)該按照“重檢慎修”的
原則在評估充分的基礎(chǔ)上采用恰當(dāng)對策，達(dá)到安全
和經(jīng)濟的平衡；大多既有橋都有承載潛力可挖，按以
78 世界橋梁 2013，41(1)
前的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的梁經(jīng)受過架橋機架梁大軸重工況的
施工驗算，大多具備短期承受較大軸重荷載能力，這
使得短期內(nèi)的橋梁測試難以發(fā)現(xiàn)有價值的新問題，
應(yīng)建立長效觀測、評估機制；橋梁人工檢查作為一種
基礎(chǔ)性的橋評估手段應(yīng)在重載評估中得到充分重
視；實橋檢算是評估工作的基本技能與重點工作；某
些方法以及規(guī)范條文自身還不夠成熟或存在明顯缺
陷，這反映某些基礎(chǔ)性工作還不夠完備，應(yīng)及時進行
研究、澄清與修正；橋梁評估應(yīng)在概念評估的引導(dǎo)下
走正確的技術(shù)路線，集中精力解決關(guān)鍵技術(shù)難題；橋
梁動態(tài)測試是一門新技術(shù)，影響因素及數(shù)據(jù)處理技
術(shù)復(fù)雜多變，非傳統(tǒng)靜測“統(tǒng)一儀器、統(tǒng)一方法”的思
維模式所能包容；應(yīng)開展系統(tǒng)的軟、硬件專業(yè)研究，
建立合理而專業(yè)的方法研究及軟、硬件校驗體系，以
全面提升動測評估質(zhì)量。
參 考 文 獻(xiàn)：
E1]鐵道部運輸局，中國鐵道學(xué)會工務(wù)委員會．高速、重載鐵
路工務(wù)技術(shù)與管理：第二屆全路工務(wù)系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新成果
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Heavy Load Evaluation
Bridges and Culverts
(編輯：陳 雷)
LIU Han—fu
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 10008l，China)
Abstract：To make better heavy load evaluation for the existing railway bridges and culverts，
the problems pertinent to the related theory and techniques were analyzed．The first—step analysis
underlies the conclusion that a preliminary evaluation should be done following the guidelines of
“paying great attention to the inspection and conducting careful maintenance”：the three—in～one e—
valuation m easure， namely the manual inspection， actual bridge inspection and calculation and
bridge testing，should not be forgotten and deserted；the residual bearing capacity of the existing
bridges and culverts should be fully used to make a balance between safety and economy；the ma—
jority of bridges designed in accordance with the early standards have the capacity of bearing heav—
Y axial load for a short time，which makes the bridge testing in the short run not effective enough
to discover valuable new problems，therefore，a long—acting observing and evaluating mechanism
should be established；some methods and regulations are not complete and perfect，hence，timely
study，clarification and modification should be done；besides，the evaluators should have a
knowledge of concept evaluation，SO as to solve the principal problems．
Key words：existing line；railway bridge；heavy load；evaluation；problem

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