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110国道四座旧桥针对现状车载的承载力评定和可靠度随机有限元分析 秦 权 清华大学，北京 100084 摘要 我国在大规模建设新桥的同时，大量旧桥出现各种问题而需要评定承载力。本文针对的110国道4座旧桥上的车载已经超过了设计车载的一倍半。结合这些旧桥，本文讨论针对现状车载的承载力评定，讨论了旧桥评定时，为挖掘承载力潜力对桥梁系统分析模型的要求和有限单元类型的选择。本文采用了三维体元分析这些旧桥，发现为支撑这样大的车载，只有一座桥必须拆除，两座桥需要适当加固，一座桥连加固都不需要。本文还用随机有限元计算旧桥在现状车载下的剩余可靠度问题。分析结果表明：更加逼真的分析模型确能挖掘桥梁的潜力，这使得旧桥评定比设计新桥的分析更困难，要求桥梁工程师熟悉弹性力学、板壳理论和相应的有限元理论方面的知识。 关键词： 现状车载；结构分析模型；三维体元；旧桥承载力评定；可靠度；随机有限元 一、引言 我国在大规模建设新桥的同时，大量旧桥出现不同程度的问题，不得不评定承载力和加固。旧桥的问题主要有两方面的原因：一是车辆交通的发展，设计桥梁时对公路交通的发展估计不足，考虑的是汽10或汽20车载，现在车载翻了一倍以上，二是结构经多年使用后出现各种病害，导致承载力降低。因此，旧桥承载力评定遇到两方面的技术问题：按现状车载推断后续使用期的车载，和在分析模型中考虑结构构件抗力的退化。两者在设计新桥时不需要考虑，因而旧桥评定含有额外的技术困难，旧桥评定工作的质量取决于如何处理这两个问题。本文结合北京市公路局委托的‘北京地区110国道五座旧桥针对现状汽车荷载的上下部结构承载力评定’[1]工作讨论有关技术问题。 随着社会发展，交通量和车辆都在发展。现状车载的统计主要是重车。应当根据具体公路的货运输需求来统计现状重车荷载，并推断后续使用期内重载车的可能发展。有些公路，如110国道，由于货运的特殊性（运煤），按设计车载限制超重车难以实行，因此，应当在承认车辆发展的前提下，进行相对长期的车载量测和统计，以确定合理的评定车载。本工作就是根据北京市公路局2001年6月30日－9月14日对110国道昌平地段汽车荷载的量测数据[2]进行统计的。以此推断20年后续使用期的车载。量测数据表明大量超过100吨的重车行驶在公路的上行侧，最大超过了130吨。车载显示出少有的双峰分布。作者用特殊的统计方法建立了评定用的典型车队数据（主车54吨，重车86吨）。有关现状车载的讨论详见文献[3] 。 桥梁在长期使用期间出现的混凝土开裂、主筋锈蚀、地基沉降都会降低承载力，因此需要对桥梁结构现状进行详细测试，并把测试结果反映到分析模型中，才能得到可靠的承载力。110国道五座旧桥是1981年竣工的，设计、施工质量都比较好。北京市公路局的检测结论是‘全域桥梁为可接受状态，中等缺陷’，评定时可使用设计混凝土标号和主筋面积，个别桥梁混凝土标号略有降低。主要问题是桥面板开裂漏水、主梁下翼缘开裂、腹板斜裂缝、混凝土炭化到达主筋和主拱圈局部露筋。 考虑到超重一倍半的车载已经行驶了多年，如果仍按设计是使用的分析模型，可以肯定五座桥应当失效。这五座桥能工作到今天，必定发挥了设计时没有考虑的潜力。旧桥承载力评定能否挖掘这种潜力，关键在桥梁整体分析模型。我国现行公路桥设计规范着重构件设计，对全桥整体分析模型没有明确的规定。‘公路旧桥承载能力鉴定方法’也只做了原则性规定：除了用现行规范进行外，‘也可应用已为科研证实能挖掘桥梁潜力的可靠的分析方法‘。实际设计时建立的分析模型往往做了大量保守的简化，导致巨大的误差。如果旧桥承载力评定时仍然使用这种分析模型，若分析结果是‘安全’的，可以认为旧桥就是安全的，但这种情况不多见；但若分析结果是‘不安全’的，侧不能认为旧桥眞是不安全的，因为分析模型过于保守。因此，旧桥承载力捡算对全桥分析模型有特殊的要求。 本工作考虑恒载、汽车荷载、人群荷载和温度作用。汽车荷载按影响线确定不同断面的最不利位置。 二、有限元分析模型 四座桥中，三座是装配式钢筋混凝土上承双曲拱桥，桥宽都是12 m，拱肋上放拱波，上后浇混凝土，实体桥墩。其中，德胜口桥是5(30 m连拱桥，8根拱肋，每个拱脚上有三片肩墙支撑三连跨腹拱，见图1；姑娘台桥是单跨40 m曲梁带坡拱桥，6根拱肋，桥面中心线曲率半径110 m，每个拱脚上有4片肩墙支撑四跨连续梁，见图2；陡岭1＃桥主跨是单跨65 m带坡拱桥，6根拱肋，每个拱肩有5榀4柱排架，支撑连续梁，见图3。黄土嘴桥是25＋32+25 m连续箱梁混凝土带坡曲梁桥，单箱截面，桥面中心线曲率半径160 m，三个单柱墩，见图4。 1．三座拱桥的有限元模型 由于双曲拱拱波上有变截面现浇混凝土，可参与拱肋承受车载，主拱形状极不规则，加厚处提高了承压能力，但厚度突变又引起应力集中，拱肋间有横隔梁，