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既有铁路桥涵重载评估问题研究

文档作者：刘汉夫文档来源：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所		点击数：	更新时间： 2022年10月12日
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既有铁路桥涵重载评估问题研究 刘汉夫 75
既有铁路桥涵重载评估问题研究
刘汉夫
(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)
摘要：为更好地进行既有铁路桥涵重载评估，对其相关理论、技术等方面存在的问题进行了初步分析，认为：
应按“重检慎修”的原则充分做好前期评估工作；人工检查、实桥检算和桥梁测试是不可偏废、三位一体的评估手
段；应充分利用既有桥涵的剩余承载力，以达到安全和经济的平衡；按以前的标准设计的梁大多具备短期承受较大
轴重荷载的能力，使得短期内桥梁测试难以发现有价值的新问题，应建立长效观测、评估机制；某些方法、规范条文
自身还不够完备，应及时进行研究、澄清与修正；评估人应具备概念评估的工作理念，以解决主要问题。
关键词：既有线；铁路桥；重载；评估；问题
中图分类号：U448．13；U446 文献标志码：A 文章编号i1671—7767(2013)01—0075—04
1 引 言
目前大秦、大包线等多条铁路线已普遍开行轴
重25 t的C80重载货车。2011年11月在齐齐哈
尔一龙江、齐齐哈尔一泰康区间进行了轴重27 t货
车作用下桥梁评估试验。随着朔黄线等铁路线运力
进一步提高的需要，还将推出载重100 t级的新型
货车，其轴重将达到近30 t。上述既有铁路线运营
荷载的加大对既有铁路桥涵静、动力适应性评估提
出了迫切要求，其中如实掌握实桥的承载力裕度是
其技术难点。为更好地进行既有铁路桥涵重载评
估，本文针对运营荷载效应加大情况下既有桥评估
工作中评估与加固的工作关系、桥梁评估工作中需
要改进的方面、对设计与检定理论的模糊认识及其
本身缺陷、评估策略建议以及概念评估思想等方面
存在的问题进行了初步探讨。
2 评估和加固的关系
评估与加固的关系如同桥隧养护维修中的检与
修，目前其理念已转向“重检慎修、检重于修”_1]。《既
有线提速200～250 km／h线桥设备维修规则》_2]
1．0．3条及其条文说明口 1．0．3条以及《铁路桥隧建筑
物修理规则》 4．0．1条中均明确要求要实行检、养、
修分离的管理体制。因此，评估人应以对工程的安
全、经济高度负责的态度，专心做好复杂的实桥鉴定。
只有评估做得细致、到位，加固才更合理。加固属于
设计施工范畴，应由原设计单位依据评估结果进行加
固设计。评估单位只对评估结论负责，这样做责任明
确，充分体现了检、修分离的新理念。
3 铁路桥梁评估工作现状
3．1 过于依赖仪器检测，对实桥检算重视不足
实桥评估又称桥梁检测，包括“检”和“测”2个
方面。其中“检”包含检查及检算两方面的工作。目
前2004版《铁路桥梁检定规范》第4～9章节是桥梁
检算方面的内容，只有第1O、第11章节是桥梁试验
方面的内容。需强调的是，实桥检定承载系数K 不
是设计检算的结果，而是按照检定标准、材料参数的
实测值进行实桥检算得出的。大多数实际结构评估
问题(尤其是静力特性评估问题)应该能够通过实际
材料参数鉴定及细致全面的检算完成。《混凝土结
构设计规范》(GB 50010—2010)也强调了既有结构
应按材料强度实测值进行验算评估，尤其对于既有
结构静承载力评估问题。除材料破损非常严重、很
难进行实际参数鉴定及验算的情形外，一般并不推
荐进行昂贵的荷载试验。
目前大部分铁路旧桥(除个别高墩桥外)的重载
评估属于既有结构静承载力评估问题。然而目前铁
路桥检工作却对实桥检算认识不足：不懂如何进行
实桥检算；把实桥检算等同于设计检算；很少进行实
际材料参数的鉴定或鉴定很不规范；不知桥梁承载
系数K 的含义、如何得出；认为桥梁检算是设计人
员的工作，桥梁评估的全部工作就是进行野外试验。
上述认识使得桥梁评估变成了在市场上购人现成仪
器设备进行荷载试验，按照固定的模式出数据，再和
收稿日期：2012—01—31
作者简介：刘汉夫(1964-)，男，研究员，1987年毕业于河海大学工程固体力学专业，获学士学位，1993年毕业于北方交通大学桥隧与结构工
程专业，获硕士学位(E—mail：hanfuliu@sohu．corn)。
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规范限值比大小的简单重复劳动。
桥梁荷载试验不能完全代替桥梁检算，原因为：
测点的有限性和现场条件的局限性导致不可能处处
设测点，测试不到的地方只能通过检查、检算进行评
估。因此，人工检查、实桥检算和桥梁测试是不可偏
废、三位一体的评估手段。
3．2 过于依赖仪器设备，对测试关键技术掌握不足
目前，测试手段还很有限、隐含的测试与分析关
键技术掌握有难度、现场条件的限制以及判别标准
的时滞落后等问题的存在，使得仅期望通过试验来
反映全部问题显然不切实际。而且目前在动测仪器
设备方面，已经向集成化、软件化与自动化方向发
展，对于绝大部分非专业人员来说，测试设备变成了
进信号、出数据的“暗盒”，一般人稍加学习就可操
作。而这些一般用户由于知识结构的欠缺、专业校
验设备的缺少等导致其辨识能力有限，只能被动接
受。这造成了目前桥梁试验简单化、表面化与快餐
化的行为大为流行，其不良后果不容忽视。
4 铁路桥设计理论剖析
铁路桥一直采用单一系数容许应力设计法进行
设计。这往往造成只是材料强度安全系数的认识，
结构荷载(或效应)的安全系数应该分配多少是一个
未知数，因此常常拿现行列车荷载(轴重)与设计列
车荷载标准比较，认为标准荷载储备不足 ]。例如：
针对实际货车改型、轴重加大问题，普遍做法是计算
实际列车的荷载效应并和设计活载效应比较，得出
超效应比例，认为超设计活载效应的旧桥就需要加
固、新桥就需要提高设计荷载等级。目前建工、公路
行业对设计活载(如楼面、屋面活载，汽车车道荷载、
车辆荷载)采用1．4的荷载分项系数，这意味着结构
实际使用活载至少在设计阶段就可以确定，可以超
设计活载在4O 限度以内。事实上对于任何建筑
设计均认为荷载在使用期内是变量，都在设计中通
过不同方式予以考虑，使用荷载一发生增大，就立即
要加固、要提高设计活载标准显然依据不够充分。
铁路桥采用单一系数容许应力设计法也有其合
理性。铁路桥梁不同于其它行业建筑的区别是：活
载效应大且疲劳效应明显，这必然要求桥梁在使用
中是低应力弹性工作。值得一提的是：对于疲劳控
制设计的构件(如厂房吊车梁)，现行《混凝土结构设
计规范》 采用的也是与铁路桥几乎相同的疲劳容许
应力及应力幅验算法i现行《钢结构设计规范》[7 尽管
整体上采用的也是以可靠度为基础的分项系数设计
法，但对疲劳控制设计的构件，明确规定采用不考虑
荷载分项系数的标准值下的容许应力幅设计法。
众所周知：某些老桥虽不完全符合目前的某些
标准，但却经受了长期运营考验，没有出现主要构件
发生疲劳脆断等极端现象。近年来为模拟C8O型
25 t轴重作用对既有桥梁的影响，对大秦线l片换
下的、状况不佳的8 m跨钢筋混凝土梁进行了室内
疲劳模拟试验，疲劳次数达2 000万次，并进行了连
续不中断的1 000万次疲劳循环，先后还进行了7
次静压试验。结论是：梁体混凝土和受拉钢筋工作
正常，未发现明显新增裂纹，而且原有裂纹也没有明
显发展l8 。这均说明以前的设计、施工理念有值得
肯定和继承的方面，也说明某些现象并非如某些分
析的那样严重，大多既有桥都有承载潜力可挖。
5 轴重加大后的既有铁路桥评估策略
5．1 大多实桥实际承载力大于设计承载力
完善的工程设计的设计承载力所考虑的方面包
括设计活载及各类工况验算等，认为实际运行荷载
效应一旦超过设计荷载效应，结构不安全、需全面加
固的想法是一种误解。如：按以前的标准设计的梁
都经过了架桥机架梁施工验算，而当时考虑的架梁
轴重均在40 t以上，如130吨一59型最大轴重就达
45．8 t[9]
。尽管检算时是按照特殊荷载考虑了容许
应力的提高，但也至少说明该梁有短期承受如此大
载重的能力，至于能否长期承受、承受多长时间才能
暴露问题，这还和桥梁实际材料质量、地基条件、施
工过程控制以及成桥后的养护维修等密切相关。
从桥梁检定的角度来看，绝大多数实桥的承载
系数K 均满足K≥1．0，表明桥梁的实际承载力不
小于设计承载力，需要加固的充要条件应是实际车
辆的活载系数Q≥K，而不是Q≥1．0。
5．2 评估策略建议
实桥的重载适应性是一切从实际出发、以事实
为依据的认识提高过程，关键是在充分检算、实测的
基础上弄清结构的实际承载力(即掌握K值)，同时
积累运行经验、建立人工检查跟踪评估机制，确定合
理的检定周期。事实上很多重载线路重车线、空车
线区分分明，两线又往往同设计、同施工，这提供了
很好的桥梁直观对比条件，可以又经济又可靠地说
明与鉴定问题。
长期以来，桥梁人工检查作为一种基础性的检
定手段被严重忽略了，改而希望通过远程监控、长期
健康监测代替人工检查，这是由于某些观念在起导
既有铁路桥涵重载评估问题研究 刘汉夫 77
向作用(认为人工检查不是高科技、没有体现高水
平)。远程监控、长期监测只是代表一种发展方向，
作为一种方法在开发，个别试点可以，但由于其损伤
识别灵敏度、系统稳定度、海量数据的识别确认以及
自动处理等问题的广泛存在，这方面的技术以及相
关理论支撑还处于剧烈变动、相当争议之中，成熟度
远没达到可以实用的地步。
6 铁路桥评估方法、评估规范条文存在的问题
铁路桥的横向刚度是一个长期悬而未决的问
题，评价尺度各不相同、宽严程度也有差异，说明其
蕴涵的物理意义不甚明确，确定横向刚度的理论方
法尚未被认识口 。如：被当作桥跨结构横向刚度检
验标准的桥梁跨中横向振幅安全限值口 是个与梁
型、跨长L均相关的量，是依据以往的实测资料经
归纳整理而来。而作为一种限值标准其不可能因为
梁刚度强(如跨度小、混凝土梁)标准就严(振幅限值
小)，梁刚度柔(如跨度大、钢梁)标准就松(振幅限值
大)。对于货车，限定横向振幅的主要目的是确保脱
轨安全，其大小只能取决于车辆运行条件。其概念
是无论轮下桥梁结构为何种类型、跨长多少，只要某
处(一般是桥梁跨中)振幅值(最多应该是与响应频
率相关的量)超过某一固定数值，该处脱轨就容易发
生。不妨借鉴高速设规对梁扭转变形的限值规定，
ZK静活载作用下，梁体扭转引起的轨面不平顺限
值为：以1段长3 m 的线路为基准，I线2根钢轨的
竖向相对变形量t≤ 1．5 mm 。这项3 m／1．5
mm 限值规定不会因为轨下梁型、跨长的不同而
不同。
针对既有钢桥疲劳评估问题，目前基本使用基
于疲劳损伤累积假设的传统的S～N 曲线分析法。
但有研究证明，该方法只适合于设计阶段的结构，而
对于已经产生裂纹或损伤的既有结构，应该用断裂
力学方法评估结构的残余寿命口 。目前，疲劳研究
的方向是使断裂力学的分析方法用于疲劳计算，充
分解释已经出现的裂纹并准确进行寿命评估¨ 。
混凝土桥的检定容许应力取值问题同样有值得
商榷之处：《铁路桥梁检定规范》口 第6．1．4条除规
定按实测强度取用检定容许应力值外，还加上了不
宜超过原设计容许应力20 的规定。如果按此规
定执行，很多桥梁检算通不过，材料实际强度也得不
到较好发挥。此项规定实际上是1978年版规范的
规定，按照当时的规范说明_1 ，这是为了保证结构
尚有一定的安全裕度，是偏于安全保守的一项规定。
而《混凝土结构设计规范》(GB 50010—20i0)在“既
有结构设计原则”只规定了按材料实测值验算，并无
20 的限值规定。重载评估的原则应是在确保安全
的基础上充分利用既有结构的剩余承载力，达到安
全和经济的平衡。20 限值规范用语是“不宜”而非
“不应”，因此对于混凝土桥梁的实际检算，可不考虑
容许应力2O 限值规定。
7 概念评估思想
概念评估思想即根据结构特点和以往的评估经
验，明确方向、弄清主要问题。测试追求的方向是一
种验证性的少测、精测和专业测，在设计理论的指导
下取得能说明问题的数据。而海量数据、大面积测
试往往会造成数据处理困难、处理不到位、不专业，
质量低劣的数据不但没有价值，而且有不良导向和
示范作用。
对于中、低墩和中小跨度桥梁，重载作用下的桥
梁评估主要是静强度评估问题，其重点是实材强度
鉴定与结构检算。由于这类结构固有频率高，而重
载车辆速度不会太高、桥上车辆质量大，整个结构质
心低、刚性强，一般不会出现振动剧烈而影响安全的
现象。因此没有必要过分关心其自振频率、横向振
幅超检规限值现象。这一方面有其限值标准本身不
完善之处；另一方面这2项测量指标需要很强的测
试和分析技术(如动测中测量不确定度的影响、振动
传感器在空问六自由度激励下的交耦输出影响、模
态试验分析关键技术等)，影响因素复杂多变，缺乏
软、硬件系统专业研究的单位和个人难于做到精测
和专业分析，其数据可靠性有限。
对于高墩桥梁，重载作用下的桥梁评估除强度
问题外，结构振动评估问题也很重要。从一般的结
构概念设计理念来看，结构合理的刚度及质量分布
是抗震设计的核心。而车辆载重的增加加剧了高墩
桥的质量分布不合理性，尤其是某些薄壁空心柔性
墩。但目前桥梁振动控制标准本身还存在一定的模
糊性，比如用哪种标准(加速度、振动位移还是与频
率有关的振动位移等)、限值取多大合理等。
8 结 语
对于既有铁路桥涵重载评估，关键在于通过人
工检查、检算和桥梁试验三位一体的评估工作准确
掌握其承载力或通行裕度；应该按照“重检慎修”的
原则在评估充分的基础上采用恰当对策，达到安全
和经济的平衡；大多既有桥都有承载潜力可挖，按以
78 世界桥梁 2013，41(1)
前的标准设计的梁经受过架桥机架梁大轴重工况的
施工验算，大多具备短期承受较大轴重荷载能力，这
使得短期内的桥梁测试难以发现有价值的新问题，
应建立长效观测、评估机制；桥梁人工检查作为一种
基础性的桥评估手段应在重载评估中得到充分重
视；实桥检算是评估工作的基本技能与重点工作；某
些方法以及规范条文自身还不够成熟或存在明显缺
陷，这反映某些基础性工作还不够完备，应及时进行
研究、澄清与修正；桥梁评估应在概念评估的引导下
走正确的技术路线，集中精力解决关键技术难题；桥
梁动态测试是一门新技术，影响因素及数据处理技
术复杂多变，非传统静测“统一仪器、统一方法”的思
维模式所能包容；应开展系统的软、硬件专业研究，
建立合理而专业的方法研究及软、硬件校验体系，以
全面提升动测评估质量。
参 考 文 献：
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Heavy Load Evaluation
Bridges and Culverts
(编辑：陈 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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