铁路桥梁

第一章 当代铁路桥梁的发展

............................................2

第一节 铁路桥梁技术现状和发展趋势...................................................... 2 第二节 既有桥梁的现状................................................................................ 3 第二节 高速重载运输对桥梁的要求............................................................ 4 第二章 桥 梁 养 护 维 修

.............................................5

第一节 桥梁养护维修的基本要求................................................................ 5 第二节 桥梁养护维修的基本方法................................................................ 6 第三节 桥梁养护维修的基本内容.............................................................. 8 第三章 桥梁荷载试验和状态评估

.......................................9

第一节 桥梁荷载试验.................................................................................... 9 第二节 桥梁承载能力评估（检定）.......................................................... 13 第三节 钢梁疲劳与剩余寿命评估.............................................................. 17 第四节 既有混凝土桥梁的耐久性.............................................................. 19 第四章 桥 梁 加 固

..................................................19

第一节 概 述.............................................................................................. 19 第二节 桥梁加固技术.................................................................................. 20 第三节 桥梁墩台和基础的加固.................................................................. 22 第四节 拱桥加固.......................................................................................... 22 第五节 列车快速区段桥梁加固.................................................................. 22 第六节 桥梁加固的技术经济效益分析...................................................... 23

第五章 桥 梁 防 灾.................................................................................................. 23

第一节 桥梁防洪与防护.............................................................................. 23 第二节 桥梁抗震与设防.............................................................................. 25

第六章 桥梁损伤评估及对策专家系统.................................................................... 26

第一节 专家系统及其在桥梁工程中的应用.............................................. 26 第二节 桥梁损伤评估专家系统的评估方法.............................................. 26 第三节 桥梁损伤评估及对策专家系统...................................................... 28

第三篇 铁 路 桥 梁

第一章 当代铁路桥梁的发展

第一节 铁路桥梁技术现状和发展趋势

国内外的实践经验表明，结构选型应考虑设计、施工、养护、维修甚至加固、改建的长期综合经济效益和社会效益，探索新材料、发展新结构，重视和提高结构的使用功能和艺术功能等必将成为21世纪桥梁的发展方向。

一、 桥跨结构向大跨、长联发展

在具有一定的承载能力的条件下，跨越能力仍然是反映桥梁技术水平的主要指标之一。

为避免修建或少修深水桥墩，加大通航能力，世界上各种桥式的跨度记录一再被打破。

从有利于行车，减少养护维修工作量等方面考虑，桥跨结构的连续长度也呈增加趋势。

二、 预应力混凝土桥梁成为发展主体

中等跨度桥梁已逐步被预应力混凝土桥梁所替代。

连续梁和刚构成为大跨度铁路桥的优选桥式。（连续梁的主要特征：内力分布均匀合理，超静定结构赘余力作用使结构刚度大变形小，支座只有一排墩帽尺寸小，墩梁固结减小维修工作量，内力计算要分段进行，结构变形会产生支座反力和内力称“二次内力”等。）

三、 结构型式和构造呈多样化发展

近年来修建的PC斜拉桥和PC连续梁桥及其之间的新的结构形式，曲线连续刚构型式，V型支撑结构和钢桥的整体节点技术，低塔、斜拉索加劲的连续钢桁梁结构。

四、 桥梁设计理论更趋完善和合理

国际上开始逐步采用以可靠性理论为基础，以分项安全系数表达的概率极限状态设计法。与过去采用的容许应力设计和破坏强度等方法相比，极限状态设计理论更趋完善和合理。

五、 桥梁CAD技术应用更趋广泛

桥梁CAD技术的主要内容有以下几部分：结构分析、图形绘制、结构优化、工程数据库、专家系统。

六、 建桥材料向高强、新功能、轻质方向发展

材料强度方面：钢材的屈服点和强度越来越大，预应力钢筋向大直径、高强度、低松弛、耐腐蚀、与混凝土粘结力高、拼接便利的方向发展。混凝土材料的强度也越来越高，高强度混凝土具有强度高、抗冲击性能好、耐久性强等。

材料新功能方面：抗腐蚀性能好、结构表面不需油漆的耐候钢，按TMCP（热力控制加工）生产的高质量、高强度厚钢板、变厚度钢、波纹钢、无磁性钢；在水中不离析、自行流平和密实的絮凝混凝土；用于航天工业的碳纤维强化复合材料。

桥梁建设的基本目标是适用、安全、经济、美观。

铁路桥梁发展的一般方向是：发展大跨度和特大跨度的铁路桥梁；研究和解决准高速和高速铁路桥梁的设计、施工及加固问题；开发预应力混凝土桥跨结构的新的截面型式；广泛采用以可靠性理论为基础的方法指导桥梁设计和评估；更多地将高强度钢、耐候钢、新型混凝土和高强低松弛线材应用于桥梁工程；建立桥梁管理系统，提高既有桥梁的养护、评估和加固水平。

第二节 既有桥梁的现状

一、既有桥梁现状

工程投资建设三阶段：大规模新建阶段、新建与技术改造并重阶段、既有结构的维修加固阶段。

既有桥梁不满足功能要求的问题越来越普遍。 二、对既有桥梁研究的方向

对既有桥梁的研究可分为以下几方面： 1、

桥梁结构可靠性的评估方法 目前的重点放在桥梁承载能力方面，

可采用的评估方法大致有：基于外观调查的方法、基于设计规范的方法、荷载试验、基于专家经验的方法、基于可靠性理论的方法。

2、 结构损伤或缺陷及其诊断和监控技术 结构损伤或缺陷是影响桥梁

承载能力和耐久性的重要原因之一。所研究的诊断和监控技术是提供结构实际材料强度以及确定损伤程度的基本手段。

3、

桥梁评估工作的规范化 将理论成果和实践经验形成评估规范或文

件，以便更广泛地指导桥梁评估，取得良好的社会和经济效益。

4、

桥梁修复加固技术 依据评估结果，选择适当的技术方案对桥梁进

行修复加固并评定其效果。

5、

桥梁的养护维修方式 研究的目的是：如何将养护周期、维修水平、

养修成本控制等策略性问题与桥梁可靠性评估联系起来，从而使这一工作建立在坚实的理论基础上。

6、

桥梁信息管理系统 就是借助现代化手段，搜集、存储、分析并提

供桥梁管理所需的各种信息，从而提高管理水平。

第二节

高速重载运输对桥梁的要求

一、 高速旅客运输

高速线路上的桥梁应尽量采用刚劲的桥跨结构，保证结构有足够的刚度，严格限制结构的变形。

为防止车桥产生共振现象，高速线路上的桥梁宜设置刚性桥面而不采用明桥面，采用无缝线路而不采用普通线路。

高速铁路线上的桥梁通常采用一些特殊结构来有效传递纵向力。1、RS铁路传力杆；2、徐变连接器；3、纵向力连续器

时变系统；列车在桥上运行。与桥梁相互作用，形成车——桥系统的振动，这一系统的质量、刚度、阻尼及两者的相互作用都瞬息万变成为时变系统。

要保证桥梁具有足够的竖向刚度。当桥梁挠度较大时，造成桥上轨道不平顺，引起车辆较大的竖向振动和竖向振动惯性力，产生轮重减载率，易引起脱轨并增加桥梁结构次应力，影响桥上列车安全、平稳运行和司机、乘客的舒适感。

二、重载货物运输

机车牵引动力改变和货车轴重提高，需重新制定铁路桥梁活载标准。 参照新的活载标准，对既有线路上的那些承载能力不足的桥梁进行加固或改

建。

250KN 250KN 250KN 250KN

80KN/m 80KN/m

无限 0.8m 1.6m 1.6m 1.6m 0.8m 无限

UIC 活载标准

第二章 桥 梁 养 护 维 修

第一节 桥梁养护维修的基本要求

一、桥梁养护维修的目的：确保铁路运输安全，促进我国经济建设的发展。 二、 桥梁养护维修的任务：确立以“保证行车安全”为主要目标，遵循“设备质量保安全”的指导思想，做到每座桥梁“基础牢固，结构良好，状态均衡，行车平稳”。基本任务有两条，一是根据桥梁运营中的状态变化，合理投入人力、物力，适时进行维修养护，预防或延缓设备状态的劣化，经常保持状态均衡完好，以保证列车按规定的速度、安全不间断地运行。二是有计划地加固和改善桥梁状态，提高承载能力，满足建筑限界和孔径要求，增强抗洪、抗震能力，充分发挥使用效能。

三、 桥梁养护维修的原则：

1、全面贯彻《铁路主要技术政策》和《铁路工务主要技术装备政策》。 2、严格执行《铁路桥隧建筑物大修维修规则》规定的技术条件、技术标准、设备检查和管理制度等，遵循《铁路技术管理规程》和《铁路工务安全规则》等其它有关的规章、规范、标准的规定。

3、根据铁路运输需要和设备技术状态，按照“预防为主，预防与整治相结合”的原则进行。

4、特别注意行车和人身安全，正确处理施工与运输的关系，在保证安全和质量的前提下，尽量减少中断行车和限制行车速度时间。 5、依靠科技进步，全面实行现代化管理。

四、 桥梁养护维修的管理：

对管辖桥梁设备的管理和养护维修生产全过程的管理。

我国桥梁养护维修的技术业务领导是铁道部，在铁路局实行路局—分局—工务段和工务段—领工区—工区两个三级管理。按照“路局决策、分局组织、工务段执行”的三个管理职能，有机结合实施。 第二节 桥梁养护维修的基本方法

一、我国桥梁养护维修方式的沿革

养护维修方式曾经历三个阶段：事后修，一刀切，状态修。

不安全、不可靠 失 修 事后维修 达不到 桥隧养护维修工作目的 技1、经常保持设备状态均衡良好。 术2、保证列车按规定的速度安全平上 稳不间断地运行。 状 态经1、以最少的人力、物力、财力、获济 得最佳经济效益 上2、延长大维修周期和设备使用寿命 修了“T”的特点，即全系统、全效率、全员参加设备管理，其主要内容有：

1． 费

以设备一生为对象，以设备寿命周期最佳化为目的，把设备的技术、

管理和经济等方面的工作综合起来进行系统的研究。

达不到 不科学 不经济 提前修 简化修 一刀切 周期维修 养护维修方式改革模式

二、桥梁状态修的探索

状态修的理论：设备综合工程学和全员参加生产维修。

全员参加生产维修即Total Productive Maintenance（简称T.P.M）的理论强调

用

时间 规划 安装 早期 正常维修期 疲劳期 报废

设计 施工 维修

实用寿命期（运用检修过程）

设备寿命期“经济特性”曲线

2．

把维修的概念引伸到了设备的一生，运用系统、控制、信息、决策

及经营管理等现代化管理的理论和故障物理、监控诊断、计算机技术等现代化科学技术，进行设备可靠性和维修性研究。

3．

强调了维修方式的多样化。

故 障 率 %

时间 初发故障 偶发故障 劣化故障 （初始运用期） （正常运用期） （疲劳期）

设备运用期“故障特性”曲线 桥梁设备的故障特性和维修方式

故 障 特 性 举 例 维 修 方 式 加强监控 无发展 随 机 不可预测 钢梁裂纹、墩台基础冲空 提高可靠性，过 程 有规则 可以预测 桥枕失效 有发展 过 程 有规则 可以预测 定期维修，加强预防 桥面吊板，螺栓锈蚀，钢状态检测，适时进行修梁疲劳，涂装劣化 理，控制状态 对于有发展过程可以预测的故障，可以通过检测，按预知的状态进行修理，通常称为“状态修”。桥梁状态修就是运用了T.P.M的基本理论，探索以取得最

佳技术经济效益为宗旨的科学养桥方法。

三、桥梁养护维修的方式 1.

划分修程

根据设备状态变化规律和故障特性，把桥梁的整个运用检修过程划分为经常保养、综合维修和大修三个修程，实行“养修分开”的修理体制。

（二）制定标准

划分三个修程界限后，还应制订出相应的状态临界标准、作业质量标准和工作标准，使设备状态、作业质量、养修投入加以有效控制。

（三）确定周期

为使桥梁养护维修工作有效运作，必须合理确定“临界修”位置和间隔时间长短的选择，即要确定合理的周期。合理周期的确定，应以设备状态变化规律、设备安全可靠程度和总费用最节省为依据，一般取决于设备的变化速率和出现故障的平均间隔。

（四）建立体系 1、保养体系

找出不同部件的状态变化规律，对保养作业作出具体规定，对状态质量和作业质量实行全面控制。

2、维修体系

根据设备状态变化规律和整体功能要求，确定维修控制项目和控制条件，以改善设备状态，均衡质量、延长周期和设备使用寿命为目的，明确维修项目范围，建立工作标准和作业标准。

3、大修体系

按照设备整体功能和安全可靠度的需要，根据状态变化规律和故障特性，确定大修范围和控制条件，以提高质量，状态均衡为目的，确定大修工作的技术管理要求，建立作业标准和工作标准。 第三节 桥梁养护维修的基本内容

为确保铁路运输安全畅通，适应列车提速、重载运输需要，桥梁养护维修应重点做好设备检查、状态分析评估和预防整治病害等工作。

一、设备检查

检查是系统掌握设备状态的重要手段，为做好桥养护和大维修工作提供主要依据，并能及时发现和分析病害，据以采取有效防治措施，正确规定列车运行条件。主要检查项目可分为桥面、梁跨、支座、墩台和附属设施。

检查形式有经常检查、定期检查、特别检查和检定试验。 二、状态分析评估 1、状态劣化评定

铁道部制定了明桥面、钢梁、混凝土梁、钢梁涂装、支座、墩台及基础、桥渡水力和涵渠等《劣化评定标准》，将劣化程度分为AA（极严重）、A1（严重）、B（较重）、C（中等）、D（轻微）五个等级。

2．

病害诊断及剩余寿命评估

对桥梁在运用过程中，科学地诊断病害，有效地整治病害，在确保行车安全和适应运输发展的前提下，充分发挥桥梁功能的潜力，最大限度地延长桥梁的使用寿命，取得最佳技术经济效益具有十分重要意义。

3．

状态评估专家系统

随着计算机技术的普及应用，人们运用专家知识和模拟专家行为，进行计算机编程，解决较为复杂的疑难问题，即所谓的专家系统。

三、预防与病害整治

在做好设备检查和状态评估的基础上，应根据设备不同的劣化程度，有针对性地进行经常保养、综合维修和大修整治，有效地控制病害的发生或发展。

第三章 桥梁荷载试验和状态评估

第一节 桥梁荷载试验

一、概论

试验目的：了解桥梁结构或构件在试验荷载作用下的实际工作状态，评估结构的承载能力和运营条件，了解理论分析困难的结构部位处的受力状态，发现结构的隐患或缺陷，检查结构的设计和施工质量。

根据荷载试验的目的不同，桥梁荷载试验的分类有： 结构行为试验：证实弹性行为，试验荷载远低于设计荷载。 应力历程试验：确定应力谱分布，试验荷载为正常运营荷载。 诊断试验：诊断桥梁病害的原因。

验证试验：确定桥梁的容许荷载，试验荷载通常等于或稍高于设计荷载。 破坏试验：确定桥梁的实际承载能力，通常用于证实解析研究的结果。 根据荷载作用方式的不同有：静载试验和动载试验。 根据试验场地的不同有现场试验和试验室试验。

可考虑进行荷载试验的情况：拟投入运营的新桥，难以准确评估承载能力的桥梁，结构损伤或病害严重可能影响承载能力的桥梁，施工质量差可能存在隐患难以确定承载能力的桥梁，加固后的旧桥，科研需要。

二、常用的测试仪器和设备

按照不同的分类方法测试仪器有不同的类型。

按照仪器的基本原理分类有机测仪器、电测仪器、光学仪器、声学仪器。按照用途分类有测力计、应变计、倾角仪。按照仪器与结构的相对关系分有附着式、接触式、手持式、遥测式。按照测定的方法分有平衡式和不平衡式。按照获取结果的方式分有直读式和自记式。

仪器的技术指标：最小刻度、量程、灵敏度、准确度、绝对误差。 试验量测的参数：静载试验（测定荷载大小、结构变形、结构内力、截面应力和应变），动载试验（测动荷载的特性及结构的动力特性）。

表3-3-1 桥梁荷载试验常用测试仪器简表

试验类别 常用仪器名称 百分表、千分表 位移计、精密水准仪等 静载试验 电阻应变仪、手持式应变仪和杠杆式应变仪等 读书显微镜 测读裂缝宽度 用 途 量测结构的微小位移 量测结构位移、挠度 量测结构应变 测振仪 视具体仪器可量测振幅、加速度、动应变等 动载试验 动态电阻应变仪配以电阻应变量测动应变、动位移、振幅、速度、式传感器 光线示波器、磁带记录仪 加速度等 动态测量中的记录仪器，配合动态应变仪等使用

三、桥梁结构试验 （一）一般程序

试验方案：试验方案设计就是对试验的全过程作出全面规划和安排。主要内容包括：试验的目的和任务；荷载设计（大小、类型、加载位置和方式、运行速度）；观测设计（观测项目、测点布置）；量测方法；仪器仪表（类型、安放位置、操作规则）；工作进度及试验期间的安全措施等。

试验过程：分成准备、试验和试验结果的整理分析三个阶段。 （二）静载试验

1、试验项目：考虑结构的整体变形和某些结构的局部变形。 2、加载

加载设备选择和加载程序的确定

加载设备有重物加载、液压加载、车辆荷载加载

加载程序是对加载各因素的详细控制，如加载速度、间歇时间、荷载分级、加卸载次数等。一般性原则有①、加卸载应分级递加或递减，每级取试验荷载的20%左右，以控制加载速度；②、每级荷载间应有足够的间隙时间，让结构变形有时间得以表现，一般钢梁的间隙时间不少于10分钟，其它结构不少于30分钟；③、满载和零载作用下的持续时间需更长一些，钢桥30分钟，混凝土桥15小时左右；④、正式加载前，一般需对结构进行预载，以使结构进入正常工作状态，也便于发现和处理测试设备和人员组织方面的问题。

3、控制截面：取一两个主要内力控制截面。

4、测点布置：需满足分析和推算结构工作状况的基本要求。在纵向与所选控制截面相对应，横向根据受力分析的需要布点。原则有：在满足需要的前提下，

测点宜少不宜多；测点应有代表性，以便于分析和计算；便于读数和现场管理；应布置一定数量的效核性测点，以防仪器故障并可验证观测结果。

5、试验数据的整理分析

主要内容有：确定结构的实际整体变形，推算控制截面内力，评价混凝土梁裂缝发展情况等。分析以实测数据为依据，以材料力学和结构力学的有关理论和计算公式为基础。

6、桥梁工作状态判别

①结构效验系数η，试验的实测值与相应的理论计算值之比。 ηη

应力

=结构实测应力/结构理论应力 =实测跨中挠度/理论跨中挠度

挠度

η是评判桥梁承载能力和工作状态的一个重要指标。 η＜1说明设计偏于安全，结构有一定的安全储备。 η＜1太多，说明设计过于安全而不经济。 η＝1说明设计与实际情况相符。 η＞1说明结构设计强度不足而不安全。 ②实测值与参考限值的比较

参考限值是根据计算理论，综合多年运营经验和实测资料提出的，具有一定的指导意义，但不能作为评定结构状态的唯一根据。

③实际安全系数：对破坏试验，实际的破坏荷载与试验荷载的比值。 7、试验报告：在全部试验资料整理分析以后，提出试验报告。内容包括：试验桥梁的概况；试验的目的、任务和要求；试验的项目、测试方法、仪器配备、测点布置、加载情况等；试验过程说明；测试精度和误差分析；试验成果及技术结论；其它有关图文资料。

（三）、动载试验

是解决工程振动问题的必要手段。

动载试验的特殊性：引起桥梁振动的振源和结构的动力响应均随时间而不断变化，而结构的动力响应与结构本身的动力特性有密切关系。因此要测定动荷载的动力特性（数值、方向、频率、作用规律），结构本身的动力特性（自振频率、阻尼特性、固有振型）和结构在动荷载作用下的强迫振动响应（振幅、动应变、

动位移）。

1、

激振方法和试验荷载

（1）激振方法有自振法、共振法、脉动法。

自振法是使桥梁产生有阻尼的自由衰减振动，记录到的振动图形就是结构的衰减振动曲线；

共振法是利用专门的激振器对结构施加激振力并使其产生强迫振动； 脉动法是利用外界各种因素所引起的微小且不规则的振动来确定结构的动力特性的方法。

（2）试验荷载：运行列车、专用试验列车、激振器、冲击荷重。 2、结构动力特性和响应

结构动力特性包括固有频率、阻尼特性和振型，只与结构本身的固有特性（组成形式、刚度、质量分布、材料特性）有关。结构动力响应指动载下的结构振幅、频率、应力应变、速度和加速度、冲击系数等。

冲击系数（1+μ）是反映结构整体动力响应的重要参数。是动载作用下的结构或构件的最大变形与同样荷重的静载产生的最大变形之比。

第二节 桥梁承载能力评估（检定）

一、概述

桥梁在运营若干年之后，需进行一次全面检修，检修内容是：核对检查结构各部分的尺寸、整修受损伤或有缺陷的结构部件，按实际运营荷载和桥梁招考评估承载能力。桥梁承载能力评估工作涉及结构安全问题，是桥梁检定的主要内容。

二、桥梁评估的基本特征 （一）评估的涵义

评估就是利用特定信息分析既有桥梁的可靠性并作出工程决策的过程。 （二）

评估的内容

按照极限状态的观点，桥梁结构的可靠性包括安全性、适用性、耐久性。安全性指对结构的破坏极限状态的评估，即承载能力评估或强度评估，目的是弄清楚结构的实际安全储备，以避免桥梁在日常使用中发展灾难性后果。适用性评估

指对结构的运营极限状态的评估，为结构能否正常使用提供依据，它与构件在日常荷载作用下的变形、裂缝、振动等有关，对确定结构工作条件和指导日常养护维修十分重要。耐久性评估主要指对材料强度和结构损伤的评估，其结果为安全性、适用性评估提供主要信息，它侧重于结构损伤及其成因、损伤随时间变化的关系、以及这些损伤岁材料物理特性的影响，结果有助于预测结构使用寿命。

（三）

评估的理由

有两类：一类是对有不同损伤程度或老化的桥梁，另一类为适应运输发展需提高承载和通行能力的桥梁。

1、 2、 3、 4、 5、 6、 （四）

发现设计或施工遗留下来的缺陷。 观察到较为严重的损伤。 遭受事故。

改变用途或使用目的。 改变可靠性准则。 改变业主。 评估过程

大致可分为信息收集、分析评价和决策三部分。 设计施工文件 检测 和其它信息 信 息

评估：承载能力 收集更多信息

运营状态 选择更先进方法

耐久性能

是 需更多信息或

更先进的分析方法

否

决策：正常使用

限制使用

修理加固 替 换 基本评估过程 （五）评估与管理

常规养护

诊断与监控 桥梁管理 评 估 决策实施 桥梁评估与管理

三、桥梁调查与现状检查

对桥梁各部分的技术状态进行详细的调查研究是做好承载能力评估工作的前提。调查与检查的主要内容包括：资料搜集、现状检查、材质和地基的检验等。

（一）资料搜集应了解掌握的内容 桥梁的概况与历史、桥梁的技术资料 （二）检定工作的重点现状检查： 1、 2、 3、 4、 5、

钢结构主要检查 圬工结构主要检查 支座检查 墩台检查 孔径检查

（三）材质和地基的检验：

材质了解品种、标号，地基可采用挖验、钻探、触探等方法。 四、桥梁评估的方法

（一）基于外观调查的方法： 1、

评分系统：核心部分是对结构损伤及其程度进行分类，并根据广泛

调查的结果预先制订评分标准，应用时由有经验的工程师对既有桥梁进行检查评分，并依此对桥梁质量、损伤程度进行评价。

2、

经验系数法：依据广泛的调查研究，确定若干个系数及其取值范围，

对桥梁承载能力进行评估的方法。

（二）基于设计规范的方法：

评估时的荷载和抗力的不定性比设计时小，评估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结构分析方法的选择作进一步研究。

（三）基于荷载试验的方法 其内容见本章第一节 （四）基于专家经验的方法：

专家意见调查是指直接收集、分析、归纳专家意见，对某一事件的可能结果作出评估的方法

选择专家

情况介绍与讨论

问 答 综合分析

需 重 复？ 是

否 最后文件 专家意见调查的基本流程

（五）基于可靠性理论的方法：

五、桥梁评估规范简介 （一）我国铁路桥梁检定规范

1978年颁布的铁路桥梁检定规范规定：对广泛使用的铁路简支梁桥结构，其承载能力等级按载重能力分级评定，机车车辆则按桥梁上通过的运行活载进行分级评定。

检定承载系数K：结构能承受活载与标准活载之比。 当K≥1时表明结构的承载能力满足标准活载的要求

K＜1时要求评定运行活载等级，要求运行活载等级系数K0≤K。K0为运行活载的换算均布活载乘以运行活载的冲击系数与标准活载的换算均布活载乘以标准活载的冲击系数之比。

俄罗斯铁路桥梁检定规范简介

信息反馈 美国的《既有桥梁承载能力评估规范》简况

第三节 钢梁疲劳与剩余寿命评估

一、疲劳问题的概说

疲劳是重复应力引起的裂纹起始和裂纹缓慢扩展而产生的结构部件的损伤。 材料的疲劳断裂过程一般经过裂纹的萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。决定疲劳开裂的主要内因是材性和缺口引起的应力集中；外因主要是重复加载的情况、次数和环境的影响。

疲劳问题的特点：疲劳至少涉及到三个参数（最大应力、最小应力和致伤的循环次数）；疲劳荷载是结构设计寿命期内实际承受的荷载的总和；用于疲劳评定的应力应是被评定细节的公称应力范围；验算截面应为所有潜在裂源点所在之处；疲劳设计方法有容许应力法、疲劳裂纹发生寿命为设计寿命的疲劳寿命设计法、考虑疲劳裂纹扩展寿命为设计寿命的疲劳寿命设计法、极限状态设计法。

二、疲劳试验的成果 （四）

关于fmax—N关系

疲劳的主要应力特征是每一加载循环中的名义应力的最大值（fmax）和最小值（fmin）。

取应力比 ρ= fmin / fmax

平均应力fM=( fmax + fmin)/2=(1+ρ) fmax/2 应力振幅fA=( fmax — fmin)/2=(1-ρ) fmax/2 应力范围fR=fmax — fmin=(1-ρ) fmax

双对数坐标纸上fmax与N成一条斜直线关系。

logfmax

logN

双对数坐标纸上的fmax—N关系

（二）关于fmax—ρ关系

ρ为不同值时fmax与N在双对数坐标纸上所成斜直线位置发生变化。

Fmax O fmin

fmax-fmin关系图(googman图)

（五）

从焊接梁疲劳试验所取得的一些新成果

1、在常幅疲劳试验中，对疲劳开裂起决定性影响的应力特征不ρ、max 和fmin，而是应力范围fR。

（六） （七）

可从试件大小和残余拉应力解释上述现象。

观测裂缝扩展情况看，从开始有裂缝发展到将板厚裂通的寿命很长。

（八）

有些裂纹是从焊缝表面缺陷处开始，有些是从内部缺陷开始。

五、 疲劳验算的几种方法

疲劳设计或评估所需使用的荷载不应是一个荷载最大值，而是一个活载频值谱，即桥梁在其规定的寿命期间内，可能遇到的大小不同的各种活载及其次数。

（一）铁路桥梁的活载频值谱和应力频值谱

（二）损伤度法 （九）

三、钢桥的疲劳裂纹分类

钢桥的疲劳裂纹分类可分为两类：一是主要构件连接部位在主应力循环作用下引起的疲劳裂纹，另一是结构部件某些小间隙处因受外荷载或振动引起面外变形而导致的裂纹。

四、对钢桥剩余寿命评估的研究

将疲劳荷载效应和疲劳剩余寿命联系在一起考虑而不必象考虑强度问题那

应力范围限值法。

样为疲劳荷载规定限值。

五、运营钢桥剩余寿命评估的实例

第四节 既有混凝土桥梁的耐久性

耐久性是指建筑物整体或局部质量随时间的推移而下降、老化的耐性。

一、病害分析

混凝土裂缝的类型：构造不当造成的混凝土裂缝、干缩引起的裂缝、由于碱骨料反应（AAR）引起的裂缝、外界温度变化引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝、荷载作用引起的裂缝、基础不均匀沉陷引起的裂缝。

混凝土的腐蚀：分气相腐蚀和液相腐蚀。气相腐蚀指空气中的酸性气体与混凝土的作用。液相腐蚀指混凝土中的水泥化合物在水中的可容性，使混凝土结构流浆。

钢筋的锈蚀：混凝土中钢筋的腐蚀一般为电化学腐蚀。有两种情况，即“先锈后裂”和“先裂后锈”。

荷载的累积损伤

二、既有混凝土梁的碳化

碳化是指混凝土碱性下降，钢筋表面的钝化膜由于失去保护而发生破坏，钢筋就会发生的锈蚀。影响混凝土碳化深度的因素主要有：结构的材料、施工工艺、所处环境条件等。

三、混凝土中钢筋的锈蚀

有两种：混凝土保护层的完全碳化和氯离子的侵蚀。 四、既有混凝土桥梁结构因钢筋锈蚀对承载力的影响

第四章 桥 梁 加 固

第一节 概 述

一、 加固程序

可靠性评估是桥梁加固的理论基础。

在比选技术可行性和经济效益的基础上确定加固方法，且加固方案应不影响或少影响行车，技术可靠，施工简便，经济合理。

可靠性评估 加固方案论证和选择 方案设计 施工组织设计 施 工 加固效果评价和验收 桥梁加固的一般程序

二、 加固原则 1、总体效益原则

2、荷载和材料强度取值原则： 3、结构内力计算原则 4、结构验算原则

5、技术经济效益最佳化原则 第二节 桥梁加固技术

一、增大截面技术 （一） 1．增大截面

主要是对主梁梁肋下翼缘的加宽和加高。

原结构应能够承受原有恒载以及因加固而新增的恒载，而活载由新的组合截面承受

2．

增加主钢筋

钢筋混凝土梁桥

一般在桥下净空受到限制时采用。在新增钢筋受力之前，恒载已在原主筋中产生了一定的应力，因此，新增钢筋相对于原主筋存在着应力滞后现象，使新

增钢筋的屈服迟于原主筋。

（一）

钢梁桥

增大截面技术加固杆件及其连接的特点：一般采用高强度螺栓连接方式，不采用焊接方式加固杆件，杆件的加固方案应尽量减少对行车的干扰。

1．钢桁梁主桁杆件：补强个别杆件的截面积及其连接。加固设计时，应尽量不要在杆件截面及其连接中形成附加的偏心并使原铆钉或螺栓的拆卸数量达到最小。由于卸载装置较为复杂，主桁杆件加固一般在不卸载的情况下进行。

2．桥面系：采用水平盖板加固。以尽量不影响行车为宜。 三、 改善结构体系技术

当主梁结构基本完好，但承载力不能满足要求或需要提高活载等级时，可采用增设辅助杆件以改善结构静力体系的技术。

（一）

钢实腹板梁

采用水平盖板加固主梁翼缘或增设加劲杆改变结构的静力体系。 优点：可在不中断列车运行的条件下施工。 用加劲杆加固钢实腹板梁示意

（二）

钢桁梁

采用改变结构受力体系的加固方式加固。如安装加劲杆、第三弦、简支桁梁连接成连续桁梁或增设桥墩。

（三）

钢筋混凝土梁

从构造方面及尽量减少干扰行车方面考虑，宜采用预应力拉杆的形式。拉杆由高强度钢筋、缆索、钢丝束、钢绞线等制成。

四、 外加预应力技术

通常外加预应力技术是与改变结构体系技术结合起来使用的。 （一）

钢筋混凝土梁

1、预应力钢筋加固

2、预应力钢丝束加固 （二）

钢桁梁

钢桁梁采用外加预应力技术加固十分有效。它既能充分利用材料的强度性能，又能以较简单的方式调整杆件的内力，且加固工作对列车运行不产生影响或影响较少。

第三节 桥梁墩台和基础的加固

五、 墩台和基础的常见病害

圬工墩台主要病害形式是出现水平、竖向或网状裂缝，其它的有混凝土表面剥落、空洞、钢筋外露、锈蚀等。

基础病害有：基础不均匀沉降、基础滑移和倾斜、基础开裂、浅基础等。 六、 墩台和基础的加固

墩台加固方式有：用钢筋混凝土套箍或护套加固墩台身；用支撑过梁、增建挡土墙或更换台后填土等方法处理墩台滑移。

基础加固方法有：扩大基础法；补桩加固法；人工地基加固法。 第四节 拱桥加固

拱桥加固方法有：对拱圈卸载加固（需封锁线路，施工时间长），对拱圈补强加固。

第五节 列车快速区段桥梁加固

一、钢梁桥加固

必须采取措施加强梁的横向刚度。 二、混凝土梁桥加固 必须加强横向联系。

三、其他必须解决和重视的问题

1、钢梁桥明桥面钢轨与桥枕间用钩头道钉联结的线路，必须更换为K型分开式扣件并将桥上轨缝焊接或冻结。

2、钢梁桥明桥面护木与钢梁间一般采用钩螺栓联结，列车提速后由于钢梁

振幅和振动频率增加，导致钩螺栓松弛加快，可能影响桥面的整体性能，需研究改进其联结方式。

3、设置板式橡胶支座的桥梁，列车通过时将产生较大横向位移，必须增设有效的限位装置，以限制横向位移，确保行车安全。

4、桥台与路基间以及混凝土梁和钢梁的端横梁之间，刚度差异较大，影响列车通过时的平稳性，必须采取妥善措施处理，使其刚度趋于一致。

5、列车提速后，将对桥梁产生较大的动力作用，使病害桥墩和基础状态进一步恶化，影响行车安全。

第六节 桥梁加固的技术经济效益分析

结构改善系数G：与加固前相比，加固后的桥梁承载能力提高的百分率。 G=100%（Q2—Q1）/Q1 Q1加固前结构的承载能力。 Q2加固后结构的承载能力。

成本效益系数F：指加固工程单位成本所得的“结构改善系数”。 F=G/L

L：桥梁每沿米结构所需的加固费用。

影响系数F的因素：桥梁类型、跨经大小、结构损伤程度、干扰行车带来的损失等。

第五章 桥 梁 防 灾

第一节 桥梁防洪与防护

一、

桥梁抗洪能力

桥梁抗洪能力指桥梁孔径在净高、桥长和基础埋深三方面共同提供的过洪能力。可分解为两层意思：一是将洪水通过时桥孔的高、长两个方面提供的能力，称为过洪能力；一是在桥下河床断面一定过水深度条件下桥基埋深能够抵抗洪水的能力，称为抗洪能力。

洪水频率：铁路桥涵洪水频率。

桥涵洪水频率标准

铁路等级 桥梁 Ⅰ、Ⅱ Ⅲ 1/100 1/50 涵洞 1/50 1/50 特大桥(大桥)属于技术复杂，修复困难或重要者 1/300 1/100 设计洪水频率 检算洪水频率 国家防洪标准

国家标准轨距铁路各类建筑物、构筑物的等级和防洪标准

防洪标准[重现期（年）] 等重要程度 级 运输能力104t/年 路基 骨干铁路和 Ⅰ 准高速铁路 Ⅱ 和联络铁路 Ⅲ 二、

桥梁防洪对策

地区（包括地方）铁路 次要骨干铁路1500-750 100 50 100 300 ≥1500 100 50 100 300 设 计 涵洞 桥梁 校 核 技术复杂、修复困难或重要的大桥和特大桥 ≤750 50 50 50 100 铁路水害：受到自然或人文因素的影响，其中水作为一个自然营力在其循环过程中，使铁路运输设备造成迅速劣化直至完全毁坏，部分或完全丧失强度与稳定，影响甚至中断行车造成经济和生命损失的事实。

防洪对策：

1、认真实施《国家防汛条例》和《汛期安全行车措施》，强化“全员防洪”意识，加快“科学防洪”步伐。

2、加强对跨越江河水库桥梁的水文观测，掌握水位变化，观测洪水通过时的流速、流向等。

3、进行水文调查，正确推算洪水流量。

4、对墩台基础类型或埋深不明的桥梁应加以查明，对浅基墩台应加紧进行防护加固，提高抗洪能力。

5、加强与地方水利部门的联系，减少水害隐患。 第二节 桥梁抗震与设防

一、地震震级与烈度

震源：地壳内部发生地震的地方。 震中：震源垂直投影至地表的地方。 震源深度：震源至震中的垂直距离。

烈度：表示某现场振动的大小，一般它随离开震中的距离的增大而减小。 震级：是某次地震的固有值。

震级与震中烈度的对应关系

震 级 震中烈度

三、 桥梁震害

地震对桥梁的危害与结构形式、体系布置以及抗震构造等有着很大关系，且桥梁震害在很大程度上还取决于桥址的地基条件。主要有桥台震害、桥墩震害和支座的震害以及严重的落梁事故等。

三、桥梁抗震设防标准 可分为三级。

１、Ⅰ、Ⅱ级铁路干线上的桥梁 ２、Ⅲ级铁路和Ⅰ级工业企业铁路 ３、Ⅱ、Ⅲ工业企业铁路 四、

桥梁抗震措施 2 1～2 3 3 4 4～5 5 6～7 6 7～8 7 9～10 8 11 8以上 12 重点考虑：桥渡位置、墩台基础位置、施工减少接缝、桥孔等跨布置、加强梁部结构与墩台的连接等。

第六章 桥梁损伤评估及对策专家系统

第一节 专家系统及其在桥梁工程中的应用

一、

专家系统的产生、发展和特点

专家系统指在有限的学科领域内，能够运用专家知识和模拟专家行为，完成比较复杂工作的计算机程序。就其本质而言具有四个特点：启发性、推理机、灵活性、透明性。

启发性：专家系统的关键在于知识的获取、表达和运用，它的范畴属于“基于知识系统”，且这些知识以领域专家独有的经验性或技巧性知识为主体。

推理机：专家系统必须实现特殊机制以模拟人类专家的推理过程，其中的本质特征是符号推理，通常需要运用人工智能语言或专家系统建造工具来实现。

灵活性：专家系统中大量的知识集合通常与推理机分离，使专家系统具有充分的灵活性，而知识集合就是知识库。

透明性：专家系统能够清楚地分析利用知识的推理过程，并且可以实现向用户解释这一推理过程。

二、

专家系统在桥梁工程中的应用

日本京都大学和大阪大学开发的“钢筋混凝土桥梁损伤评估专家系统”，该系统研究结构损伤模式、损伤扩展模式和损伤原因，并且可以预测桥梁结构的耐久性指标。

美国West Virginia大学研制的“桥梁更新专家系统”，该系统可以协助桥梁工程师确定低标准桥梁的性能，并且决定桥梁是否需要被更新。

美国MIT研制的“混凝土桥面检查专家系统”，该系统利用有关桥面的损伤、桥梁设计、施工和养护、桥面板条件的探测响应以及探测信号分析等方面的专家知识，综合分析和解释有关桥面的损伤情况并作出相应的结论。

第二节 桥梁损伤评估专家系统的评估方法

一、几种常用的损伤评估方法

就用于桥梁损伤状态评估的计算机系统开发来说主要有两个方面的内容：一是计算机技术（尤其是计算机软件编程）的研究应用，另一是桥梁损伤评估方法的研究应用。

二、损伤项目和损伤表现的确定

影响桥梁功能的一类因素称为桥梁损伤项目，而一类损伤项目包括影响程度不同的若干种具体损伤情况，对桥梁功能的影响程度不同。损伤项目和损伤表现的划分原则有两条。一是计算损伤表现对应的局部损伤度和总体损伤度，在满足具有足够的精确程度的前提下，尽量减少损伤项目和损伤表现的种类；其次是结合专家系统开发中有关损伤知识表达与推理的需要，使每一项损伤项目中所有损伤表现所对应的局部损伤度呈现接近线性增加的规律，以便专家系统软件的实现。

三、局部损伤度

在某一类型的损伤项目中，不同的损伤表现对整座桥梁使用性能和耐久性影响的严重程度不同，而衡量这一程度的指标就称为局部损伤度LD(X)，取数值范围为0.00~5.0，其数值与实际意义只是从定性上加以理解，在实际问题中，它均有特定的含义。

LD(X)=0.0—损伤表现X对桥梁性能无任何影响；

LD(X)=0.2—损伤表现X对桥梁耐久性能有轻微影响，或对使用功能有极轻微影响；

LD(X)= 0.6—损伤表现X对桥梁耐久性能有中等影响，或对使用功能有轻微影响；

LD(X)= 1.0—损伤表现X对桥梁耐久性能有严重影响，或对使用功能有中等影响；

LD(X)= 2.0—损伤表现X对桥梁耐久性能有极严重影响，或对使用功能有严重影响；

LD(X)=3.0—损伤表现X对桥梁使用功能有极严重影响。 三、

总体损伤度

考虑长度和宽度影响后的所有局部损伤度累加之和称为该座桥梁的总体损伤度GD。

GD=A·B·∑LD(X) A=桥梁长度系数，A=1/L

B=桥梁线路种类系数，单线B=1.0，双线B=0.6~0.8。 L=桥梁长度，单位为m。 四、

损伤等级评估

同时考虑桥梁最大局部损伤度LDM和总体损伤度GD两个指标的综合评估方法，把桥梁损伤分为“破坏性损伤”、“严重损伤”、“一般损伤”、“轻微损伤”、“无损伤”五个等级。

GD＜0.1，且LDM＜0.1——无损伤； GD＜0.2，且LDM＜0.3——轻微损伤； GD＜0.5，且LDM＜1.0——一般损伤； GD＜1.0，且LDM＜5.0——严重损伤； GD≥1.0，或LDM≥5.0——破坏性损伤。

第三节 桥梁损伤评估及对策专家系统

一、引言

计算机应用于铁路桥梁的运营管理主要有两项具体的工作：建立桥梁数据库与数据库管理系统，建立桥梁损伤评估及对策专家系统。

三、系统的目的与总体设计

系统的目的是面向铁路桥梁的养护单位或养护人员，针对铁路桥梁中常见的损伤表现提供确定损伤等级和损伤处治方法的辅助性决策。系统设计成四个功能模块：基本控制模块、损伤调查表生成模块、损伤等级评估及对策模块、系统知识查询模块。

基本控制模块——提供模块运行选择菜单以调用和控制其它三个模块的运行。

损伤调查表生成模块——生成（打印）《桥梁损伤项目调查表》。

损伤等级评估及对策模块——利用移动式输入界面提供桥梁具体损伤表现的输入界面，运用系统推理机进行推理，确定桥梁损伤等级和确定损伤对策。该模块采用输入、推理和解释同步进行的方式进行人机交互，并通过系统解释窗口

给出推理的全部解释。

系统知识查询模块——提供对系统中所有目标级知识的查询或解释界面。 损伤调查表 生成模块 基本控制模块 损伤等级评估 及对策模块 系统知识 查询模块 系统各个模块及其关系示意图

四、知识的表达

将桥梁损伤评估和对策的知识分成目标级知识和元级知识，所有目标级知识用产生式规则的形式表达，元级知识用过程式方法表达。

五、不确定性的表示和推理

桥梁损伤评估和对策专家系统可应用“符合度”、“可靠度”、“可信度”三种不确定性指标衡量与处理各种不确性因素。

五、桥梁损伤评估及对策专家系统的开发应用