市政桥梁工程结构安全性评估与加固措施

引言

市政桥梁是城市交通网络中最核心的构成部分，市政桥梁结构健康与否直接影响到城市运行效率和公共安全。近年来桥梁老化，荷载突增和环境侵蚀相互交织和叠加，造成结构病害频繁发生和服役风险增大，迫切需要科学系统评估和加固机制来应对。在此基础上，以结构安全性评估和加固技术路径为主线，构建了评估模型并提出了分项加固的策略，试图为市政桥梁工程的建设提供实用性的技术支撑。

1. 市政桥梁工程结构概述

市政桥梁是城市道路系统中的重点枢纽，结构体系种类繁多，承载要求也比较复杂，一般有简支梁桥，连续梁桥和斜拉桥几种。随着城市交通密度的增加和车流荷载等级的提高，市政桥梁结构所面临的服役环境和使用强度愈加苛刻，桥梁构件在长时间高应力作用下加速疲劳损伤和材料劣化的进程。另外，由于前期设计规范较低，施工技术的限制和后期养护不到位，一些桥梁已经存在功能退化和性能衰减。为了确保桥梁全寿命周期结构安全和运营效率，迫切需要从结构构造，受力体系和材料耐久性三个维度对其安全性进行系统评估和精准加固，由“被动修复”走向“主动管理”。

2. 市政桥梁工程结构安全性评估

2.1 基于荷载实况的结构响应量化分析

桥梁结构实际运行时受到的载荷常常是设计阶段理论上的假设，特别是当交通流量不断增长和超限车辆经常行驶时，它的受力状态和响应特征需要借助实况荷载监测手段进行量化分析。这种评估方法一般都会布设应变计，位移计和加速度计这些高精度传感器来收集桥梁不同运行状态下静动力响应资料，同时配合交通监控系统所记录到的轴荷进行分析、车型分布和行车间距信息构建了实测工况和结构力学模型之间动态映射关系。典型的分析指标有主梁跨中挠度，墩台相对位移和支座剪切反力，将其与设计标准进行比较，可以判断该结构进入异常响应范围，从而为下文的劣化分析和寿命预测奠定了数据基础。

2.2 结合损伤探测的构件劣化程度评估

构件劣化评估主要关注桥梁关键结构部位病害类型及演化程度的确定，在桥梁安全性评估中处于中心地位。利用无损检测技术（NDT）能够有效地识别内部缺陷和表面损伤，目前常用的检测方法包括冲击回波、雷达扫描、红外热成像和超声波检测等。其中，混凝土碳化深度（一般以 mm 计）、钢筋锈蚀率（电位测试的结果显示，超过 15% 的情况可以作为重度腐蚀的预警信号）以及裂缝宽度（超过 0.3mm 为劣化阈值）是常用评估参数。结合实地考察的数据和现有的结构资料，我们可以采用构件性能退化模型，例如纤维模型（Fiber Model），来估算梁体的抗弯刚度下降的比率，或者根据损伤因子 D, 采用残余承载能力比值评估法来判断构件是需要维修、加固还是替换。

2.3 融合结构健康监测的寿命预测机制

在长时间的使用环境中，市政桥梁的剩余使用寿命已经变成了评估其安全性的核心标准，而依赖结构健康监测系统（SHMS）来预测其使用寿命已逐渐成为主导方向。SHMS 系统集载荷识别模块，结构响应感知模块和数据处理分析平台于一体，可持续获得桥梁应力应变，振动频率等信息、温度湿度及其他时变数据构成高频率多源异构监测数据库。根据这批数据，我们可以选择使用基于贝叶斯更新的疲劳寿命模型或是基于统计损伤累积理论（ Miner 法）来预估结构的剩余使用寿命。以某桥梁的典型疲劳控制截面监测为例，其日均应变循环超出了15000 次，而其初始的残余使用寿命被评定为18 年；根据数据的动态调整，如果在接下来的 3 年内荷载频率减少 10% ，那么使用寿命有可能延长到 21 年。该类机制能够实现结构性能前瞻性预警和养护资源精准配置，为桥梁精细化管理提供了核心支持手段。

3. 市政桥梁工程结构加固措施

3.1 强化受力构件体系的材料协同增容改造

根据结构响应分析发现主梁挠度超限和应力水平逼近设计容限的特点，提出了结构加固以材料增容来提高主构件承载能力和抗剪刚度为主要目的。目前，常用的加固材料有粘贴型碳纤维布（CFRP）、外部钢板、高性能灌浆料等，这些材料具有轻质、高强度、施工周期短等优点。在某个连续梁桥的加固项目中，我们使用了“碳纤维布加 U 型箍加喷射聚合物砂浆”的三种组合方式来对桥梁的腹板和底板进行强化，在 CFRP 布的铺设过程中，厚度达到了 1.2mm. 这增加了大约 25% 的正截面抗弯承载能力。实际测量结果显示，挠度下降了 18% ，而残留裂缝的宽度则被限制在 0.2mm 之内。施工期采用高压注浆闭合微裂缝，形成协同受力界面显著增强了构件的耐疲劳性。同时通过对加固前和加固后有限元模型的校验，保证了桥梁在材料增容作用下的整体刚度和变形协调性。

3.2 优化结构连接节点的抗疲劳延寿设计

节点疲劳裂纹扩展对结构失效具有重要的潜在影响，特别是反复荷载作用频繁的跨墩连接，梁与墩的过渡位置等结构薄弱区域。综合前面构件劣化的评价结果来看，常见的问题有节点焊缝微裂，螺栓松动和锚具松动，对于它们的加固要着眼于连接的可靠性和延寿性能的提高。目前的主流作法是通过钢套筒灌浆连接，柔性节点优化改造及高强螺栓增配等工艺进行协同治理。在对某一框架式小跨径桥梁进行加固的过程中，设计团队选用了“U 型封闭钢套加高性能自密实灌浆料等”的工艺方法，以增强柱梁连接部位的包覆性能，当灌浆层的厚度被控制在 20-30mm 的区间时，节点的屈服荷载增加了 23% ，而疲劳寿命则增长到了原始值的 1.7 倍。在工艺上采用三维激光扫描技术对节点构造误差进行标定，同时引入扭矩均衡张拉工艺以促进螺栓受力的均匀性和疲劳裂纹的萌生得到有效的抑制。

3.3 重构桥面系统的功能与耐久一体化改造

桥面系统是汽车发挥作用的第一承载平台，桥面系统耐久性能和功能完整性对结构服役安全有着直接的影响。结合寿命预测机制的评价，很多桥梁服役中期就已经存在桥面铺装层脱开，伸缩缝破裂和泄水系统淤积的现象，从而造成雨水入侵破坏下部结构和诱导钢筋腐蚀及混凝土碳化的连锁效应。因此桥面系统加固不应仅限于表层修复，应建立“功能加耐久”共同增强的一体化重建方案。在某个旧城区的双向三车道桥梁改建项目中，实施了“高性能混凝土的整体铺装加三元乙丙橡胶伸缩缝的替换加中空泄水管系统的改进”的综合方案，该方案的铺装厚度为 60mm ，当添加了 10% 的硅灰和 5% 的钢纤维后，材料的抗折强度达到了 8.4MPa 并且抗冻融循环的次数也超过了 300 次；同步布置三段式伸缩缝装置消除了热胀冷缩引起裂缝累积效应。另外，利用嵌入式感应线圈和无线数据采集器实现了桥面温湿监测联动运维平台，对后期养护工作提供信息支持。

结束语

市政桥梁结构安全性管理需要在科学评估的前提下，在精准加固的基础上。采用荷载响应分析，构件劣化探测和寿命预测联合评估机制可以有效地辨识结构风险状态并引导加固设计走向；但由受力构件增容，节点延寿至桥面系统再造等综合整治措施可全面提高结构的整体性能和服役年限。今后要加强数据驱动和智能化监测的整合，对市政桥梁全寿命管理提出更具有前瞻性的解决思路。

参考文献：

[1] 冯浩宇 . 道路桥梁工程材料质量检测要点 [J]. 汽车周刊 ,2024,(06):258-260.

[2] 何少伟 , 杨静 , 崔祎 . 桥梁工程安全风险及管理对策分析 [J]. 工程与建设 ,2023,37(04):1339-1341.

[3] 刘永健 , 张国靖 , 周绪红 . 桥梁结构安全系数取值问题讨论 [J]. 中国公路学报 ,2022,35(11):116-132.