橋梁可靠性評估綜述

漆景星,侯艷紅

(長安大學(xué)工程設(shè)計研究院公路院,西安 710064)

0 引 言

隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展,在加快公路橋梁建設(shè)的同時如何保證在役橋梁營運(yùn)的安全可靠性,如何對其可靠性進(jìn)行評估已成為全世界普遍關(guān)注的問題。

近些年來,我國的公路交通量急速增長,大型重載的運(yùn)輸工具越來越多,尤其是大型水電站、礦山建設(shè)中,大噸位車輛的通行,往往會產(chǎn)生超載,超限等運(yùn)輸問題;另一方面,原有的一些舊橋由于年代久遠(yuǎn),原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、到如今老化、破損等問題都對橋梁產(chǎn)生了影響和破壞。

因此,如何評價在役橋梁的承載能力和安全度,如何正確地評估結(jié)構(gòu)物的損傷程度,從而為橋梁養(yǎng)護(hù)部門制定加固維修方案提供合理的理論依據(jù),已經(jīng)引起全世界的關(guān)注[1]。

1 橋梁可靠性評估方法綜述

與設(shè)計相比,橋梁可靠性評估要復(fù)雜得多。一般而言,評估是一個考慮結(jié)構(gòu)損傷和運(yùn)營狀態(tài),并以整個結(jié)構(gòu)體系 (上部、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)工程)為對象,對橋梁的可靠性 (安全性、適用性、耐久性)進(jìn)行分析評估并作出決策 (如正常使用、限制試用、修理加固、替換更新等)的過程。目前存在多種可靠性評估的理論及方法,根據(jù)各方法的特征,大致可分為基于外觀調(diào)查的方法、基于設(shè)計規(guī)范的方法、荷載試驗法、基于專家經(jīng)驗的方法和基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的方法。各方法之間存在著一定的區(qū)別和聯(lián)系[2]。

我國最初評估舊橋可靠性時,用的是專家意見決策的方法。即把熟悉該橋梁的專家請到現(xiàn)場去查看一下橋梁的老化病害情況。經(jīng)過專家本人的判斷,提出一個結(jié)論性的意見。這種方法,簡便易行,節(jié)省資金、時間。但是由于沒有檢測,對強(qiáng)度、穩(wěn)定等安全性方面的判斷全憑經(jīng)驗。不同的專家下的結(jié)論差異較大。后來采取開專家會議的方法,即多聘請幾位專家,開會發(fā)言。最后由專家組長統(tǒng)一大家的意見,寫出鑒定意見。此法有集思廣益的優(yōu)點(diǎn),但主觀因素并未排除。后來用模糊決策法。只是評估指標(biāo)量化用的隸屬函數(shù)曲線。多因素綜合用的是權(quán)向量和模糊關(guān)系矩陣的合成運(yùn)算法則。其問題是隸屬函數(shù)曲線的擬定缺乏長期廣泛的實際資料的支持。固定的評估指標(biāo)和不變的權(quán)系數(shù)問題仍然存在。對于老化病害的橋梁要探明其老化病害的原因,取到水下水中構(gòu)件的檢測數(shù)據(jù)并非易事。橋梁當(dāng)然是一個灰色系統(tǒng)。想從上部結(jié)構(gòu)的老化病害狀況推知水下、土中的病害狀況,用白化權(quán)函數(shù)來解決這一問題。想法當(dāng)然是不錯的,可惜的是,擬定一套普遍適用于全國各地的白化權(quán)函數(shù)圖集不是一朝一夕的事。權(quán)系數(shù)固定、評估指標(biāo)固定的問題仍然存在[2][3]。

用概率分析的方法,計算舊橋的可靠性也曾嘗試過。無論是構(gòu)件截面可靠度的計算,還是結(jié)構(gòu)體系可靠度的計算,用的都是簡化、實用的方法。這對于評估來說,是可以的。荷載和抗力的概率分布函數(shù),用的都是簡化、實用的方法。這對于評估來說,也是可以的。荷載和抗力的概率分布函數(shù),用的都是大家常用的模型。耐久性和適用性方面的問題,用什么模型,目前并不成熟。在求失效概率時,常會遇到多重積分的問題。用的當(dāng)然是數(shù)值積分的方法。為了降低積分重數(shù),大多用一些假定?？偠灾?目前仍停留在理論研究上,還未進(jìn)入實用階段[4]。

目前有些國家制定了專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),所謂橋梁可靠性評估專家系統(tǒng),就是利用計算機(jī)模擬有經(jīng)驗專家的決策機(jī)理,對既有橋梁進(jìn)行綜合評估的方法,用的是流行結(jié)構(gòu)。知識表示用的是規(guī)則表示法,即產(chǎn)生規(guī)則。推理方法用的是正向推理和返回跟蹤。若間接估計所需要的數(shù)據(jù),就要用似然推理的方法,此法取得原始數(shù)據(jù)的方法有無損檢測、靜動載試驗等。評估指標(biāo)都可量化,對強(qiáng)度、穩(wěn)定等問題都經(jīng)過了計算并有固定的評估層次模型。最后得出的評估結(jié)論都是量化數(shù)字。但是,其缺點(diǎn)是評估指標(biāo)的個數(shù)是固定的,不能適應(yīng)全國各地不同的自然條件。有些地方可能沒有某個評估指標(biāo)反映的問題,而有的問題在評估指標(biāo)中又沒有反映出來。另外,評估指標(biāo)的權(quán)系數(shù)是固定不變的,用的又是加權(quán)平均的多因素綜合法。有時會得出大家都有異議的結(jié)論[3]。

而我國目前用于橋梁可靠性評估的最常用方法是基于荷載試驗的橋梁的可靠性方法。這是通過現(xiàn)場試驗對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估的方法,根據(jù)荷載作用在橋上的性質(zhì),試驗可分成靜載試驗和動載試驗。根據(jù)試驗?zāi)康?荷載試驗可分為結(jié)構(gòu)行為試驗 (證實彈性行為,試驗荷載遠(yuǎn)低于設(shè)計荷載)、應(yīng)力歷程試驗 (確定應(yīng)力譜分布,試驗荷載為正常交通荷載)、診斷試驗 (診斷橋梁病害的原因)、驗證試驗和破壞試驗。與橋梁承載能力評估相關(guān)的試驗主要是后兩種。該方法最主要的優(yōu)點(diǎn)是實踐性強(qiáng),人為因素小,以荷載試驗的數(shù)據(jù)說話,最后得出的評估結(jié)論都是應(yīng)力,應(yīng)變的量化數(shù)字,說服力強(qiáng),得到廣泛應(yīng)用。通過靜載試驗,可以準(zhǔn)確確定橋梁的承載能力及安全性,通過動載試驗,可以確定橋梁的運(yùn)營與損耗情況[1][4]。

將靜載試驗應(yīng)用于橋梁評估,大致有以下兩種方式,第一種方式是實測結(jié)構(gòu)響應(yīng) (如撓度、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫寬度),并將其與規(guī)范容許值相比較,由此推算對應(yīng)的荷載等級和承載能力。但應(yīng)指出,當(dāng)試驗荷載較小時,根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)外推的承載能力是不大可信的。第二種方式是借助試驗結(jié)果修正結(jié)構(gòu)抗力。但是,該方法也有不足之處。靜載試驗對橋梁地理位置要求較高,如果橋下凈空高,而在沒有橋梁檢測車時,搭支架往往費(fèi)時費(fèi)力,不易操作。而靜載試驗數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性也取決于應(yīng)變片的粘貼位置,密合度等,對操作的人要求較高。動載試驗應(yīng)用于橋梁評估的目的是測定橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性,即橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比等結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù);測定結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的強(qiáng)迫振動響應(yīng),即結(jié)構(gòu)的動位移、動應(yīng)力、沖擊系數(shù)等,并通過這些數(shù)據(jù)來推斷橋梁的損耗程度。而目前尚不能將動載試驗的結(jié)果與橋梁的承載力建立聯(lián)系,對動載試驗的數(shù)據(jù)不能完全利用。而研究動載試驗的結(jié)果與橋梁的承載力之間的聯(lián)系,通過動載試驗的結(jié)果來確定橋梁的可靠性將是以后研究的方向。

2 結(jié) 語

伴隨著 “以人為本”的和諧社會的建設(shè),本著對人民的安全負(fù)責(zé)任的態(tài)度,為了充分發(fā)揮現(xiàn)有橋梁的作用,合理使用橋梁的維修加固費(fèi)用,保證行車安全,必須對橋梁的可靠性作出恰當(dāng)?shù)脑u價。而各種評估方法的研究和應(yīng)用仍是一項任重而道遠(yuǎn)的工作。目前,在國外,基于結(jié)構(gòu)可靠性理論制定的橋梁評估規(guī)范已進(jìn)入實用階段,我國在 “八五”以后也已經(jīng)在許多重大研究課題中列入了有關(guān)已建結(jié)構(gòu)可靠性方面的內(nèi)容,這有力地推動了我國已建結(jié)構(gòu)可靠度理論的發(fā)展。在目前存在的多種可靠性評估的理論與方法中,基于荷載試驗的橋梁的安全性評估將得到廣泛的應(yīng)用。

[1]王有志,王廣洋,任鋒,等.橋梁的可靠性評估與加固[M].北京:中國水力水電出版社,2002.

[2]李亞東.既有橋梁評估方法研究[J].鐵道學(xué)報,1997,19(3):109-115.

[3]任涼州.既有公路混凝土橋梁狀態(tài)評估方法研究[D].西安:長安大學(xué),2006.

[4]李楊海,等.公路橋梁結(jié)構(gòu)可靠度與概率極限狀態(tài)設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,1997.