實際車流荷載作用的混凝土梁橋可靠度評估

陳水生， 趙 輝， 李錦華， 朱朝陽

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

隨著跨區(qū)域間大宗貨物運輸業(yè)務(wù)的不斷增加和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，公路運輸因自身的優(yōu)點而成為現(xiàn)代物流行業(yè)的主力軍，城市道路和高速公路上的車輛越來越多且車輛規(guī)格越來越復(fù)雜。與此同時，我國橋梁建設(shè)突飛猛進，公路橋梁數(shù)量目前達到83.25萬座[1]，其中中小跨徑的混凝土梁橋因其結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等優(yōu)點，在公路橋梁中廣泛應(yīng)用且數(shù)量龐大。與大跨徑橋梁相比，中小跨徑的混凝土梁橋設(shè)計活恒載比值大，在服役期內(nèi)對汽車荷載更敏感[2]，特別是車輛超重超限而導(dǎo)致的混凝土梁橋垮塌事故也時有發(fā)生[3]，橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的使用壽命和運營安全備受社會關(guān)注。為保證混凝土梁橋的結(jié)構(gòu)安全，就很有必要摸清新建和在役混凝土梁橋在未來服役時間內(nèi)的承載力性能變化規(guī)律。

因此，學(xué)者們對混凝土梁橋的承載力可靠度進行了大量的研究，如：Strauss等[4]研究了單片梁構(gòu)件的可靠度問題；鄧露等[5]分析了車輛軸限對鋼筋混凝土簡支梁橋可靠度和加固費用的影響；孫曉燕等[6]基于規(guī)范車輛荷載評估了鋼筋銹蝕對在役鋼筋混凝土簡支T梁橋耐久性的影響；金浩等[7]將規(guī)范車輛荷載產(chǎn)生的橋梁荷載效應(yīng)視為極值Ⅰ型分布，進而分析了鋼筋混凝土簡支梁橋加固后的承載能力變化趨勢，對加固后的可靠度進行了計算；彭建新等[8]在分析氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土簡支梁橋的隨機失效概率時，車輛荷載效應(yīng)為兩輛重車并行過橋產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；楊慧等[9]基于規(guī)范車輛荷載考慮混凝土碳化和氯離子累積效應(yīng)的影響，對混凝土梁橋后期服役階段的承載力失效概率進行評估；吳瑾等[10]認(rèn)為規(guī)范車輛荷載效應(yīng)服從極值Ⅰ型分布，進而考慮鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土梁橋抗彎承載力性能的影響；索清輝等[11]基于規(guī)范車輛荷載提出了計算在役鋼筋混凝土梁橋時變可靠度的方法，分析可變荷載增加對橋梁承載能力的影響。

可以看出，上述研究成果較豐碩，在混凝土梁橋的設(shè)計、建造和管養(yǎng)中也很有參考價值，但這些研究是基于規(guī)范車道荷載，認(rèn)為密集行車的車輛荷載相當(dāng)于現(xiàn)行規(guī)范的公路-Ⅰ級，一般行車的車輛荷載相當(dāng)于現(xiàn)行規(guī)范的公路-Ⅱ級。實際上，汽車荷載是一種社會性荷載，其與經(jīng)濟、政策、汽車工業(yè)之間聯(lián)系緊密，實際運營汽車荷載受多種因素的影響呈現(xiàn)出高度的隨機性，在自由通行的情況下還可能大于規(guī)范規(guī)定的車輛荷載。當(dāng)然，也有學(xué)者在研究混凝土梁橋的承載力可靠度時考慮了實際車輛荷載的隨機性，如：黃平明等[12]從實測車輛數(shù)據(jù)中分離出特重車荷載數(shù)據(jù)，進而研究重載交通下的空心板梁橋承載能力安全性，但其沒有對橋梁在未來服役期的承載力安全性進行分析；袁偉璋等[13]采用廣義pareto分布擬合車輛荷載效應(yīng)的最大值分布，分析既有鋼筋混凝土簡支梁橋的承載力失效概率，但沒有考慮橋梁抗力的退化且廣義pareto分布模型的合理閾值選擇很困難；羅媛等[14]考慮隨機車輛荷載的沖擊效應(yīng)，分析鋼筋混凝土梁橋的疲勞可靠度，但沒有考慮橋梁抗力退化；袁陽光等[15-16]考慮橋梁抗力和車輛荷載的時變性，根據(jù)橋梁車致荷載效應(yīng)的年最大值樣本建立混凝土梁橋車致荷載效應(yīng)極值的廣義極值分布模型，但這種區(qū)間取最值的樣本獲取方法對橋梁車致荷載效應(yīng)原始樣本信息的利用率較差，浪費了很多有用的信息。鑒于此，為了克服已有研究的不足，本文根據(jù)實際運營車輛荷載數(shù)據(jù)，基于經(jīng)典Rice公式的界限跨閾率理論建立隨機車流荷載作用的橋梁車致荷載效應(yīng)極值的概率分布模型，考慮橋梁抗力退化的時變特性，對在役混凝土梁橋在未來服役期內(nèi)的承載力失效概率進行評估，為新建和在役混凝土梁橋的建造和管養(yǎng)提供科學(xué)的指導(dǎo)和事前決策依據(jù)，研究意義重大。

1 荷載效應(yīng)概率分布模型

1.1 車輛荷載效應(yīng)概率分布模型

1.1.1 隨機車流的模擬

對于橋梁工程而言，隨機車流的模擬能夠更真實的再現(xiàn)作用于橋梁上的實際車輛荷載，為橋梁的承載力可靠度分析提供有力的支撐。任意時間的過橋車輛具有很強的隨機性，其中車輛的車型、車質(zhì)量、車輛間距和車輛行駛車道是考慮車輛隨機性的四個主要參數(shù)。實測數(shù)據(jù)表明車輛的隨機參數(shù)服從一定的概率分布，因此可以采用隨機過程理論和數(shù)理統(tǒng)計方法來對過橋車流進行仿真模擬。本文通過對江西省高速公路管理單位在昌九高速公路的實測數(shù)據(jù)進行整理，根據(jù)下述車輛運行參數(shù)建立隨機車流荷載模型。

(1)車型及車道

公路橋梁的運行車輛各異，車輛類型較多，各類型車輛具有較強的隨機性，根據(jù)車輛類型現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果并參考已有的研究[17]，可以將高速公路上行駛車輛分為六種代表性車型，各車型和車輛行駛車道的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，各車型出現(xiàn)的頻率和車輛車道的選擇可以采用均勻分布函數(shù)來生成[18]。

表1 車型及車道統(tǒng)計數(shù)據(jù)

(2)車質(zhì)量

不同車輛的車質(zhì)量變化較大，與地域位置及地域經(jīng)濟發(fā)展水平有較大關(guān)系。通常情況下，上橋車輛可以分為空載、一般載質(zhì)量和重載三種情況，車質(zhì)量的最小值是空載情況下車輛自身的質(zhì)量，車質(zhì)量的最大值與車輛的超載有關(guān)。根據(jù)實際交通監(jiān)測數(shù)據(jù)，各車型的車質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果呈現(xiàn)多峰分布的特點，可以采用高斯混合分布擬合各車型車質(zhì)量[19]，擬合的高斯混合分布參數(shù)如表2所示。表2中，μi，σi分別為第i個高斯分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。以C6車型為例，圖1給出了其車質(zhì)量的直方圖和高斯混合分布的概率密度擬合結(jié)果，從圖1可以看出，車質(zhì)量具有明顯的多峰分布特征。

表2 車質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

(3)車距

橋上行駛車輛的間距體現(xiàn)了交通流的密度和車流的長度，不同的時間段，過橋車輛數(shù)量是不相同的。根據(jù)實際交通狀況，可以將交通流劃分為稀疏車流、一般車流和密集車流，不同車流的占比分別約為0.474，0.329，0.197，不同車流的日通行量分別約為2 988輛，2 400輛、1 020輛。稀疏和一般車流的車輛間距可以采用對數(shù)正態(tài)分布來生成車距樣本，密集車流的車輛間距可以采用伽馬分布生成車距樣本[20]，其分布參數(shù)分別為(7.21，0.42)、(6.52，0.68)、(6.43，9.15)。根據(jù)不同車流的車輛間距樣本擬合的概率密度曲線，如圖2所示，從圖2可以看出，隨著車流密度的增大，車輛間距的均值減小，概率密度曲線的峰值越來越大，車距樣本的離散性越來越小。

以一般車流為例，綜合考慮車型、車道、車質(zhì)量和車輛間距的隨機性特征，借助MATLAB平臺，采用Monte-Carlo隨機抽樣的方法生成某一時段的一般車流樣本，如圖3所示。圖3中車道編號1、編號2分別為行車道和超車道。

1.1.2 經(jīng)典Rice公式理論

已有的研究[21]表明，橋梁在某一車流荷載作用下的荷載效應(yīng)通?？杉俣槠椒€(wěn)高斯隨機過程。那么，就可以采用經(jīng)典Rice公式[22]來擬合橋梁車致荷載效應(yīng)與給定界限的交叉次數(shù)。設(shè)x為橋梁的車致荷載效應(yīng)隨機過程，單位時間內(nèi)x的跨閾率v(x)可以表示為

(1)

將式(1)兩邊取對數(shù)，經(jīng)整理可以得到

ln[v(x)]=a0+a1x+a2x2

(2)

(3)

(4)

式中，vopt，mopt，σopt分別為最優(yōu)擬合的均值點跨閾率、均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

實際上，公路橋梁過橋車流密度在不同的時間段是不同的，車流密度與人類的作息時間相關(guān)，大體呈現(xiàn)出白天過橋車流較密集，夜晚過橋車流較稀疏的特點。根據(jù)不同車流狀態(tài)車輛荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，采用跨閾率疊加原理對不同車流狀態(tài)的車致荷載效應(yīng)跨閾率模型進行疊加，可得實際車流的界限跨閾率為

vxym(x)=pxvx(x)+pyvy(x)+pmvm(x)

(5)

式中，vx(x)，vy(x)，vm(x)分別為稀疏、一般和密集車流的界限跨閾率；px，py，pm分別為不同車流的占比。

將式(5)代入式(2)，經(jīng)擬合得到實際車流的最優(yōu)待定參數(shù)，進而得到實際車流荷載作用的橋梁車致荷載效應(yīng)極值的概率分布。

1.2 永久荷載效應(yīng)概率分布模型

橋梁結(jié)構(gòu)的永久荷載即是橋梁結(jié)構(gòu)的自質(zhì)量，永久荷載在客觀上是確定的，包括橋跨的主梁質(zhì)量、橫隔梁質(zhì)量、橋面鋪裝質(zhì)量、人行道和欄桿質(zhì)量等。雖然永久荷載在結(jié)構(gòu)服役時間內(nèi)的變化較小，但綜合考慮各因素的影響，李揚海等[23]依然將其作為隨機變量來處理，認(rèn)為結(jié)構(gòu)永久荷載服從正態(tài)分布，永久荷載的作用效應(yīng)與永久荷載按線性比例關(guān)系處理，即永久荷載效應(yīng)也服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)及其分布參數(shù)如下

(6)

(7)

式中：κSG=1.014 8；δSG=0.043 1；SGk為永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；μSG，σSG分別為永久荷載效應(yīng)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差；g為永久荷載變量。

2 橋梁抗力退化概率分布模型

混凝土梁橋的抗力取決于混凝土和鋼筋的強度，但由于橋梁的使用環(huán)境復(fù)雜，即使在一般大氣環(huán)境，混凝土碳化、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋銹蝕、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋與混凝土黏結(jié)性能降低都會發(fā)生，因此而引起的抗力逐年退化實為一非平穩(wěn)隨機過程。以受壓區(qū)高度在翼緣板內(nèi)的T型梁為例，其正截面抗彎承載力可以表示為

(8)

式中：fsy(t)，As(t)分別為普通鋼筋的強度和截面面積的時變值；fsp(t)，Ap(t)分別為預(yù)應(yīng)力鋼筋強度和截面面積的時變值；fcd(t)為混凝土抗壓強度的時變值；b和h0分別為T型主梁的計算寬度和有效高度；ks(t)為鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù)。

從式(8)可以看出，影響抗力變化的各變量是隨著時間變化的，相互之間的關(guān)系復(fù)雜，要精確確定混凝土退化強度、普通鋼筋退化強度、預(yù)應(yīng)力筋退化強度、鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù)是很困難的。因此，為了便于工程應(yīng)用和簡化計算，Li等[24]將時變抗力表示為

R(t)=g(t)R0

(9)

式中：R0為結(jié)構(gòu)初始抗力，是一個隨機變量；g(t)為抗力衰減函數(shù)，可以采用橋梁服役時間的二次多項式來表示[25]

g(t)=1-k1(t-T0)+k2(t-T0)2

(10)

式中：k1，k2為抗力退化速率參數(shù)；T0為抗力退化起始時間。不同退化模式的抗力退化速率參數(shù)如表3所示。

表3 抗力退化速率參數(shù)

那么，任意時刻抗力的隨機性取決于初始抗力的隨機性，時變抗力R(t)的均值μR(t)和標(biāo)準(zhǔn)差為σR(t)

(11)

式中，μR0，σR0分別為結(jié)構(gòu)初始抗力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

已有的研究表明，構(gòu)件的抗力不拒絕對數(shù)正態(tài)分布，則抗力的概率密度函數(shù)為

(12)

式中，r為橋梁抗力變量。

3 實際車流荷載作用的混凝土梁橋可靠度評估方法

基于實際車流荷載，橋梁在未來服役期內(nèi)的承載力性能分析主要分為四大部分：隨機車流的模擬、建立車輛荷載效應(yīng)極值的概率分布模型、建立橋梁抗力退化的概率分布模型、橋梁承載力性能評估，其主要計算步驟如下：

步驟1根據(jù)實測車流的車輛類型、車輛行駛車道、車輛質(zhì)量、車輛行駛間距和車輛行駛狀態(tài)的統(tǒng)計參數(shù)，采用Monte-Carlo隨機抽樣的方法生成滿足實際交通狀況的隨機車流荷載模型。

步驟2將隨機車流中各車輛的車輪荷載等效為集中力，考慮車輛過橋沖擊力的影響，利用影響面加載的方法計算隨機車流荷載產(chǎn)生的彎矩?；诮?jīng)典Rice公式的界限跨閾率理論和跨閾率疊加原理，擬合經(jīng)典Rice公式的最優(yōu)參數(shù)，得到橋梁車致荷載效應(yīng)極值的概率分布模型。

步驟3根據(jù)橋梁的實際運營環(huán)境，綜合考慮橋梁自身抗力的退化過程，建立橋梁抗力的時變概率分布模型；并計算永久荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。

步驟4采用JC法求解橋梁在未來不同服役期內(nèi)的承載力失效概率。結(jié)構(gòu)在時間點t的功能函數(shù)為

Z(t)=R(t)-SG-SQ(t)

(13)

式中：SG為永久荷載效應(yīng)；SQ(t)為車輛荷載效應(yīng)。

則，服役期T內(nèi)的結(jié)構(gòu)失效概率為

Pf(T)=P{R(t)-SG-SQ(t)<0,t∈(0,T)}

(14)

假定混凝土梁橋的破壞形態(tài)為：橋梁任意一片主梁承載力失效，就認(rèn)為整個橋梁系統(tǒng)不再具備承載能力。因此，在計算整個橋梁體系的失效概率時，將各片主梁視為串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系，整個橋梁體系的失效概率可以表示為

(15)

式中，Pfi為第i片主梁的失效概率。

綜上所述，基于實際車流荷載作用的混凝土梁橋可靠度評估的流程圖，如圖4所示。

4 混凝土梁橋可靠度評估案例

以一座預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋為工程背景，該橋位于2019年擴建后的江西省昌九高速公路永修段，橋梁跨徑40 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)5片T梁組成，橋面鋪裝層采用4 cm厚改性瀝青混凝土抗滑表層+6 cm厚中粒式改性瀝青混凝土+三層FYT-1改性防水層+10 cm厚C50混凝土橋面鋪裝層，橋梁設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，設(shè)計車速100 km/h，橋梁橫斷面如圖5所示，圖5中各片梁分別編號?；贛idas/Civil軟件，采用梁格法建立橋梁的有限元模型，T型主梁和橫隔梁采用空間梁單元，相鄰T型主梁之間采用虛擬梁單元連接，虛擬梁單元的容重為0，彈性模量與T型主梁相同，橋梁有限元模型如圖6所示。

4.1 車輛荷載效應(yīng)的概率分布模型

4.1.1 車輛荷載效應(yīng)的求解

隨機車流的車輛數(shù)量很多，如果所有車輛都采用整車模型，計算時間較長，為了簡化計算，參考文獻[26]的車輛軸重分配比例，將各車輛的總載質(zhì)量按比例分配給每一個車輪，再將各車輪荷載簡化為一個集中力。參考已有的研究[27]，為了考慮車輛過橋的沖擊力影響，可以用沖擊系數(shù)乘以車輛荷載來計算沖擊力的大小。因此，本文在考慮過橋車輛對橋梁的沖擊效應(yīng)時，首先采用Midas/Civil軟件計算該橋基頻，其值為2.89 Hz，根據(jù)我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》的沖擊系數(shù)計算公式計算的沖擊系數(shù)為0.172；然后將車輪簡化集中力乘以1.172，根據(jù)隨機車流荷載在橋上的作用位置，基于荷載效應(yīng)影響面采用二維線性插值的方法計算過橋車輛的荷載效應(yīng)。其中，影響面的計算方法為：在Midas/Civil軟件里，將一個單位集中荷載(1 kN)在橋梁不同的縱斷面沿著單元節(jié)點從橋梁一端移動到另一端，并計算其在所研究截面產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，進而組成影響面。圖7給出了1 kN單位集中荷載在5片T型主梁中心線上移動時1#梁跨中彎矩的影響面。

根據(jù)實測車流的日通行量，以1#梁為例，其跨中彎矩的時程曲線如圖8所示。從圖8可以看出，不同車流的橋梁車致彎矩峰值隨機性較強，任意一個峰值點的出現(xiàn)都說明有一輛重載貨車過橋。

4.1.2 彎矩界限跨閾率的模擬

如果每年按250個有效日歷天來計算，基于1#梁車致彎矩的時程模擬數(shù)據(jù)，用1 000天的橋梁車致彎矩樣本數(shù)據(jù)來擬合經(jīng)典Rice公式的最優(yōu)參數(shù)。根據(jù)式(5)，圖9給出了實際車流作用的彎矩界限跨閾率曲線擬合結(jié)果，從圖9可以看出，經(jīng)典Rice公式對橋梁車致彎矩年跨閾次數(shù)的擬合效果很好，最優(yōu)擬合參數(shù)vopt，mopt，σopt分別為3 212，1 922.8 kN·m，526 kN·m。

同時，為了探究不同車流狀態(tài)，即隨機車流中車輛間距對本文40 m跨徑簡支梁橋彎矩界限跨閾率的影響，按照實測的車流占比，在此分兩種情況進行討論：情況一，稀疏、一般、密集車流具有相同的日車輛數(shù)量1 000輛；情況二，稀疏、一般、密集車流具有不同的日車輛數(shù)量，分別為實測車輛數(shù)量1 020輛、2 400輛、2 988輛。圖10給出了不同車流作用的彎矩界限跨閾率曲線擬合結(jié)果，從圖10可以看出：情況一不同車流作用的彎矩界限跨閾率及跨閾率曲線接近重合，橋梁車致彎矩的取值區(qū)間相同，說明隨機車流中車輛間距對本文簡支梁橋的車致彎矩界限跨閾率的影響很??；情況二密集車流作用的彎矩界限跨閾率最大，一般車流次之，稀疏車流最小，即車輛數(shù)量越多，則彎矩界限跨閾率就越大，說明彎矩界限跨閾率大小取決于過橋車輛數(shù)量。這與實際交通狀況是吻合的，對于中小跨徑簡支梁橋而言，多車同時過橋的概率很小，2輛貨車或多輛貨車同時過橋的概率更小。據(jù)此也可以推斷，橋梁跨徑越小，車輛行駛間距對橋梁車致荷載效應(yīng)的影響就會越小，即在研究中小跨徑簡支梁橋的車致荷載效應(yīng)時，根據(jù)車輛間距將過橋車輛劃分為稀疏、一般、密集的車流狀態(tài)意義不大。

4.1.3 橋梁車致彎矩極值的概率分布

為了更切合實際情況，本文綜合考慮不同車流荷載，采用跨閾率疊加原理得到的實際車流來建立車輛荷載效應(yīng)極值的概率分布模型。以1#梁為例，將實際車流的最優(yōu)跨閾率擬合參數(shù)代入式(4)可得其在不同服役期內(nèi)的車致彎矩極值的概率密度函數(shù)

(16)

同理可得其他T型主梁的車致彎矩極值的概率密度函數(shù)，在此不再贅述。圖11給出了1#梁在不同服役期內(nèi)的跨中彎矩極值的概率密度演化圖及其脊線，從圖11可以看出：隨著橋梁服役時間的增加，橋梁車致彎矩極值的均值增大，離散程度減??；在設(shè)計基準(zhǔn)期100年內(nèi)的跨中彎矩極值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為4 580 kN·m，393.3 kN·m。

4.2 橋梁抗力退化的概率分布模型

依據(jù)橋梁的設(shè)計圖紙，按照一期恒載和二期恒載分別計算T型主梁跨中截面的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為7 148.7 kN·m，則根據(jù)式(7)可得永久荷載作用的主梁跨中彎矩的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為7 254.5 kN·m，312.67 kN·m。采用我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的計算方法，本文T型主梁正截面抗彎承載力標(biāo)準(zhǔn)值為15 433.64 kN·m?？紤]T型主梁抗力的逐年退化，以中等退化為例，圖12給出了抗彎承載力的概率密度演化圖及其脊線，從圖12可以看出，隨著橋梁服役時間的延長，T型主梁的抗彎承載力均值和離散程度逐漸較小。

4.3 橋梁承載力可靠度評估

該橋已服役2年，在此視為新建橋梁來分析；橋梁所處運營環(huán)境為一般大氣環(huán)境，可以認(rèn)為橋梁抗力的退化模式為低速退化模式。根據(jù)式(14)，圖13給出了各片T型主梁在不同服役時間內(nèi)的承載力可靠指標(biāo)，從圖13可以看出：①各片T型主梁的可靠指標(biāo)隨著橋梁服役期的增加而減小，直接承受車輛荷載作用的T型主梁，其承載力可靠指標(biāo)小于非直接承受車輛荷載作用的T型主梁；②邊梁1#梁的可靠指標(biāo)最小，次邊梁2#梁的可靠指標(biāo)次之，因為行車道通行重載貨車較多，承受較大的車輛荷載；③整個橋梁系統(tǒng)的可靠指標(biāo)與1#梁接近，即系統(tǒng)的承載力失效概率取決于可靠指標(biāo)最小的T型主梁；④橋梁系統(tǒng)在設(shè)計基準(zhǔn)期100年內(nèi)的承載力可靠指標(biāo)為4.33；如果將橋梁的目標(biāo)可靠指標(biāo)設(shè)為β=4.7[28]，則在目前的實際交通荷載作用下，1#梁的安全儲備有待提高；管養(yǎng)單位的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，過橋車輛的最大載質(zhì)量達到了186.7 t，為了保證橋梁的安全運營，有必要采取干預(yù)措施，將目前的自由通行變?yōu)橛嬛厥召M通行或禁止超載。

當(dāng)不考慮橋梁抗力的逐年退化時，圖14給出了橋梁系統(tǒng)在不同服役期內(nèi)的可靠指標(biāo)，從圖14可以看出：①橋梁抗力退化的可靠指標(biāo)小于抗力不退化的可靠指標(biāo)；在設(shè)計基準(zhǔn)期100年內(nèi)，橋梁抗力退化和不退化的承載力可靠指標(biāo)分別為4.45，4.78，即橋梁承載力失效概率分別為4.31×10-6，8.84×10-7，橋梁抗力退化的承載力失效概率是抗力不退化的4.88倍；②如果將橋梁的目標(biāo)可靠指標(biāo)設(shè)為β=4.7，則在目前的實際交通荷載作用下，考慮橋梁抗力的低速退化，橋梁在服役到2065年時達到承載力臨界狀態(tài)，繼續(xù)運營就需要采取維修或加固措施。

在實際車流荷載作用下，圖15給出了橋梁系統(tǒng)在未來不同服役期內(nèi)的承載力冗余度，從圖15可以看出，隨著橋梁服役時間的延長，橋梁抗彎承載力可靠性能冗余度逐漸下降，由初始時刻的0.41下降到第46年的0，服役到100年的可靠性能冗余度為-0.25。

為了探究橋梁抗力退化模式對橋梁承載力失效概率的影響，圖16給出了橋梁系統(tǒng)的承載力失效概率，從圖16可以看出：隨著橋梁抗力退化速度的加快，橋梁在未來服役期內(nèi)的承載力可靠指標(biāo)迅速下降；在運營環(huán)境惡劣的情況下，混凝土梁橋應(yīng)該提高抗彎承載力，特別是邊梁的安全儲備可以比其他主梁大。

5 結(jié) 論

在實際隨機車流荷載作用下，本文基于經(jīng)典Rice公式的界限跨閾率理論建立了混凝土梁橋車致荷載效應(yīng)極值的概率分布模型，同時考慮橋梁抗力的逐年退化，詳細(xì)給出了在役混凝土梁橋在未來服役時間內(nèi)的承載力性能評估方法和步驟，得到如下結(jié)果：

(1)經(jīng)典Rice公式對橋梁車致彎矩界限跨閾率的擬合效果很好，依此建立的橋梁車致荷載效應(yīng)極值概率分布模型合理可靠且工程應(yīng)用也方便。

(2)中小跨徑簡支梁橋在隨機車流荷載作用下的彎矩界限跨閾率主要取決于過橋車輛數(shù)量，而受車輛間距的影響較小，研究中小跨徑簡支梁橋在隨機車流荷載作用下的荷載效應(yīng)，可以不對過橋車流狀態(tài)進行稀疏、一般、密集的劃分。

(3)隨著橋梁服役時間的延長，橋梁車致荷載效應(yīng)極值的均值逐漸增大，離散程度減小；抗彎承載力的均值和離散程度因構(gòu)件抗力退化而逐漸減小。

(4)混凝土梁橋的邊梁承載力失效概率大于其他主梁，建造時應(yīng)該加大安全儲備；特別是在重工業(yè)地區(qū)和重型貨車出現(xiàn)頻率較高的地區(qū)，運營時可以采取政策進行干預(yù)，對過橋車輛進行計重收費或限載。

(5)混凝土梁橋的承載力失效概率隨著橋梁運營環(huán)境的惡化而增大，在100年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，橋梁抗力低速退化的承載力失效概率是抗力不退化的4.88倍。

混凝土梁橋中的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋與普通鋼筋混凝土梁橋不同，其主梁底部混凝土受壓，預(yù)應(yīng)力筋工作應(yīng)力較高且預(yù)應(yīng)力絲的直徑較??；因此，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的混凝土碳化及預(yù)應(yīng)力筋在孔道內(nèi)的銹蝕非常復(fù)雜，摸清預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的抗力退化規(guī)律及建立更切合實際的抗力退化模型有待進一步探究。