徐祖恩 張志卻

橋梁承載能力是結(jié)構(gòu)承受荷載的能力,它反映的是結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和作用效應(yīng)的關(guān)系。

結(jié)構(gòu)抗力是一個會隨時間變化而發(fā)生變化的量,其變化規(guī)律復(fù)雜。作用效應(yīng)是指外界對結(jié)構(gòu)施加的外力作用,它也是隨著時間變化而變化的量,如汽車荷載、人群荷載以及其他偶然荷載等。

因此,對舊橋進行承載能力評估即是通過技術(shù)手段獲得當前在結(jié)構(gòu)實際運營狀態(tài)下,橋梁可能承擔(dān)的最大荷載以及在該荷載作用下所表現(xiàn)的各項性能指標,從中了解結(jié)構(gòu)目前的使用安全儲備。

1 舊橋承載力評估傳統(tǒng)方法

對橋梁承載能力進行評估是非常有必要的。在下列任一情況發(fā)生時應(yīng)對橋梁承載能力進行評定。

1)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷。這種缺陷或者是固有的,或者是結(jié)構(gòu)隨時間而發(fā)展的惡化、損壞;2)外界因素的改變,如車輛荷載的增加或不利的環(huán)境影響等;3)新建橋梁的驗收工作;4)舊橋?qū)嵤┘庸?、拓寬等修建工程前?5)為設(shè)計規(guī)范的修訂和完善提供依據(jù);6)為了合理的分配養(yǎng)護維修資金;7)決定特殊荷載是否可以通行。

目前常用的橋梁結(jié)構(gòu)承載力評定方法包括:舊橋檢驗系數(shù)法、實橋調(diào)查與結(jié)構(gòu)分析綜合法以及靜、動荷載試驗評定法等。

2 舊橋承載能力模糊貼近度綜合評判模型

2.1 影響橋梁承載能力的因素

影響在役橋梁承載能力的因素很多?？偟膩碚f可以歸納為四類:設(shè)計和施工因素、建材性能因素、荷載因素以及環(huán)境影響因素。要進行橋梁承載能力的評定,如果要每一個細節(jié)都考慮到,既不現(xiàn)實,也無必要,因此,剔除次要因素,保留主要因素,確定如下所示的因素集:

1)使用因素。從使用因素的角度來考慮對承載能力的影響,主要是荷載對結(jié)構(gòu)的影響,荷載是對結(jié)構(gòu)的安全和使用性能有直接影響的一種最主要的因素,特別是目前公路運輸行業(yè)的蒸蒸日上,交通流的日益增大使得橋梁承受的荷載壓力增大。加上橋梁超載超限情況嚴重,不安全的行駛造成橋梁存在了各種各樣影響承載能力的損傷和缺陷。特別是累積損傷的后果使得橋梁結(jié)構(gòu)抗力加速劣化,從而使橋梁承載能力降低。此外,還有橋梁結(jié)構(gòu)自身的恒載以及自然環(huán)境對其施加的荷載,如溫度,凍融等。從一般情況出發(fā),結(jié)合目前出現(xiàn)較多的超載超限現(xiàn)象考慮荷載因素對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

2)結(jié)構(gòu)因素。結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)偏離最初設(shè)計狀態(tài)的現(xiàn)象對橋梁承載能力的影響也是不可忽視的,主梁/主拱圈變形過大、墩臺變位過大以及存在超過規(guī)范范圍內(nèi)的裂縫,這些不僅僅影響到橋梁的承載能力,當情況嚴重時更是直接影響到了橋梁的正常使用,必要時需要封閉橋梁。

3)養(yǎng)護因素。對橋梁進行及時的養(yǎng)護是保證橋梁正常使用的有效手段,但是實際情況中,橋梁數(shù)目的眾多,養(yǎng)護維修資金的有限,使得在橋梁養(yǎng)護工作實施過程中很難及時的落實到每一座橋梁,因此,根據(jù)養(yǎng)護情況的不一樣,在使用中,橋梁也會出現(xiàn)不同的狀況,對橋梁承載能力的影響也不一樣。

綜上,建立影響橋梁承載能力的因素集如下:

U={U1U2U3}{使用因素,結(jié)構(gòu)因素,養(yǎng)護因素}。

其中,U1=使用因素={超載情況,車流量};U2=結(jié)構(gòu)因素={主梁/主拱圈受力變形,墩臺變位,受力裂縫};U3=養(yǎng)護因素={保養(yǎng)情況,結(jié)果損傷狀況}。

2.2 等級評定

1)單因素隸屬度評定原則。考慮影響橋梁承載能力的各個因素,其中有可以通過定量方式確定隸屬度的,如車流量等,也有非定量的因素,如結(jié)構(gòu)損傷狀況、保養(yǎng)情況等。為了便于能夠在一個量度上進行隸屬度的評定,本項目擬采用類比法結(jié)合專家意見評定各個因素的隸屬度。

采用反映各個單因素影響橋梁承載能力程度的一級～五級模糊語言,各級取值范圍將(0,1)區(qū)間劃分為0.90～1,0.75～0.90,0.60～0.75,0.45～0.60,0～0.45。由此可以建立各個因素相對等級(一級～五級)的單因素評價模糊集。如:橋梁出現(xiàn)了輕微的缺損狀況,但基本對承載能力沒有影響,對照評價標準可取評價模糊集u=(u1,u2,u3,u4,u5)=(0.35,0.65,0,0,0),表示不能完全達到一級水平,能夠滿足二級水平,不符合三級～五級。

2)承載能力等級評定。結(jié)合橋梁承載能力衰減規(guī)律和對應(yīng)采用的維修加固工作將橋梁承載能力等級按照滿足目前使用要求的程度劃分為五級,即“完全足夠”“足夠”“臨界”“不足”“嚴重不足”,對該5個語義進行量化,各自取值范圍分別為0.90～1,0.75～0.90,0.60～0.75,0.45～0.60,0～0.45。每一級的具體對應(yīng)情況描述如下:a.完全足夠。橋梁只存在輕微缺損,其程度對橋梁承載能力不產(chǎn)生任何的影響,完全滿足目前使用要求。b.足夠。橋梁存在的缺損狀況對橋梁承載能力幾乎不會產(chǎn)生任何影響,承載能力能夠滿足當前的使用要求,不需要特別進行維修加固工作。c.臨界。橋梁出現(xiàn)了少量影響到承載能力和威脅橋梁正常使用的缺陷和破損,應(yīng)考慮采用適當?shù)拇胧┛刂七@種缺陷和破損的開展。d.不足。橋梁已出現(xiàn)嚴重威脅橋梁正常使用的結(jié)構(gòu)性缺損,承載能力因此降低,需要考慮采取維修加固措施。e.嚴重不足。橋梁存在的嚴重缺陷已經(jīng)不能保證橋梁正常使用,承載能力急劇降低,橋梁已經(jīng)不適宜繼續(xù)使用,應(yīng)考慮規(guī)模較大的加固措施或重建,否則應(yīng)立即中斷交通。

3 PC變截面空心板橋剩余壽命預(yù)測的回歸法

橋梁結(jié)構(gòu)和人一樣,也有其壽命,即使壽命在其使用壽命期間,它也會“生病”。由于各種外力(即荷載)的作用,尤其是我國部分地區(qū)行車輛嚴重超載等各種因素,橋梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的損傷,甚至發(fā)生倒塌事故。隨著時間的推移,損傷不斷累積,再加上材料的不斷老化(如鋼筋銹蝕、混凝土碳化等),強度不斷降低,最終使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞,乃至整體破壞,使得結(jié)構(gòu)不能再承受荷載的作用,此時,結(jié)構(gòu)即完成了它的歷史使命,失去了其使用價值,達到了它使用壽命的終點。若能準確預(yù)測在役公路橋梁的剩余壽命,就能進行合理的投資,采取有效的加固改造措施。本項目擬采用回歸預(yù)測分析法對橋梁剩余壽命進行預(yù)測,為公路橋梁維護管理部門的橋梁養(yǎng)護工作提供可行辦法。其中,回歸預(yù)測模型的建立方法如下:

回歸預(yù)測模型就是利用橋梁在t0時刻前各個檢測時刻的實際檢測資料與分析結(jié)果,通過回歸分析,建立橋梁結(jié)構(gòu)損傷與使用時間的關(guān)系,以此作為對橋梁結(jié)構(gòu)壽命進行預(yù)報的根據(jù)。

其基本過程為:設(shè)Dt為結(jié)構(gòu)t時刻的總損傷系數(shù),Dt=0表示結(jié)構(gòu)完好無損傷;Dt=Df表示結(jié)構(gòu)使用的壽命終結(jié);Dt=1.0表示結(jié)構(gòu)完全破壞。

Dt是一個綜合指標,應(yīng)考慮橋梁的損傷狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的重要性、結(jié)構(gòu)維修費用等因素。經(jīng)綜合分析確定,也可采用橋梁損傷指數(shù) BDI表示,橋梁損傷指數(shù)BDI(Bridge Damage Index)表示橋梁損傷程度,其取值范圍為[0.0,1.0]。當BDI=0時,表示橋梁無損傷;當BDI=1時,表示橋梁處于極度危險狀態(tài)。以BDI表示的損傷等級區(qū)間如下:

0.0 ≤BDI＜0.2,無損傷;0.2≤BDI＜0.4,輕微損傷;0.4≤BDI＜0.6,中等損傷;0.6≤BDI＜0.8,嚴重損傷;0.8≤BDI＜1.0,破壞性損傷。

Df可由專家根據(jù)工程經(jīng)驗給出(暫假定Df=0.8)。這樣,Dt與使用時間的函數(shù)關(guān)系可表示為:

其中,f(t)為Dt的中值預(yù)報函數(shù);ε(t)為考慮所有人為因素影響的附加項。

回歸分析的主要任務(wù)是根據(jù)已知的數(shù)據(jù)來確定 f(t)的具體數(shù)學(xué)表達式。一般地,f(t)的形式很大程度上依賴于過去的經(jīng)驗,常采用二次型、線及指數(shù)型。由于指數(shù)型在統(tǒng)計學(xué)上容易處理,并能線性化和無綱化,因此采用指數(shù)型,則式(1)可寫為:

線性化后得:

其中,k,α均為由分析決定的常數(shù);r為誤差項,一般假定 r～N(0,S2),令 y=lnDt,x=lnt,a=α,b=lnk則有:

這里,上式為一個最簡單的線性回歸問題,可以就資料(tf,Dt)很容易地得到a,b的估計值,換為原來的參數(shù) k,α后,Dt的中值預(yù)報方程為:

令Dt=Df,由式(4)得:

那么橋梁結(jié)構(gòu)的剩余壽命tS可表示為:

其中,tE為結(jié)構(gòu)的可使用年限;tC為結(jié)構(gòu)已使用年限。

橋梁結(jié)構(gòu)剩余壽命回歸預(yù)測模型的主要特點是計算簡單,使用方便,對檢測時刻的選取沒有特別要求;主要缺點是它要求所選擇的樣本容量要足夠大,否則將不能保證中值預(yù)報公式的有效性和精度。因此,該模型可適用于使用時間較長,使用過程中檢測頻繁的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

對橋梁承載能力進行評估的目的即是了解橋梁的實際通行能力,發(fā)掘結(jié)構(gòu)的潛在承載能力,并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的加固維修工作,為合理分配維修加固資金提供理論依據(jù)。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3]杜國華,毛昌時,司徒妙齡,等.橋梁結(jié)構(gòu)分析[M].上海:同濟大學(xué)出版社,1994.

[4]江 政,劉 峰.某舊橋承載力有限元分析[J].山西建筑,2009,35(11):315-316.