賀國(guó)銀

摘要：本文敘述了橋梁安全性使用評(píng)價(jià)模式與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系，根據(jù)橋梁基于疲勞與損傷的以及可靠度原理等方面提出了橋梁的可靠模式和等級(jí)，據(jù)此針對(duì)于石拱橋提出了一種以裂縫為判斷原則劃分橋梁的安全等級(jí)的方法。

關(guān)鍵詞：可靠度；安全性；疲勞與損傷；評(píng)價(jià)模式

一、引言

縣鄉(xiāng)公路上的大中小橋有數(shù)以萬(wàn)座。這些橋梁是促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力保障，是縣鄉(xiāng)人民脫貧致富、奔小康的希望之橋、幸福之橋。由于橋梁修建時(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，加之交通量的迅猛增長(zhǎng)，橋梁建設(shè)質(zhì)量存在問(wèn)題材料與結(jié)構(gòu)自然老化，使用環(huán)境的變化，以及超重、超限車(chē)輛的破壞作用，導(dǎo)致現(xiàn)在許多橋梁都出現(xiàn)了承載力不足的現(xiàn)象。然而隨著社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各個(gè)市區(qū)路網(wǎng)將提前完善，面對(duì)交通量的驟增，縣鄉(xiāng)公路橋梁安全問(wèn)題將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此基于可靠度的理論對(duì)于這些橋梁的使用壽命的研究具有重大的實(shí)用價(jià)值和深遠(yuǎn)的意義。

二、橋梁安全性使用評(píng)價(jià)模式及其與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系

1、橋梁評(píng)估模式的發(fā)展水平

對(duì)于現(xiàn)有橋梁的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)來(lái)說(shuō)，橋梁的安全性評(píng)估方法是一個(gè)重要的問(wèn)題。人們?cè)跇蛄喊踩栽u(píng)估方面已進(jìn)行了大量的研究，并取得不同程度的進(jìn)展。安全評(píng)估是通過(guò)獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)論得到對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能的整體評(píng)價(jià)。安全評(píng)估不但可以科學(xué)的給出結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)價(jià)，還是制定養(yǎng)護(hù)和維修計(jì)劃的重要參考。

2、梁橋安全使用與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系

結(jié)構(gòu)的安全使用壽命是指結(jié)構(gòu)由于外界環(huán)境腐蝕和老化因素的影響，使其耐久性受到損傷，當(dāng)結(jié)構(gòu)可靠度降低到某一預(yù)先規(guī)定值時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。要確定結(jié)構(gòu)的安全使用壽命，必須首先確定一個(gè)可以接受的可靠度水平。橋梁結(jié)構(gòu)安全使用壽命與橋梁重要性等級(jí)有關(guān)。對(duì)于所屬等級(jí)為一級(jí)的重要橋梁，結(jié)構(gòu)初始可靠度一般較高，可靠度水平隨時(shí)間的衰減速度相對(duì)較慢，安全使用壽命較長(zhǎng) ；反之，使用壽命必然很短，因此適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)初始可靠度，是延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)安全使用壽命的有效措施。

3、橋梁承載力評(píng)價(jià)技術(shù)

橋梁承載力評(píng)價(jià)技術(shù)方面，目前常用技術(shù)主要有三種，即系數(shù)折減法、類比法和荷載試驗(yàn)法。

三、橋梁使用壽命的可靠性評(píng)價(jià)

1、可靠性原理

結(jié)構(gòu)可靠度定義為：“工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率?！彼^的：“規(guī)定時(shí)間”指的是結(jié)合結(jié)構(gòu)使用期，考慮各種基本變量與時(shí)間的關(guān)系所取用的分析時(shí)間；“規(guī)定的條件”是指結(jié)構(gòu)正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用的條件，即不考慮人為過(guò)失的影響；“預(yù)定功能”是指結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性。[1]

結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)定義為：“整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一個(gè)特定狀態(tài)就不能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一個(gè)功能要求，此特定的狀態(tài)稱之為該功能的極限狀態(tài)?！睒O限狀態(tài)實(shí)際上就是結(jié)構(gòu)可靠（有效）或不可靠（失效）的界限。

將作用方面的基本變量組合成綜合作用效應(yīng)S，抗力方面的基本變量組合成綜合抗力R。從而結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為 。對(duì)于 ，存在以下三種情況：

表明結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

表明結(jié)構(gòu)已失效或破壞；

表明結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

對(duì)于抗力及抗力參數(shù)的獲取我們采用的是間接的方法，即就是先對(duì)影響抗力的各種主要因素分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定其抗力參數(shù)，然后通過(guò)抗力與有關(guān)因素間的函數(shù)關(guān)系，來(lái)推求抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率分布類型。通過(guò)橋梁承載能力方法我們計(jì)算出S和R，這樣我就可以用可靠度的功能函數(shù)來(lái)進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)處于那種狀態(tài)。

2、 基于疲勞損傷的評(píng)價(jià)方法

常規(guī)的評(píng)價(jià)以結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度為主，以結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)判依據(jù)，忽略了橋梁的活荷載，即不能考慮橋梁的可靠度和使用壽命，研究表明致使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的形式往往是結(jié)構(gòu)的疲勞破損。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某部位發(fā)生疲勞損傷時(shí)，應(yīng)采取何種對(duì)策以及對(duì)策的緊迫性進(jìn)行判斷的過(guò)程，判斷項(xiàng)目有：（1）疲勞的累積損傷度；（2）疲勞損傷的發(fā)展速率；（3）構(gòu)件的冗余度；（4）劣化狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)能的影響程度。由于每個(gè)項(xiàng)目都是根據(jù)某一功能疲勞極限狀態(tài)評(píng)定，因此，項(xiàng)目的評(píng)定等級(jí)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件能否滿足某項(xiàng)功能要求的評(píng)定結(jié)果，并以相關(guān)等級(jí)來(lái)表示。

疲勞損傷的發(fā)展速率可判斷劣化狀態(tài)的發(fā)展的快慢。對(duì)裂紋擴(kuò)展速度的定量研究，一般是用斷裂力學(xué)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析。構(gòu)件的冗余度：當(dāng)構(gòu)件或接頭處產(chǎn)生的疲勞損傷連續(xù)發(fā)展時(shí)，需要判斷結(jié)構(gòu)是否會(huì)明顯地喪失強(qiáng)度和機(jī)能（構(gòu)件破壞除外），如果結(jié)構(gòu)會(huì)喪失強(qiáng)度和機(jī)能，則稱其沒(méi)有冗余度。判斷的目標(biāo)之一就是結(jié)構(gòu)是靜定的還是超靜定的，發(fā)生損傷的構(gòu)件是主要構(gòu)件還是次要構(gòu)件，以次要構(gòu)件裂紋的發(fā)展對(duì)主要構(gòu)件是否有很大影響。

3、石拱橋的破壞機(jī)理評(píng)價(jià)模式

當(dāng)一個(gè)無(wú)鉸拱橋達(dá)到了三個(gè)塑性鉸的時(shí)候我們稱之為靜定的結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)了第四個(gè)塑性鉸的時(shí)候我們就稱它為靜不定結(jié)構(gòu)，也就是由一個(gè)結(jié)構(gòu)變成了機(jī)構(gòu)，也就是在這個(gè)時(shí)候發(fā)生拱橋的破壞。對(duì)于石拱橋來(lái)說(shuō)，主要的承重的結(jié)構(gòu)就是主拱圈，所以對(duì)于主拱圈的研究就顯的尤為重要！其破壞的最明顯的標(biāo)志就是裂縫，筆者據(jù)此通過(guò)對(duì)裂縫的出現(xiàn)以及發(fā)展來(lái)研究其破壞模式。

通過(guò)用斷裂力學(xué)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析，作者考慮提出一個(gè)判斷截面安全的判據(jù)a，來(lái)判斷這個(gè)截面的安全度。由于開(kāi)裂韌性越小，說(shuō)明這個(gè)截面的安全度越高，如果開(kāi)裂韌性值達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)值，這個(gè)截面就是不安全的，也就是a值達(dá)到了最大值。從理論上講，這樣的截面出現(xiàn)4個(gè)，這個(gè)主拱圈就將最終破壞。另外裂縫的走向、長(zhǎng)度和裂縫密集度等對(duì) 具體的a也會(huì)有影響，表達(dá)式如下：

式中： 、 、 、 、——表示裂縫長(zhǎng)度、裂縫位置、裂縫走向、裂縫密集度對(duì)a的修正值。

式中： ——表示應(yīng)力

、 、 、 、 ——表示材料參數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)得出。

我們通過(guò)收集資料，算出部分橋的 ，對(duì) 進(jìn)行分級(jí)。

安全級(jí) ≤1.0 普通級(jí) 1.0< ≤1.5

隱患級(jí) 1.5< ≤2 .0 危險(xiǎn)級(jí) >2.0

其中：

安全級(jí)——代表橋梁基本無(wú)影響主拱圈受力的病害；

普通級(jí)——雖然有些病害，但短時(shí)間內(nèi)可以繼續(xù)使用；

隱患級(jí)——病害影響了橋梁的正常承載，需要進(jìn)行檢測(cè)；

危險(xiǎn)級(jí)——病害非常嚴(yán)重，需要盡快對(duì)該橋進(jìn)行加固。

四、結(jié)語(yǔ)

在常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，引入了影響可靠度和安全使用壽命的主要指標(biāo)，建立了結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全使用壽命評(píng)價(jià)模型，提出構(gòu)件結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。尤其對(duì)石拱橋提出了靜不定破壞，以及對(duì)石拱橋評(píng)價(jià)等級(jí)根據(jù) 進(jìn)行了重新的分類。也為以后石拱橋安全評(píng)價(jià)提供了一個(gè)新思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄒天一，李楊航.結(jié)構(gòu)可靠度.北京：人民交通出版社，1998.

[2] 趙國(guó)藩.工程結(jié)構(gòu)可靠性理論與應(yīng)用.大連：大連理工大學(xué)出版社，1996.

[3] 楊偉軍，趙傳軍.土木工程結(jié)構(gòu)可靠度理論與設(shè)計(jì).北京：人民交通出版社，1998.

[4] 陳萬(wàn)春，馬建秦.既有橋梁可靠度與安全使用壽命的綜合評(píng)估.公路交通科技，2006.

[5] 工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB 50513—92）。北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1992.