李宏江， 張勁泉， 劉漢勇， 程壽山， 吳寒亮， 張守祺， 楊　昀

(交通運輸部公路科學(xué)研究所， 北京　100088)

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鋼筋混凝土拱橋使用現(xiàn)狀及其可靠性評估進展

李宏江， 張勁泉， 劉漢勇， 程壽山， 吳寒亮， 張守祺， 楊昀

(交通運輸部公路科學(xué)研究所， 北京100088)

[摘要]鋼筋混凝土拱橋是我國拱橋的主要結(jié)構(gòu)形式之一，而其中的箱型拱橋最具發(fā)展?jié)摿ΑＪ艿胶奢d、材料及環(huán)境等因素的作用，現(xiàn)役鋼筋混凝土拱橋的可靠性問題日益突出。為摸清我國現(xiàn)役鋼筋混凝土拱橋的使用現(xiàn)狀，并闡明其可靠性評估方面的進展情況，在文獻調(diào)研及對已有成果梳理的基礎(chǔ)上，簡要介紹了鋼筋混凝土拱橋的建造情況，以箱型拱橋為例闡明了幾類較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性病害特征，著重剖析了我國鋼筋混凝土拱橋可靠性評估技術(shù)的主要特點。研究表明，基于可靠性理論的評估方法已在實際工程中有所應(yīng)用，但多側(cè)重于主拱圈的安全性評定，而結(jié)構(gòu)體系的可靠性評估目前手段還相對匱乏，耐久性評估嚴(yán)重滯后，目標(biāo)可靠指標(biāo)的取值目前也缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。箱型拱橋的可靠性評估中，應(yīng)加強永久作用效應(yīng)推斷、橋道梁(板)更換準(zhǔn)則、吊桿的疲勞可靠性等方面的研究，這不僅具有重要的理論意義，而且具有廣泛的工程應(yīng)用前景和重大的社會經(jīng)濟效益。

[關(guān)鍵詞]鋼筋混凝土； 拱橋； 可靠性； 評估； 安全性； 耐久性

0前言

拱橋在我國有著悠久的歷史，由于它具有結(jié)構(gòu)形式多樣、造型美觀、剛度大等特點，長期以來一直是我國的主要橋型之一。即便是在橋型選擇日益豐富的近20 a大建設(shè)時期，拱橋在我國仍有大量的修建，并在設(shè)計、施工等方面取得了舉世矚目的成就。按主拱圈材料劃分，我國現(xiàn)役拱橋主要有圬工拱橋(主要指石料、素混凝土、磚等材料建造的拱橋)、鋼筋混凝土拱橋、鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋。目前這4類拱橋的跨徑紀(jì)錄均在中國，它們分別是主跨146 m的山西丹河新橋(石拱橋)、主跨420 m的萬縣長江公路大橋(鋼筋混凝土拱橋)、主跨530 m的波司登長江大橋(鋼管混凝土拱橋)和主跨552 m的重慶朝天門大橋(鋼拱橋)[1]。值得注意的是，預(yù)計2015年完工的阿聯(lián)酋的賽義德大橋(Saeed Bridge，鋼拱橋)其主跨達667 m，建成后將成為世界上最大跨度的拱橋。隨著社會的發(fā)展與橋梁技術(shù)水平的提高，曾經(jīng)是主要橋型的圬工拱橋在我國的修建日益減少，而鋼管混凝土拱橋、鋼拱橋、鋼筋混凝土拱橋是我國近些年來最主要的三大類拱橋。鋼管混凝土拱橋從1990年四川旺蒼東河大橋(凈跨115 m的下承式系桿拱橋)建成以來，短短的20多a時間修建的數(shù)量超過350座，平均每年建造約18座，發(fā)展速度很快[2，3]。鋼拱橋在2000年以前發(fā)展緩慢，而在2000年以后，則有明顯的增加，其跨徑也不斷增大，有著較大的應(yīng)用前景，但修建數(shù)量還是較少的，且一般都用于大跨度拱橋中，平均跨徑達到216 m[4]，據(jù)文獻[2]的統(tǒng)計，我國目前已建鋼拱橋近40座。相比之下，鋼筋混凝土拱橋不僅建造歷史悠久，而且數(shù)量上比上述兩類拱橋要多，在我國公路交通發(fā)展中已經(jīng)和正在扮演著重要的角色。為此，筆者介紹鋼筋混凝土拱橋的建造情況和以箱型拱橋為代表的在役鋼筋混凝土拱橋的典型病害，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了鋼筋混凝土拱橋可靠性評估的技術(shù)現(xiàn)狀，以供參考。

1鋼筋混凝土拱橋的使用現(xiàn)狀

1.1建造情況

從世界范圍的拱橋現(xiàn)狀來看，鋼筋混凝土拱橋應(yīng)用最廣。1942年，西班牙跨度210 m的埃斯拉(Esla)鐵路橋建成，鋼筋混凝土拱橋跨度首次躍上200 m大關(guān)。此后，1964年建成的澳大利亞悉尼的格萊茲維爾(Gladesville)橋，跨度達304.8 m，為第一座跨度上300 m大關(guān)的鋼筋混凝土拱橋[5]。1997年中國萬縣長江公路大橋建成，主跨達420 m，使鋼筋混凝土拱橋的跨度達到400 m以上。筆者在總結(jié)文獻[2]、文獻[6-8]基礎(chǔ)上，又補充搜集了世界范圍內(nèi)50余座主跨超過200 m的鋼筋混凝土拱橋，如表1所列。

由表1可看到，中國的鋼筋混凝土拱橋無論是在數(shù)量上還是在跨度規(guī)模上均名列世界第一，其后是日本和克羅地亞。實際上，我國的鋼筋混凝土拱橋首先是在鐵路橋上出現(xiàn)的[9]，20世紀(jì)60年代鋼筋混凝土拱橋才逐漸成為我國公路交通的主導(dǎo)橋型，曾先后出現(xiàn)過雙曲拱、剛架拱、桁架拱及預(yù)應(yīng)力桁式組合拱等結(jié)構(gòu)形式。然而，這些拱橋在長期使用中暴露出整體剛度差、易開裂等缺點，后來就較少采用了。20世紀(jì)70年代開始，隨著無支架施工技術(shù)的成熟，我國又開始修建箱型拱橋(包括箱板拱橋(為上承式)和箱肋拱橋(分中承式和上承式兩種))。四川省首先提出了箱型拱橋的設(shè)想，并于1970年試建成功第一座箱型拱橋[10]。1972年四川省建成首座跨度大于100 m的箱型拱橋，即攀枝花新莊大橋(亦稱3006橋，其主跨達146 m)，1979年又建成了著名的馬鳴溪大橋，其跨徑達到150 m。此后的幾年間，箱型拱橋便迅速在重慶、云南、貴州、廣西等其它省份發(fā)展起來。根據(jù)文獻[2]的調(diào)查結(jié)果，我國已建箱型拱橋300余座。筆者也初步統(tǒng)計了國內(nèi)主跨大于100 m的箱型拱橋達163座，其中主跨大于150 m的箱型拱橋52座，而這其中箱板拱橋形式占到半數(shù)以上。

總的來看，鋼筋混凝土拱橋家族中，雙曲拱橋、剛架拱橋、桁架拱橋、預(yù)應(yīng)力桁式組合拱橋?qū)贊u趨淘汰或發(fā)展受限的橋型，而箱型拱橋卻表現(xiàn)出了強大的生命力，不僅數(shù)量越來越多，而且也成為目前跨徑500 m以下拱橋的最具競爭力的結(jié)構(gòu)形式之一。另外，鋼筋混凝土拱橋在鐵路上的應(yīng)用也已取得了突破性發(fā)展。正在建設(shè)的貴州北盤江特大橋、云南南盤江特大橋、貴州夜郎河特大橋、云南瀾滄江特大橋均為300 m以上的特大跨徑鋼筋混凝土拱橋，其中貴州北盤江特大橋的跨徑達到了445 m，將超越重慶萬縣長江公路大橋而成為世界上最大跨度的鋼筋混凝土拱橋。

1.2運營期典型病害

箱型拱橋是目前我國大跨度鋼筋混凝土拱橋的主導(dǎo)橋型，下面重點以箱型拱橋為例，介紹鋼筋混凝土拱橋在運營期所出現(xiàn)的典型病害特征。

表1 世界范圍內(nèi)已建的鋼筋混凝土拱橋(跨徑大于200m)Table1 Existingreinforcedconcretearchbridgesintheworld(greaterthan200minspan)序號橋名所屬國家跨徑/m建成年1重慶萬縣長江公路大橋中國42019972Krk1號橋(KRK大橋主跨)克羅地亞39019803AlmonteRailwayBridge西班牙38420134四川廣元市昭化嘉陵江大橋中國36420125貴州江界河大橋中國33019956Colorado河橋(胡佛大橋)美國32320087廣西邕寧邕江大橋中國31219968GladesvilleBridge澳大利亞304.819649RioParanaBridge(友誼橋)巴西290196410InfanteD.HenriqueBridge(亨利克橋)葡萄牙280200311BloukransBridge(布洛克蘭斯橋)南非272198312ArrabidaBridge(阿拉比迪橋)葡萄牙270196413FroschgrundseeViaduct德國270201014GrümpenViaduct德國270201115富士川橋(FujikawaBridge)日本265200516Sand?Bridge(桑多橋)瑞典264194317RanceRiverBridge(里斯河大橋)法國261199018Río河高架橋西班牙261200919天翔大橋日本260200020TakamatuBridge(高松大橋)日本260200021BrückederSolidarit?t德國255.9195022KishiwadaBridge日本255199323LosTilosArchBridge西班牙255200424RioAlmonteBridge西班牙255200525WildGeraViaduct德國252200026ChateaubriandBridge法國250199127ImariBayBridge日本250199128Svinesund2號橋瑞典/挪威247200529Sibenik橋(希貝尼克公路橋)克羅地亞246.4196630BarelangBridge印尼245199831Krk2號橋克羅地亞244198032四川宜賓小南門橋中國240199033別府明礬橋日本235198934FiumarellaBridge意大利231196135ZaporozeBridge烏克蘭228195236RioZezereBridge葡萄牙224199337KyllValleyBridge德國223199938河南許溝大橋中國220200139頭島大橋日本218200340NoviSadBridge塞黑211196141EslaBridge西班牙210194242GalenaCreekBridge美國210201243LingenauerBridge奧地利210196744福建寧德行對岔特大橋中國205200745福建天池特大橋中國205200746宇佐川橋日本204198247Krka河橋(Skradin河橋)克羅地亞204200448MorbihanBridge法國201199549PfaffenbergZwenbergBridge奧地利200197150MaslenicaBridge克羅地亞200199751池田大橋日本200200052重慶涪陵烏江大橋中國2001989

箱型拱橋通?？缍容^大，屬大跨徑橋梁范疇[11]。區(qū)別于中小跨度的鋼筋混凝土拱橋，箱型拱橋的主拱圈因抗彎、抗剪、抗壓等強度不足而開裂的問題并不突出，大多數(shù)病害主要產(chǎn)生在拱上排架、橋道板(梁)、吊桿等部位[12]。據(jù)文獻[6]對我國西南地區(qū)已建箱型拱橋的統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果及筆者所掌握的實橋檢測結(jié)果，較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性病害有如下幾種：

① 主拱軸線偏離過多，突出表現(xiàn)為拱頂下沉。例如，成渝高速公路(四川段)上的內(nèi)江沱江特大橋(箱肋拱橋，主跨100 m)和球溪河大橋(箱板拱橋，主跨110 m)的拱頂相比于設(shè)計線形分別下沉了9.68 cm和16.80 cm，分別約為其凈跨徑的1/1 030和1/650。造成主拱軸線顯著偏離的原因除建橋期施工控制不嚴(yán)外，主要有運營期的墩臺變位、混凝土收縮徐變等。大跨徑拱橋在恒載作用下其主拱圈通常處于受壓狀態(tài)，且壓應(yīng)力數(shù)值較大，主拱軸線發(fā)生一定程度的偏離并未引起主拱圈開裂，但偏離過多可能會造成主拱圈的承載性能下降[13]。另外，運營期主拱線形的變化通常也是造成拱上建筑開裂的重要原因。

② 橋道梁(板)開裂。箱型拱橋的行車道系常為空心板或T梁等，橋道梁(板)若為連續(xù)體系，則在立柱位置處梁體上緣可能會產(chǎn)生裂縫；若橋道梁(板)為多跨簡支體系，則支承處的橡膠支座有可能產(chǎn)生局部脫空現(xiàn)象[14]。這些病害的存在嚴(yán)重影響了橋梁的安全服役能力，橋道梁(板)的改造更換問題日益突出。

③ 吊桿損傷乃至斷裂。中承式箱肋拱橋中，吊桿是連接橋面系與主拱肋、傳遞橋面系恒載與活載的傳力構(gòu)件，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全，特別是短吊桿斷裂現(xiàn)象日益受到關(guān)注[15]。建于1990年的四川宜賓小南門橋為跨徑240 m的箱肋拱橋，2001年11月7日晨4：30左右共有4對8根短吊桿在與橫梁相連部位突然斷裂，致使4片橫梁及相連的橋面板、人行道墜落江中。該橋共17對豎直單吊桿，采用21×7Φ5鋼絞線，XM15-21型錨具，硫磺砂漿填充，設(shè)計安全系數(shù)2.4。有關(guān)分析表明，在溫度、車輛制動力、沖擊力等荷載作用下，橋面存在較大的水平位移。和跨中長吊桿相比，剛性較大、固有頻率較高的短吊桿受到的剪切力更大，其下端處于反復(fù)彎剪狀態(tài)。久而久之汽車沖擊荷載作用導(dǎo)致吊桿護筒和筒內(nèi)砂漿斷裂，使鋼絞線(或高強鋼絲)受到大氣和雨水的直接侵蝕，發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕[16，17]。

受到疲勞和應(yīng)力腐蝕的作用，現(xiàn)役拱橋吊桿破斷的壽命統(tǒng)計僅為10 a左右[18]，因此在橋梁服役期內(nèi)，吊桿將多次拆換或破斷，這引發(fā)了人們對拱橋吊桿可靠性的憂慮，吊桿的破損安全性能、吊桿斷裂對主體結(jié)構(gòu)性能的影響以及吊桿的使用壽命評估等方面的研究愈發(fā)受到重視[19-24]。另外，吊桿更換技術(shù)也已經(jīng)在一些拱橋上有所應(yīng)用[25]。

④ 連接構(gòu)造質(zhì)量不良或嚴(yán)重開裂。這些連接構(gòu)造主要包括拱上立柱與主拱圈的連接、拱箱縱向分段預(yù)制接頭、箱板拱橋主拱箱之間的橫向聯(lián)結(jié)系及橫隔板、箱肋拱橋肋間系梁與拱肋的結(jié)合部等。其常見病害表現(xiàn)為連接端或結(jié)合部附近混凝土開裂、剝落、露筋、連接鋼板銹蝕等，這些病害使拱跨結(jié)構(gòu)的整體性受到削弱，甚至?xí)?dǎo)致構(gòu)件之間的連接功能喪失，從而引發(fā)局部構(gòu)件的失效。

⑤ 基礎(chǔ)沖刷與墩臺變位?；A(chǔ)沖刷是橋梁破壞的主要因素之一。因為流水可以帶走橋基處的泥沙，使橋基變淺，進而造成橋基位移破壞或者橋梁的傾斜。據(jù)Shirhole和Holt的調(diào)查統(tǒng)計，美國20世紀(jì)60年代到80年代的近30 a的時間里，發(fā)生的1 000項橋梁倒塌事故中，有60%是由于流水沖刷對橋梁基礎(chǔ)的破壞造成的[26]。在拱橋設(shè)計時，通過選擇與上部結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的一般沖刷及局部沖刷深度值來控制基礎(chǔ)埋深，以減少或避免基礎(chǔ)受流水沖刷。然而，由于施工時基礎(chǔ)埋深不足或基礎(chǔ)防護不到位，河流常年開采砂石，或者河床變遷、水流流速變大，都會導(dǎo)致基礎(chǔ)遭受流水的直接沖刷。隨著長期的流水沖刷，基礎(chǔ)下地基被掏空，進而引發(fā)其他病害，最典型的就是墩臺變位。

墩臺變位對主拱圈的受力影響很大，特別是水平位移。由于墩臺、基礎(chǔ)存在較多的不確定性因素，在設(shè)計中一般取的安全系數(shù)較大，出現(xiàn)墩臺滑移、傾覆失效的概率也不大，然而，實際情況是，一些箱型拱橋使用過程中還是出現(xiàn)了墩臺基礎(chǔ)發(fā)生位移的情況。例如，國道318線上的西藏尼木大橋(箱板拱橋，凈跨徑110 m)的拱頂相比于設(shè)計線形下沉了11.45 cm，約為其凈跨徑的1/960，伴隨著拱頂下沉，跨徑也有所增大。對該橋的病害成因分析結(jié)果表明，除主拱圈斷面偏小和混凝土收縮徐變因素外，橋臺在較大的水平推力下因抗傾覆和抗滑移能力不足發(fā)生位移是主拱拱頂下沉重要原因[27]。有觀測資料分析，在兩拱腳的相對水平位移Δh>L/1 200((L為計算跨徑))時，拱的承載能力就會大大降低，甚至破壞[28]。

上述這些病害導(dǎo)致了相當(dāng)數(shù)量的鋼筋混凝土拱橋的承載能力不足、使用功能退化或耐久性降低，以箱型拱橋為代表的在役鋼筋混凝土拱橋的可靠性問題已成為工程界關(guān)注的熱點。

2鋼筋混凝土拱橋可靠性評估技術(shù)現(xiàn)狀

可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力，它包括安全性、適用性和耐久性[29]。所謂評估，就是利用特定信息，分析在役橋梁的可靠性并做出工程決策的過程。由此，可靠性評估通常包括安全性評估、適用性評估及耐久性評估。安全性評估是對結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)的評估，即承載力評估或強度評估；適用性評估是對結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的評估；耐久性評估主要指材料強度和結(jié)構(gòu)損傷的評估，其結(jié)果為安全性和適用性的評估提供重要信息。

傳統(tǒng)的橋梁評估方法主要有變權(quán)綜合評定法、分析計算法及荷載試驗法[30]。現(xiàn)行的《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG H11-2004)即是采用了變權(quán)綜合評定法，而《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)[31]則是提供了分析計算評估方法，荷載試驗法多用于橋梁實際工作狀態(tài)不明確情況下的結(jié)構(gòu)性能評定，以彌補根據(jù)外觀檢查的評定和以分析計算為主的評定的不足。上述這些方法基本上屬于確定性評估方法。由于影響在役橋梁可靠性的不確定性因素較多，采用確定性評估方法進行評估往往有其不足之處，而基于可靠性理論的評估方法卻是今后的發(fā)展趨勢，它是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，將影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種因素視為隨機過程或隨機變量，采用失效概率Pf或可靠指標(biāo)β來度量結(jié)構(gòu)可靠性的一種概率評估方法，是隨著可靠度理論在工程中的應(yīng)用而逐漸發(fā)展起來的、也是目前最為先進的主流評估方法?；诳煽啃岳碚摰脑u估方法能夠有效地把理論研究與現(xiàn)場經(jīng)驗聯(lián)系起來，同時也是應(yīng)用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的理論基礎(chǔ)。近年來，在世界范圍內(nèi)，既有結(jié)構(gòu)評估方面所取得的進步都是以結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎(chǔ)的。這種評估方法已引起了世界各國橋梁界的廣泛關(guān)注。美國AASHTO規(guī)范基本上制定了比較詳細(xì)的可靠性評估方法和流程，其“三荷載類別、二安全等級”的評估策略值得我國借鑒[32]，其評估荷載的等級分為設(shè)計荷載(Design Load)、法定荷載(Legal Load)和允許荷載(Permit Load)三個類別。在設(shè)計荷載評定時候，又分為了兩個安全等級，新橋等級(Inventory Level)和舊橋等級(Operating Level)，分別對應(yīng)3.5和2.5的可靠指標(biāo)。對舊橋而言，其評定流程為：首先利用設(shè)計荷載在新橋等級下進行評定，如果通過則表明該橋具備新建橋梁的安全等級；如通不過，則在舊橋等級的評估荷載下再次評定；如還不能通過，則在法定荷載下進行評定，法定荷載與橋梁上實際通行車輛的狀況有關(guān)，比設(shè)計荷載有明顯的減小，而允許荷載的評定則是為了給出橋梁允許通行的最大車輛荷載。這樣的一套多層次的評定方法，主要是為了既保證既有橋梁的運行安全，又保證盡可能地充分利用它們的承載能力。

無論是確定性評估方法，還是基于可靠性理論的評估方法，均屬在役橋梁的可靠性評估技術(shù)。就鋼筋混凝土拱橋而言，筆者總結(jié)、梳理與分析了現(xiàn)有研究成果，認(rèn)為其可靠性評估技術(shù)現(xiàn)狀具有如下特點：

① 與梁式橋相比，服役鋼筋混凝土拱橋的可靠性評估研究相對較少，僅有的研究多側(cè)重于基于承載能力極限狀態(tài)的安全性評定。

目前國內(nèi)外對在役橋梁可靠性評估的研究多集中于鋼筋混凝土梁式橋，以計算可靠指標(biāo)為核心，重點對其安全性或適用性進行評估[33-39]，而在鋼筋混凝土拱橋的可靠性評估方面，相關(guān)的研究并不多，且主要集中在安全性評定方面。文獻[40-44]通過荷載試驗方法來評判箱型拱橋的安全性或橫向整體性。文獻[45]針對現(xiàn)役剛架拱橋出現(xiàn)的典型病害，利用基于層次分析及專家評估的變權(quán)綜合系數(shù)法對一實際病害橋梁結(jié)構(gòu)進行了安全性評估。文獻[46]總結(jié)了6座主跨80～180 m的桁式組合拱橋的病害檢查情況與技術(shù)狀況評估結(jié)果，并采用荷載試驗方法評定其承載能力。文獻[47]以1989年建成的甘青公路享堂大通河大橋(箱板拱橋，跨徑60 m)為背景，采用外觀檢查、荷載試驗、有限元計算以及相關(guān)評估規(guī)范等多種評定方法相結(jié)合的綜合方法對大橋的安全性進行評定。文獻[48]以拱式結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件(即主拱肋)為分析對象，建立基于承載能力極限狀態(tài)的功能函數(shù)，利用改進的一次二階矩法(即驗算點法)計算其可靠指標(biāo)，結(jié)合一座主跨90 m的服役鋼筋混凝土肋拱橋給出了計算過程。文獻[49-51]著重對在役雙曲拱橋的安全性進行評定，主要是采用驗算點法計算控制截面的可靠指標(biāo)，并與原設(shè)計的目標(biāo)可靠指標(biāo)相比較來評估主要承重構(gòu)件(即主拱圈)的安全性。

不難看出，采用確定性評價方法對在役鋼筋混凝土拱橋進行安全性評估在工程應(yīng)用方面相對較多，而基于可靠性理論的評估方法的工程實用性研究還有待加強。另外，鋼筋混凝土拱橋的失效不一定要倒塌來體現(xiàn)，大多數(shù)情況可能會表現(xiàn)為喪失適用性。因此，基于正常使用極限狀態(tài)的適用性評估也應(yīng)成為鋼筋混凝土拱橋可靠性評估的重要內(nèi)容之一，而目前這方面的研究就更少了，其理論方法尚不成熟，統(tǒng)計資料也不充分，但已逐漸引起重視。

② 基于可靠性理論的評估技術(shù)主要體現(xiàn)在構(gòu)件層次上，對橋梁結(jié)構(gòu)體系的評估尚存在較大困難。

與梁式橋相比，組成鋼筋混凝土拱橋的構(gòu)件相對較多，包括承載車輛運行的橋道梁(板)、作為主要承重構(gòu)件的主拱圈、作為傳力構(gòu)件的拱上立柱(或吊桿)、作為連接構(gòu)件的拱肋橫系梁(或拱箱橫向聯(lián)結(jié)系和橫隔板)以及墩臺與基礎(chǔ)等，受力性質(zhì)不同的諸多構(gòu)件其達到各自極限狀態(tài)的壽命各有長短，承載能力也各不相同。保守的觀點認(rèn)為，整座橋的可靠性是由其破壞對整個結(jié)構(gòu)影響程度最大的構(gòu)件來決定的，由此對整個結(jié)構(gòu)體系的可靠性評估可通過分析結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的可靠性來實現(xiàn)。這樣做的結(jié)果，往往是結(jié)構(gòu)體系中某個最薄弱構(gòu)件或截面就決定了整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度水平。實踐證明，這樣的結(jié)果通常是過于保守的。對超靜定體系而言，單個構(gòu)件的失效不一定導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失使用功能或承載能力，體系的可靠度通常會高于構(gòu)件的可靠度[52-54]，因此，采用保守的觀點對體系可靠性進行粗糙的評估很容易導(dǎo)致不必要的維修或加固，從而影響資金的合理使用，故采用體系可靠度理論分析整座橋梁的可靠性更為合理。

目前的基于可靠性理論的評估技術(shù)還只能停留在構(gòu)件水平上，而對于結(jié)構(gòu)體系的評估，往往是作為一個串聯(lián)系統(tǒng)來對待。經(jīng)驗表明，構(gòu)件的不同失效次序以及由此構(gòu)成的不同失效模式對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的預(yù)測是有影響的。因此，目前對于體系可靠度的研究主要采用失效模式法，包括尋找主要失效模式和計算結(jié)構(gòu)體系失效概率兩方面內(nèi)容。尋找失效模式的方法總體上可分為確定性搜尋法(如荷載增量法)和概率搜尋法(如分支-約界法、β約界法、截至枚舉法、線性規(guī)劃法等)[55]。雖然如此，現(xiàn)有的系統(tǒng)可靠度理論在工程應(yīng)用上仍有相當(dāng)大的難度，與工程實際的迫切要求不相適應(yīng)，其原因在于，橋梁結(jié)構(gòu)由于構(gòu)件數(shù)量多、組成形式多樣，且各主要作用如車輛荷載、溫度作用等均具有復(fù)雜的時空概率分布特征，因而其變量維數(shù)很高且失效模式繁多，其失效方程往往是眾多隨機變量的復(fù)雜函數(shù)，從數(shù)學(xué)求解的難度和工作量上來說都是非常大的。目前對橋梁進行可靠度分析僅僅集中在失效方程為簡單函數(shù)的情形[56]。

出于問題的復(fù)雜性，在役鋼筋混凝土拱橋的可靠性評估大多采用評級的處理手段，而不是直接計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度。就這種評級方法而言，目前使用上比較成熟的是一種分層綜合結(jié)構(gòu)，即將結(jié)構(gòu)整體分割成相對獨立的部分(這種分割可以按結(jié)構(gòu)，也可以按功能)，然后按各自的指標(biāo)進行分塊評估，再針對適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)聚合成整體的評價，這一過程中的基本假設(shè)是整體結(jié)構(gòu)(功能)的可分性和相對獨立性。文獻[57]以桂林雉山橋(鋼筋混凝土肋拱橋，凈跨徑56 m)為背景，應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠度理論和層次分析法，建立拱橋系統(tǒng)可靠度層次分析模型，分析構(gòu)件失效與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效之間的關(guān)系，引入構(gòu)件的概率重要性系數(shù)，導(dǎo)出拱橋系統(tǒng)可靠度指標(biāo)的實用計算方法。文獻[58]應(yīng)用基于層次分析法的多級模糊綜合評判原理建立了拱橋安全性綜合評估的數(shù)學(xué)模型，并以一座跨徑65 m的雙曲拱橋為例給出了較為詳細(xì)的評估過程。

由此看來，蓋因體系可靠性評估問題的復(fù)雜性，單純采用可靠度方法來解決通常是狹隘和片面的，而模糊數(shù)學(xué)、灰色理論等其它數(shù)學(xué)方法的解決方案不應(yīng)被完全排斥，這是由于結(jié)構(gòu)失效模式或失效路徑復(fù)雜、直接求解體系的失效概率或可靠指標(biāo)難以實現(xiàn)等困難所決定的。由此就不難理解眾多學(xué)者采用層次分析法、模糊綜合評價法等對橋梁結(jié)構(gòu)體系可靠性進行評估的真正原因了。嚴(yán)格來講，可靠性并不完全等同于可靠度，可靠度是解決可靠性的主流數(shù)學(xué)方法，它在解決構(gòu)件層次的可靠指標(biāo)計算方面具有顯著的優(yōu)勢，但并不是解決可靠性問題的唯一方法，特別是在評估在役橋梁結(jié)構(gòu)體系的可靠性方面。

③ 以獲得剩余使用壽命為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)耐久性評估研究明顯滯后。

耐久性評估主要是根據(jù)材料老化機理對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)做出合理的耐久性評價，它表示符合“在正常維護下，具有足夠的耐久性能”的功能要求[59]。通常，耐久性評估的最終目標(biāo)是獲得剩余使用壽命，從而為橋梁養(yǎng)護策略的制定提供科學(xué)的依據(jù)。耐久性評估通常分材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)3個層次[60]。目前材料層次的研究主要集中在混凝土碳化、鋼筋銹蝕、環(huán)境因素侵蝕等方面；在構(gòu)件耐久性評估方面相關(guān)的理論也較多，比較有代表性的包括碳化壽命理論、開裂壽命理論、承載力壽命理論和經(jīng)濟壽命理論等，但在橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性分析與鑒定方面目前還處于起步階段。由于結(jié)構(gòu)的耐久性是一個由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)失效的復(fù)雜性給研究工作帶來諸多困難。對現(xiàn)役的鋼筋混凝土拱橋而言，其剩余使用壽命的預(yù)測除依據(jù)主要承重構(gòu)件的評估結(jié)果外，還要考慮到墩臺、基礎(chǔ)以及各個構(gòu)件連接的可靠性對使用壽命的影響。

目前耐久性評估的主要方法包括層次分析法、模糊綜合評判法、灰色理論綜合評判法、基于可靠性理論的評定方法等[61-64]?；诳煽啃岳碚摰哪途眯栽u估方法就是將抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)均視為隨機過程，應(yīng)用時變可靠度(或動態(tài)可靠度)原理，建立可靠指標(biāo)與時間的關(guān)系，認(rèn)為可靠指標(biāo)衰減到可接受的最小值或者失效概率增大到可接受的最大值的時間即為使用壽命。例如，文獻[65]基于時變可靠度理論，將隨機有限元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡羅法結(jié)合，提出評估在役橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的FNM法，對一座建成8 a、主跨為80 m的鋼筋混凝土拱橋進行時變可靠度分析，用來預(yù)測結(jié)構(gòu)需要維修加固的時間。然而，結(jié)構(gòu)時變可靠度求解涉及多重積分問題，尤其對于復(fù)雜系統(tǒng)所采用的簡化模式及理論基礎(chǔ)不同，計算時變可靠度的方法種類也各有優(yōu)缺點，難以被工程技術(shù)人員所理解和掌握，能否找到一種能適應(yīng)大多數(shù)結(jié)構(gòu)又易于掌握的、簡單、實用、有效的時變可靠度分析方法還有待進一步研究。另外，橋梁結(jié)構(gòu)工作環(huán)境復(fù)雜，其時變可靠性涉及影響因素繁多，材料耐久性退化、構(gòu)件抗力衰減預(yù)測等方面的研究成果的成熟度，決定著時變可靠度評估的準(zhǔn)確性，基于可靠性理論的耐久性評估方法在應(yīng)用到實際工程時仍存在較大困難。

文獻[66]以球溪河大橋(箱板拱橋，主跨110 m)為背景，將模糊綜合評價法引入到該橋的耐久性分析中，采用層次分析法確定各影響因素的權(quán)重，這也是目前應(yīng)用較多的一種方法。文獻[67]總結(jié)了影響混凝土雙曲拱橋耐久性的因素，考慮雙曲拱橋的構(gòu)造特點，亦采用層次分析法建立了評估在役雙曲拱橋耐久性的多層次模型，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)評估其耐久性。實際上，現(xiàn)有的這些方法雖然對于評價構(gòu)件耐久性是比較理想的，但在試圖推廣到評估結(jié)構(gòu)體系耐久性問題時，困難不僅僅是由于體系可靠度理論的不成熟，而且如何界定體系耐久性失效也存在很大爭議，導(dǎo)致耐久性評估技術(shù)研究明顯滯后于安全性評估。

④ 基于可靠性理論的評估方法中目標(biāo)可靠指標(biāo)的取值尚未達成共識，現(xiàn)有取值方法的合理性還有待復(fù)核，這也是所有類型的在役橋梁的可靠性評估中的共性問題。

首先要說明的是，這里所討論的目標(biāo)可靠指標(biāo)是相應(yīng)于構(gòu)件的，并非結(jié)構(gòu)體系的。在我國，擬建結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目標(biāo)可靠指標(biāo)在《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[68](GB/T 50283-1999)中己有明確規(guī)定，但評估在役橋梁與設(shè)計新橋梁不同。設(shè)計新橋梁時，為安全起見選用較大的目標(biāo)可靠指標(biāo)。但是，如果在對在役橋梁評估時仍采用此指標(biāo)，則可能拆毀或加固本來可以繼續(xù)安全運營的橋梁，那就會造成很大的浪費。當(dāng)然，若目標(biāo)可靠指標(biāo)取得偏小，橋梁運營時會存在較大的風(fēng)險。因此，合理的目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]是在役橋梁可靠性評估中的重要一環(huán)。

然而，在役橋梁構(gòu)件的目標(biāo)可靠指標(biāo)的取值尚未達成共識。根據(jù)己有研究成果，目標(biāo)可靠指標(biāo)一般可通過經(jīng)驗校準(zhǔn)法反演分析確定，即通過對現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范安全度的校核(反演計算)，找出隱含于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)構(gòu)件相應(yīng)的可靠指標(biāo)值，經(jīng)綜合分析和調(diào)整，據(jù)此制定今后設(shè)計采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)[69，70]。在現(xiàn)階段，從實用出發(fā)，這是一種切實可行的確定目標(biāo)可靠指標(biāo)的方法。目前各國均采用此法，即在承認(rèn)現(xiàn)行規(guī)范條件下的橋梁結(jié)構(gòu)可靠度在總體上是合理的、可以接收的基礎(chǔ)上，根據(jù)已經(jīng)被校準(zhǔn)過的公路橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)，經(jīng)過綜合分析和調(diào)整后確定今后公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]。加拿大、美國和一些歐洲國家以及國內(nèi)各工程結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范均采用這種方法確定目標(biāo)可靠指標(biāo)。文獻[71]采用可靠度校準(zhǔn)的方法來建立《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[72]中的檢算系數(shù)Z1與可靠指標(biāo)β之間的聯(lián)系，由于缺乏對目標(biāo)可靠指標(biāo)的規(guī)定，偏安全地采用了設(shè)計目標(biāo)可靠指標(biāo)來建立基于可靠性的橋梁構(gòu)件技術(shù)狀況分級標(biāo)準(zhǔn)。

《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[73](GB50290-1999)認(rèn)為，在役結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β小于0.85β0(β0可取《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(CB50153-2008)中給出的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的目標(biāo)可靠指標(biāo))時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不滿足安全性和使用功能要求，需采取一定的處理措施后才能繼續(xù)使用，即[β]=0.85β0。當(dāng)然，也有文獻建議在設(shè)計目標(biāo)可靠指標(biāo)基礎(chǔ)上減小0.5作為在役橋梁評估時的目標(biāo)可靠指標(biāo)[74]。美國的橋梁評估規(guī)范按照不同類型構(gòu)件確定目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]介于2.0～4.0之間[75，76]。

上述取值方法均是基于承載能力極限狀態(tài)的，而對于正常使用極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠指標(biāo)而言，其取值方法同樣也缺乏一致性。對于正常使用極限狀態(tài)，目標(biāo)可靠指標(biāo)一般都定得較低，文獻[77]建議[β]=1.0～2.0，而考慮到公路橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)依賴于許多因素，文獻[78]從裂縫寬度和撓度兩個主要因素進行研究，建議失效概率宜限定在5%～25%之間，相應(yīng)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)[β]為0.675～1.645?！豆饭こ探Y(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50283-1999)沒有明確給出正常使用極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠指標(biāo)，而《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068-2001)[79]規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)，根據(jù)其可逆程度宜取0～1.5。對比《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50283-1999)中關(guān)于目標(biāo)可靠指標(biāo)的相關(guān)說明，文獻[80]建議取1.0～2.5作為公路橋涵正常使用極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠指標(biāo)取值域。

另外，基于可靠性理論對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行耐久性評估時，同樣需要確定耐久性極限狀態(tài)下的目標(biāo)可靠指標(biāo)，文獻[81]以混凝土碳化失效極限狀態(tài)為主要研究對象，相應(yīng)的目標(biāo)可靠指標(biāo)取為2.0(相應(yīng)可靠概率為0.977)，這與該失效狀態(tài)過于保守有關(guān)。

3結(jié)論與建議

受到荷載與環(huán)境的作用以及材料退化等因素的影響，我國現(xiàn)役鋼筋混凝土拱橋的使用狀況不容樂觀，如何全面、客觀地評估這些橋梁，進而為橋梁管養(yǎng)部門提供更為科學(xué)有效的評估結(jié)論以指導(dǎo)其制定合理的養(yǎng)護策略是當(dāng)前橋梁工程領(lǐng)域的重大關(guān)鍵共性問題之一。隨著可靠度理論在工程中的應(yīng)用，鋼筋混凝土拱橋的可靠性評估技術(shù)也逐步建立與發(fā)展起來，突出表現(xiàn)在構(gòu)件層次的安全性評估方面。然而，鋼筋混凝土拱橋的可靠性評估的研究無論是在廣度上還是深度上遠(yuǎn)不如梁式橋。另一方面，鋼筋混凝土拱橋的可靠性評估又同梁式橋一樣，均有著不太成熟之處，突出表現(xiàn)在體系可靠性評估還不完善，耐久性和適用性的評估滯后于安全性評估，目標(biāo)可靠指標(biāo)尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以及相關(guān)的評估標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范體系尚未建立等問題。鑒于基于可靠性理論的評估方法是目前較為先進的橋梁評估手段，而鋼筋混凝土拱橋又是我國現(xiàn)役橋梁中較為典型的結(jié)構(gòu)形式，因此，今后我國應(yīng)加強相關(guān)的評估技術(shù)研究，為及早制定可靠性評估標(biāo)準(zhǔn)體系奠定前期科研基礎(chǔ)，這對保障我國橋梁安全持久運營至關(guān)重要，不僅具有重要的理論意義，而且具有廣泛的工程應(yīng)用前景和重大的社會經(jīng)濟效益。

箱型拱橋是我國大跨度鋼筋混凝土拱橋的代表形式，也是最具發(fā)展?jié)摿Φ墓皹蝾愋?，它的可靠性評估是我國在役橋梁可靠性評估的重要組成部分，其研究成果可為其它類型的鋼筋混凝土拱橋的評估提供依據(jù)和參照。為此，筆者就箱型拱橋的可靠性評估提出如下建議：

① 主拱圈的安全性評估應(yīng)重視永久作用效應(yīng)推斷問題。箱型拱橋的永久作用效應(yīng)占其使用期內(nèi)總作用效應(yīng)的比例往往較高，跨度越大，這一比例就越高，比如重慶萬縣長江公路大橋，其永久作用效應(yīng)能占到其總作用效應(yīng)的95%。此時，永久作用效應(yīng)的準(zhǔn)確估計似乎比研究車輛荷載的變異性其意義更大，可以說是直接制約著可靠性評估的有效性。就一座具體化了的箱型拱橋而言，如何利用檢測信息推斷永久作用效應(yīng)并將其反映在主拱圈的可靠指標(biāo)計算中是值得探究的問題。

② 利用梁式橋可靠性評估的研究成果，加強對箱型拱橋中橋道梁(板)的可靠性評估技術(shù)的研究，確立橋道梁(板)的可靠指標(biāo)體系和評估準(zhǔn)則，為橋道梁(板)的改造更換提供量化依據(jù)。

③ 加強對吊桿的疲勞可靠性評估的研究。傳統(tǒng)的靜力安全系數(shù)評定法難以反映吊桿破斷機制，應(yīng)力腐蝕條件下吊桿的疲勞可靠性評估是今后研究的重點。

④ 箱型拱橋耐久性評估不僅要考慮構(gòu)件的受力特點，還要考慮典型環(huán)境特征的作用。箱型拱橋中，除吊桿外，大多數(shù)構(gòu)件為鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，如主拱圈、拱上立柱、橋道梁(板)等，從受力性質(zhì)上來說，這些構(gòu)件大多與梁式橋的以受彎為主的構(gòu)件有所不同，除橋道梁(板)外一般為小偏心受壓構(gòu)件。另外，從箱型拱橋的地域分布特點來說，多數(shù)分布在西南地區(qū)，因而耐久性評估除考慮一般大氣環(huán)境的作用(如碳化)，還要重點考慮酸雨環(huán)境的作用(如酸蝕和硫酸鹽腐蝕的耦合作用)。

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The Current Service Status and Advances in Reliability Assessment of Existing Reinforced Concrete Arch Bridges

LI Hongjiang， ZHANG Jinquan， LIU Hanyong， CHENG Shoushan，WU Hanliang， ZHANG Shouqi， YANG Yun

(Research Institute of Highway， Ministry of Transport， Beijing 100088， China)

[Abstract]The reinforced concrete arch bridge is one of the main arch bridge structural types in China，and the box arch bridge is the most promising type in the reinforced concrete arch bridge family.Influenced by factors of load，materials and environment，the reliability of existing reinforced concrete arch bridges has become increasingly prominent.To find out the current service status of existing reinforced concrete arch bridges，and clarify some advances in reliability assessment of these bridges，based on literature research and the existing achievements in this field，construction conditions of these arch bridges were briefly introduced.Then features of some severe structural defects or diseases in box arch bridges were given.Finally，the main characteristics of the reliability assessment of reinforced concrete arch bridges were analyzed in detail.Research shows that，evaluation methods based on reliability theory have been used in practical engineering projects，but most of them focused on assessing the safety of these bridges，and the means for structural system reliability assessment were relatively scarce.At the same time，the study on durability assessment was seriously lagging behind.Besides，there were no uniform standards at the value of target reliability index.The future study on the reliability assessment of box arch bridges should be put emphasis on the estimation of effects of permanent actions，the replacement criteria of deck beams or slabs，and the fatigue reliability of suspenders，etc.These studies are not only of theoretical significance，but also have wide application prospect and great social and economic benefits.

[Key words]reinforced concrete； arch bridge； reliability； assessment； safety； durability

[中圖分類號]U 448.22

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0089—10

[作者簡介]李宏江(1973—)，男，河北遷安人，博士，研究員，主要從事服役橋梁可靠性評估與加固技術(shù)研究。

[基金項目]交通運輸部建設(shè)科技項目(2014318223030)

[收稿日期]2015—01—26