橋梁安全性評估方法研究

張浩 王瑞 吳鵬 熊家輪

摘要：城市交通對橋梁依賴很大，涉及面也很廣，所以對橋梁結構的安全性評估尤為重要。本文綜述了常用的幾種方法：外觀檢查評定法，基于規范的分析計算評定方法、靜動荷載試驗評定法、結構可靠度評定方法，并分析了每種方法的原理和優缺點，并指出需要解決的問題。

關鍵詞：橋梁結構；安全性評估；方法原理

中圖分類號：K928文獻標識碼： A

1.引言

橋梁是交通線路的咽喉要道，在國民經濟和人民生活中占有特殊的地位。然而，橋梁建成通車后，各種因素導致橋梁的承載能力在逐年降低。如果對這些存在結構損傷和安全隱患的橋梁不及時的檢測和評估，就不能及時對這些橋梁進行維修與加固，不僅會影響行車安全，甚至還會引發由于橋梁忽然坍塌、毀壞等災害事故。目前常用的橋梁安全性評估方法有4種：基于設計規范的分析計算評定方法、靜荷載試驗評定法、動荷載試驗評定方法、結構可靠度評定方法。所以選一種可靠的方法尤為重要。

2.常用評估方法原理及優缺點

2.1基于設計規范的分析計算評定方法

（1）原理及方法[2]

在對橋梁進行詳細的外觀檢查并得到資料后，根據橋梁結構計算理論分析比較。除考慮實際橋梁調查狀況外，橋梁實際的混凝土強度、鋼筋有效面積、實際保護層厚度等影響承載力的參數也要考慮。對結構的荷載效應和抗力效應進行修正,根據修正后結構的荷載效應和抗力效應,依據承載能力極限狀態的設計理論對結構進行驗算,從而評定橋梁實際的承載能力水平,以其結果對現役橋梁結構進行評定。

鋼筋混凝土及預應力混凝土結構驗算公式如下：

（2-1）

式中：Sd——結構作用的效應函數；

G、γg——結構永久作用及結構永久作用（結構恒載）、永久作用系數；

Q、γq—— 結構可變作用及結構永久作用中的混凝土收縮、徐變影響力，基礎變為影響力、結構可變作用系數；

Rd、γb——結構抗力函數、結構工作條件系數；

Rc、γc——混凝土強度設計值、混凝土材料安全系數；

Rs、γs——預應力鋼筋或非預應力鋼筋強度設計值、鋼筋材料安全系數；

Z1——舊橋驗算系數；

（2）優缺點

橋梁設計規范是指導橋梁設計的標準,這是基于工程力學、結構力學理論、結構試驗結果和工程經驗所得到的標準。因此這種方法具有堅實的理論基礎和廣泛的實踐依據。

但是基于設計規范的分析計算評定方法有不少缺陷：由于沒考慮各種因素在截面上引起的應力重分布，所以荷載效應與實際情況還有很多不同；在去Z1的時候，工程師的主觀性比較大；模型的假定與橋梁實際狀況有差異。

2.2靜荷載試驗評定法

（1）原理及方法[1]

利用靜載試驗來實測橋梁結構控制截面的位移、應變、裂縫等參數,然后與規范容許值相比較,由此推算對應于荷載等級的承載能力狀態。靜載試驗獲得的荷載效應與結構整體剛度和荷載的橫向分布規律比較真實,因此其檢測結果反映橋梁結構的實際工作狀態,其可信度相當高。

①試驗荷載效應值

式中:Ss——靜荷載試驗荷載作用下控制截面效應計算值；

S——控制荷載作用下控制截面最不利效應計算值；

μ——按規范采用的沖擊系數。

②結構校驗系數 [1]

式中:Se——試驗荷載作用下實測值；

St——試驗荷載作用下的理論計算值;

③相對殘余變形

相對殘余變形=

式中:Sp——試驗荷載作用下殘余變形值；

St——試驗荷載作用下的理論計算值。

④橋梁承載力的確定

當靜載試驗項目比較完整時,可采用靜載試驗中主要撓度測點的校驗系數η來評定結構的承載力。驗算時用靜載試驗后的舊橋驗算系數Z2代替Z1,對橋梁結構抗力效應應該折減或提高。

根據校驗系數η得到橋梁驗算系數Z2取值范圍[2]。

（2）優缺點

靜荷載試驗評定法，節省了檢測評定中在橋梁上作業的時間，不會造成太久的交通擁堵。對于理論上難以計算的部位，通過荷載試驗可以直接達到了解橋梁工作狀況的目的，也可以檢驗橋梁的設計與施工質量。但是在進行校驗系數的計算的時候有幾個不足之處：

（1）一般理論模型都趨于簡單，通常都簡化為平面問題，忽略了空間整體作用。

（2）由于施工、運營等因素的影響，模型的幾何尺寸和邊界條件與實際情況都有差異，所以只能得到一個近似的結果。

（3）未考慮材料相互間的摩擦力（如支座摩阻力對結構受力的影響）等。

2.3動荷載試驗評定方法

（1）原理及方法[3]

多跨連續梁是線性多自由度體系，在外荷載作用下產生振動，這個過程可以用一個時間函數來描述，將任意時間的值作為一組抽樣記錄，這樣的函數只能從統計的觀點來描述。隨即函數最主要的統計數字是他的平均值、均方值和方差。

從而求得n為振型序號。與正規坐標線性關聯的任何反應量z（t）都可以利用關系式：

求得系數Bn（n=1，2，…）有標準分析法得出。

（2）優缺點

橋梁動力荷載試驗能夠得到橋梁結構的模態參數及強迫振動響應，結果準確，可靠，能夠利用其結果來判斷橋梁的健康狀況，為橋梁的評估提供依據。但是這種方法對儀器的靈敏度要求較高，結果受設備的性能限制較大[3]。

2.4結構可靠度評定方法

（1）原理及方法

在早期的結構可靠度分析中，利用隨機變量的平均值（一階原點矩）和標準差（二階中心矩）的數學模型分析結構的可靠度，并將極限狀態功能函數Z=g（X1,X2,…,Xn）在平均值（即中心點上）用級數展開，使之線性化，然后求解可靠度，這就是一次二階矩中心點法的基本原理[4]。

（2）優缺點

中心點法可以導出解析表達式，直接給出可靠指標β與隨機變量統計參數之間的關系。當結構的可靠指標β較小時，即失效概率Pf較大時，Pf值對功能函數的概率分布類型不敏感。

但是該法的誤差將隨著線性化點到失效邊界的距離的增大而增大。一般來說，該法選用的線性化點（平均值點），在可靠區而不在失效邊界上。顧該法適用于基本變量服從正太或對數正態分布，且結構可靠度指標β為1～2的情況[5]。

3. 結語

基于橋梁信息的安全評估可以準確地評估橋梁的承載能力和安全性能，并充分提高橋梁的使用效率，為橋梁損壞的程度提出預警。這樣就防止了橋梁的垮塌事故，延續了橋梁的壽命，對城市的交通具有重要的意義。

但是上述提到的依據橋梁外觀來評定的方法中，人為因素較多，單靠專家的經驗來評定具有一定的主觀性；在基于規范的分析計算中，荷載效應修正系數和抗力效應修正系數的得來也存在一定的問題，一下這一點和靜載試驗存在一樣的確定，就是模擬出的與實際情況存在較大的差異；而動荷載試驗法則是耗費大量精力，設備還要受到限制。

橋梁靜動荷載試驗中，應注意：（1）各部分損傷嚴重的截面和病害嚴重的構件；（2）對懸索橋做靜荷載檢測時應對主纜索力、吊索索力、塔頂位移進行檢測；（3）進行加載檢測時，應針對取得的數據制定各種不同的工況。

參考文獻：

[1] 潘旭東.現役鋼筋混凝土梁橋結構安全性評估方法研究[D] 南京工業大學 2006，06，01 .

[2] 艾軍,史麗遠，喬光華等. 現有公路橋梁承載力的分析與評定[J]蘇州城建環保學院學報 2000,09,30.

[3] 王自彬,岳渠德，趙金環，陳建強.動力荷載試驗在橋梁檢測評估中的應用[J] 青島理工大學學報 2007,02,2

[4] 禹智濤，韓大建.結構可靠度分析的優化算法[J]華南理工大學學報 2003（4）.

[5] 楊偉軍，趙傳智.土木工程結構可靠度理論與設計[M]北京：人民交通出版社，1999.