中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
作為現(xiàn)代交通的咽喉，橋梁在其運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)部件的逐漸老化、車載交通量的增加、惡劣環(huán)境因素的影響、維護(hù)管理的缺失，使得一些橋梁不可避免地出現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)性損傷狀況。這將導(dǎo)致橋梁的承載力和材料的耐久性能不斷降低，服務(wù)性能亦難以滿足規(guī)定的要求。橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)估，既考量橋梁各組成構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度等方面是否滿足現(xiàn)有運(yùn)輸荷載的要求，同時(shí)又對(duì)其能否適應(yīng)未來(lái)的交通荷載的增長(zhǎng)作出評(píng)定。橋梁的承載能力與橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等技術(shù)性能有關(guān)，對(duì)其進(jìn)行評(píng)定旨在弄清結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全狀況，避免橋梁在營(yíng)運(yùn)中發(fā)生災(zāi)難性的后果。
借“他山之石”定原則
顧名思義，橋梁承載能力為橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載作用的能力，是衡量橋梁結(jié)構(gòu)所能承受的最大使用負(fù)荷的關(guān)鍵安全指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)定性等多方面性能指標(biāo)的綜合反映。
目前我國(guó)公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)參照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）。該規(guī)范將橋梁技術(shù)狀況分為5 類：1 類為完好、良好；2類為較好；3 類為較差；4 類為差；5 類為危險(xiǎn)。橋梁評(píng)價(jià)按構(gòu)件、部件、部位（橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)）和全橋的順序依次進(jìn)行，采用分層加權(quán)綜合與單項(xiàng)指標(biāo)控制相結(jié)合的方法?！豆窐蛄杭夹g(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）針對(duì)常見(jiàn)的梁式橋、拱式橋、懸索橋和斜拉橋，細(xì)化了不同的部件分類，并考慮了不同部件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全影響程度的差異，將橋梁部件進(jìn)一步分成主要部件和次要部件，賦以不同權(quán)重。同時(shí)，針對(duì)嚴(yán)重缺陷或病害，也規(guī)定了14 種可以直接評(píng)定為5 類橋的情況。
為了定量評(píng)定既有橋梁承載能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在用理論分析法檢算評(píng)定橋梁承載能力方面也做了大量研究工作。例如英國(guó)橋梁評(píng)估文件以橋梁規(guī)范BS5400為基礎(chǔ)，用條件系數(shù)進(jìn)行判斷評(píng)價(jià)。美國(guó)各州公路和運(yùn)輸協(xié)會(huì)（AASHTO）對(duì)現(xiàn)有公路橋梁承載能力的簡(jiǎn)算，建立在所編制的GSSE上，并用承載能力系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法主要在實(shí)測(cè)材料性能，構(gòu)件幾何尺寸變化，外觀缺陷及當(dāng)前通行荷載調(diào)查的基礎(chǔ)上，設(shè)法確定分項(xiàng)檢算系數(shù)，包括橋梁承載能力檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、混凝土截面折減系數(shù)、鋼筋截面折減系數(shù)、活載影響系數(shù)來(lái)同時(shí)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)進(jìn)行修正。通過(guò)對(duì)比修正后的結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)之間的關(guān)系來(lái)評(píng)定舊橋的承載能力，如抗力修正值大于或等于效應(yīng)修正值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求，反之則認(rèn)為承載能力不足。該方法以設(shè)計(jì)資料和原有的設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合橋梁實(shí)際檢查及荷載調(diào)查結(jié)果進(jìn)行承載能力評(píng)定，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于：在考慮舊橋?qū)嶋H情況的同時(shí)，將既有橋梁承載能力和使用狀況通過(guò)理論計(jì)算公式定量化，得到較為確定的橋梁評(píng)定結(jié)果。通過(guò)計(jì)算分析，不僅可以判斷舊橋是否還具有原設(shè)計(jì)的承載能力，并且還可以判定舊橋是否存在一定的承載能力。目前我國(guó)交通運(yùn)輸部頒布的《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)中對(duì)承載能力的檢算即采用此種方式，評(píng)定方法基本按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的方法進(jìn)行，在原有設(shè)計(jì)規(guī)范承載力計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，引入了舊橋檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載修正系數(shù)，分別對(duì)極限狀態(tài)方程中結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)加以修正，并通過(guò)比較判定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力狀況。所以結(jié)構(gòu)檢算法是目前橋梁評(píng)定方法研究的主要方向，并且處于不斷發(fā)展中。
檢驗(yàn)“功力”的四種方法
評(píng)估方法綜述
公路橋梁承載能力評(píng)估方法目前主要分為：外觀調(diào)查法、荷載試驗(yàn)法、規(guī)范檢算法和可靠度分析法，如圖1所示。
圖1 公路橋梁承載能力評(píng)估方法
1.外觀調(diào)查法
我國(guó)采用的外觀檢測(cè)方法是根據(jù)交通部頒布的《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTGH11-2015）所規(guī)定的內(nèi)容，對(duì)在役橋梁進(jìn)行檢測(cè)，通常分為經(jīng)常性檢查、定期性檢查以及特殊檢查。通過(guò)對(duì)在役橋梁詳細(xì)的外觀檢查和無(wú)損傷測(cè)試，根據(jù)我國(guó)頒布的《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H-2011）對(duì)在役橋梁進(jìn)行評(píng)判標(biāo)度。該評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)橋的現(xiàn)有狀態(tài)劃為5類等級(jí)——整體完好（1類）、輕微病害（2類）、部分損壞（3類）、主體結(jié)構(gòu)損傷（4類）、承載力喪失（5類）。并將橋梁整體劃為多個(gè)部件，根據(jù)橋梁部件當(dāng)前的損壞程度，服務(wù)性能及潛在病害等方面的狀況，對(duì)橋梁各類部件分別進(jìn)行鑒定，其分?jǐn)?shù)閾值在0～5之間。然后根據(jù)橋梁構(gòu)件的評(píng)分情況確定其對(duì)應(yīng)的等級(jí)。針對(duì)評(píng)測(cè)之后的橋梁狀況，分別采取不同措施的養(yǎng)護(hù)維修：1類進(jìn)行正常保養(yǎng)；2類采取小修；3類則實(shí)施交通限制并進(jìn)行中修；4類要對(duì)其大修或改造，情況嚴(yán)重時(shí)需關(guān)閉交通；5類必須通過(guò)結(jié)構(gòu)加固或拆除新建，并立即封閉交通。
2.荷載試驗(yàn)法
荷載試驗(yàn)是描述橋梁實(shí)際狀況最直觀的一種方法，該方法是根據(jù)預(yù)先制定的試驗(yàn)方案對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)之后的性能狀況進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)測(cè)量的參數(shù)（如應(yīng)力、位移、頻率、振幅等）與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以便了解橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，客觀地對(duì)橋梁整體的使用性能和結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)及其剩余使用壽命作出預(yù)測(cè)。橋梁的試驗(yàn)方案通常包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。靜力荷載試驗(yàn)用于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，而動(dòng)載試驗(yàn)則作為靜力試驗(yàn)一種輔助手段來(lái)補(bǔ)充和完善靜力試驗(yàn)方案。
靜載試驗(yàn)法具有可行性強(qiáng)等特點(diǎn)，多用于新橋的竣工驗(yàn)收或在無(wú)法判明橋梁的運(yùn)營(yíng)狀況和承載力性能情況下的評(píng)測(cè)工作，但是采用靜載試驗(yàn)的方法動(dòng)用大量的人力物力，成本較高，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有可能引起橋梁構(gòu)件的嚴(yán)重?fù)p傷，影響正常交通，因而難以普及。與靜載實(shí)驗(yàn)相比，動(dòng)載實(shí)驗(yàn)規(guī)模較小、花費(fèi)資金少、試驗(yàn)周期短、操作簡(jiǎn)單便捷。然而動(dòng)載試驗(yàn)在應(yīng)用過(guò)程中存在一定的局限性，由于動(dòng)力測(cè)試水平相對(duì)較低，使得在試驗(yàn)中測(cè)得的相應(yīng)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)有較大偏差，達(dá)不到規(guī)定的精度要求。
3.規(guī)范檢算法
規(guī)范檢算法是基于橋規(guī)而制定的，根據(jù)構(gòu)件的材質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)的形狀大小、邊界支承條件、外觀缺損程度、交通荷載量的大小，按照橋梁的力學(xué)計(jì)算數(shù)值來(lái)分析評(píng)定其承載力。這一評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果和實(shí)際工程實(shí)踐等方面的內(nèi)容，經(jīng)過(guò)完善，該法已經(jīng)被推廣到橋梁評(píng)估的各個(gè)領(lǐng)域。
規(guī)范檢算方法通過(guò)考慮橋梁的實(shí)際狀況，并結(jié)合橋梁原有的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料，基于規(guī)范理論，運(yùn)用計(jì)算分析的方法來(lái)對(duì)橋梁當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)狀況作出評(píng)判。該方法采用理論計(jì)算公式對(duì)橋梁的實(shí)際承載能力和運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行定量化分析，能夠得到相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)論。采用檢算，不僅可以鑒別橋梁能否滿足現(xiàn)有荷載狀態(tài)的承載力要求，并且還可以對(duì)橋梁的潛在承載力性能作出辨別。但該方法在實(shí)際操作過(guò)程中一些系數(shù)的取值存在一定的主觀性，與實(shí)際的橋梁狀態(tài)有偏差，故而在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中必須對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安全修正系數(shù)、構(gòu)件損壞狀況的確定、結(jié)構(gòu)分析模型的選取等進(jìn)行深入討論。
4.可靠度分析方法
在工程領(lǐng)域中，通常用結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠度指標(biāo)來(lái)判斷其安全狀態(tài)。該方法以統(tǒng)計(jì)學(xué)概率理論為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠度指標(biāo)，可以處理隨機(jī)變化的荷載及抗力因素對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性的影響。因此，該理論已經(jīng)逐漸成為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的理論基礎(chǔ)。
基于統(tǒng)計(jì)概率理論的橋梁結(jié)構(gòu)可靠度分析方法，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是能夠量化分析橋梁構(gòu)件或系統(tǒng)中存在的不確定因素，并將這些因素作為隨機(jī)變量而建立概率可靠指標(biāo)模型，使恢復(fù)橋梁構(gòu)件及系統(tǒng)的固有自然特征，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的處理分析得到這種客觀存在的變異性。因此，該方法作為橋梁安全性能評(píng)估的科學(xué)理論支撐，已被應(yīng)用到評(píng)估規(guī)范的制定當(dāng)中。但基于概率可靠度的評(píng)估方法本身需要大量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，并且對(duì)于一些材料的失效模式、退化機(jī)理研究還不夠充分，在評(píng)估橋梁適用性和耐久性方面涉及的干擾因素也十分復(fù)雜，很多指標(biāo)含有人為主觀假設(shè)因素，很難對(duì)其統(tǒng)一量化。
影響準(zhǔn)確性的因素
圍繞公路橋梁承載能力評(píng)估結(jié)果影響因素，主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的討論：
1.時(shí)變性對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響
公路橋梁通常在設(shè)計(jì)階段，不考慮荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的時(shí)變性，而公路橋梁在實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段，伴隨服役時(shí)間增加，荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力都隨時(shí)間變化，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果可靠性降低。
圖2 時(shí)變性對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響
2.美國(guó)AASHTO規(guī)范的特點(diǎn)
美國(guó)AASHTO規(guī)范與我國(guó)規(guī)范顯著的區(qū)別在于，美國(guó)規(guī)范規(guī)定了“三荷載類別、兩安全等級(jí)”。三荷載類別即：設(shè)計(jì)荷載、法定荷載、允許荷載。兩安全等級(jí)即：交付鑒定安全等級(jí)（β= 3.5）；運(yùn)營(yíng)安全等級(jí)（β= 2.5）。
圖3 美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定的橋梁承載能力評(píng)定技術(shù)路線
3.設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)階段的不確定性
在公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,通過(guò)采用普適性較強(qiáng)的相關(guān)規(guī)范對(duì)荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行考量，與橋梁真實(shí)運(yùn)營(yíng)環(huán)境相比,其結(jié)構(gòu)和作用荷載的不確定性較高；而在運(yùn)營(yíng)階段，一般針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)個(gè)體和時(shí)間窗口，不確定性較低。
圖4 設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)階段荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力的不確定性
4.提高承載能力評(píng)估可靠性的途徑
“瘦身法”，為提高承載能力評(píng)估可靠性的主要方式，它能減小結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力概率分布曲線的不確定性。其包括以下三種途徑：
（1）提高無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的可靠性和精準(zhǔn)度，減少承力構(gòu)件及其材質(zhì)物化性能的不確定性；
（2）利用荷載試驗(yàn)或模型修正技術(shù)，減少理論模型的不確定性；
（3）利用動(dòng)態(tài)稱重(WIM)建立車輛荷載譜，減少活載分布的不確定性。
圖5 “瘦身法”提高承載能力評(píng)估的可靠性
橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)估是保障橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要支撐，也是危舊橋梁加固改造工作的技術(shù)基礎(chǔ)。目前基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)估技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)普遍適用，但針對(duì)新材料、新體系、新工藝的現(xiàn)代橋梁工程尚存技術(shù)空白?，F(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)降低橋梁承載能力評(píng)估的不確定性、間接提高橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的可靠度具有重大意義。
本文刊載 / 《大橋養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營(yíng)》雜志
2021年 第2期 總第14期
作者 / 劉昊 張二華 吳滌
作者單位 / 四川省公路規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司
