目前,包括懸索橋、斜拉橋在內(nèi)的許多大型橋梁的建成極大地促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,同時(shí)也為其養(yǎng)護(hù)管理工作帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。國(guó)外很多早期建成的大跨徑橋梁在運(yùn)營(yíng)期間都出現(xiàn)過服役性能退化問題,經(jīng)評(píng)估后被相關(guān)部門認(rèn)為有可能發(fā)生不可預(yù)見的意外事件,并采取了相應(yīng)的處置措施。我國(guó)的大型橋梁已走過三十余年的發(fā)展歷程,逐步進(jìn)入評(píng)估和維護(hù)的階段。
在服役期間,橋梁將不可避免地受到環(huán)境和交通的影響,出現(xiàn)材料性能劣化、構(gòu)件病害破損、結(jié)構(gòu)功能缺陷等狀況,不僅會(huì)影響其正常運(yùn)營(yíng),甚至有可能改變其主體結(jié)構(gòu)的總體服役性能,給橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患,同時(shí)又縮短了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實(shí)際服役壽命。已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,可以通過早期有效的評(píng)估,了解結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的服役狀況,避免或減少一些橋梁,突發(fā)事故帶來(lái)的損失。
與中小跨徑橋梁相比,大型橋梁在評(píng)估方面所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)為:全橋結(jié)構(gòu)體系及關(guān)鍵構(gòu)件形式復(fù)雜,構(gòu)件的實(shí)際服役狀態(tài)不明確。有鑒于此,筆者提出了大跨徑橋梁構(gòu)件的多維度評(píng)估方法,并通過實(shí)橋的案例分析,探討其應(yīng)用效果,為橋梁養(yǎng)護(hù)管理部門制定評(píng)估方法、優(yōu)化養(yǎng)護(hù)策略提供參考。
一、長(zhǎng)大橋梁服役性能退化的影響因素
在橋梁服役期間,隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷增加,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的狀態(tài)將不可避免地受到各種因素的影響,使得其服役能力難以長(zhǎng)期保持在初始的較高水平,而發(fā)生不同程度的劣化或出現(xiàn)一些病害。橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件狀況的變化以及病害的演化進(jìn)程,易受到各種因素的影響,涉及從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)到養(yǎng)護(hù)管理等方面,主要可以概括為下列兩方面。
1.內(nèi)部因素:引起橋梁劣化的內(nèi)部因素主要是指設(shè)計(jì)、施工時(shí)的特點(diǎn)或不足。包括:
(1)橋梁的橋型、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的體系或構(gòu)造不同,其受力形式和傳力機(jī)理也不一致,造成易損部位和性能劣化速率的差異;
(2)橋梁耐久性設(shè)計(jì)的重視程度有待提高,防護(hù)構(gòu)造設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)單,造成實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段較早發(fā)生劣化;
(3)橋梁施工質(zhì)量存在瑕疵,例如:材料本身質(zhì)量缺陷、混凝土澆筑缺陷、施工時(shí)發(fā)生的意外情況等,均為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件后期發(fā)生劣化的基礎(chǔ)。
2.外部因素:引起橋梁劣化的外部因素主要是在運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)管理階段的一些原因。其中包括以下幾項(xiàng):
(1)服役時(shí)間。隨著橋梁投入運(yùn)營(yíng)的時(shí)間增加,其性能必然發(fā)生衰退,例如:有調(diào)查顯示懸索橋的主纜在橋梁建成通車后前10年內(nèi)性能變化不大,此后以接近線性的速度開始劣化。
(2)環(huán)境的影響。橋梁運(yùn)營(yíng)期間所處的環(huán)境對(duì)材料的劣化速率有顯著的影響。例如:當(dāng)橋梁位于海域環(huán)境或工業(yè)區(qū)時(shí),潮濕空氣中存在的氯離子、硫酸鹽等成分加速了鋼材的腐蝕。
(3)交通量。橋梁的主要作用是承擔(dān)交通功能,結(jié)構(gòu)在交通荷載引起的往復(fù)應(yīng)力幅值作用下會(huì)出現(xiàn)損傷、疲勞或緩慢的衰退,因此交通量的大小以及交通的組成影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件狀況變化的進(jìn)程。
(4)受力狀態(tài)。構(gòu)件不同的受力狀態(tài)和受力特點(diǎn)也會(huì)對(duì)其劣化產(chǎn)生影響。例如:同一橋梁不同位置的斜拉索或吊索之間應(yīng)力水平存在差異,荷載效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力無(wú)法均勻地分配到每一根索上。此外,車輛的沖擊效應(yīng)也會(huì)加速伸縮縫的累計(jì)位移增長(zhǎng)和支座的磨損。
(5)養(yǎng)護(hù)管理策略。在橋梁運(yùn)營(yíng)階段,養(yǎng)護(hù)指南的制定、采取不同的養(yǎng)護(hù)策略、養(yǎng)護(hù)管理者的技術(shù)水平等也會(huì)影響橋梁的劣化速率,采取合適的養(yǎng)護(hù)方式可以有效減緩其性能的衰退。
二、大型橋梁構(gòu)件運(yùn)營(yíng)期的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)源
橋梁運(yùn)營(yíng)期間存在有限元分析計(jì)算、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和各類檢查評(píng)估等在內(nèi)的不同來(lái)源數(shù)據(jù),相互之間可以相互印證,也可能有所沖突,共同形成了橋梁評(píng)估的數(shù)據(jù)資源和基礎(chǔ),對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和綜合分析,可以獲取其中包含的關(guān)鍵信息,進(jìn)而提升評(píng)估效率。
三、橋梁構(gòu)件多維度評(píng)估實(shí)施
在充分檢測(cè)和識(shí)別構(gòu)件特性和病害的基礎(chǔ)上,提出了大型橋梁構(gòu)件的多維度評(píng)估方法。選取反映橋梁狀態(tài)的關(guān)鍵構(gòu)件后,針對(duì)構(gòu)件性能指標(biāo)的可得性或病害的特征進(jìn)行分析,對(duì)于基于既有檢測(cè)技術(shù)能夠基本掌握的構(gòu)件及其各項(xiàng)性能,可以直接根據(jù)檢查結(jié)果,采用基于狀態(tài)的評(píng)估方法;對(duì)于不確定性較高的構(gòu)件性能或病害,可以綜合分析不同來(lái)源的時(shí)序數(shù)據(jù),從概率角度對(duì)其予以深度評(píng)估,作為對(duì)基于狀態(tài)方法的補(bǔ)充和完善。
當(dāng)橋梁構(gòu)件因性能衰退造成使用功能受損或發(fā)生某種嚴(yán)重病害時(shí),就需要采取相應(yīng)的措施,包括維護(hù)、維修、加固、更換等。通過分析多維度評(píng)估的結(jié)果,可以在一定程度上了解構(gòu)件在服役期間可能的性能衰退趨勢(shì)或病害演化進(jìn)程,為橋梁養(yǎng)護(hù)管理部門制定養(yǎng)護(hù)策略提供部分參考,實(shí)現(xiàn)降低橋梁維護(hù)成本和減少重大事故發(fā)生概率的目標(biāo)。
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