服役桥梁可靠度研究现状浅析
2016-12-05
1、前言
在我国沿海及西部地区，随着经济迅速发展及西部大开发战略的实施，近20年来新建了一大批RC及PC桥梁，投资巨大，其安全性、耐久性、使用寿命等问题均引起各方的高度关注。本文就桥梁的可靠度研究现状进行了简要的综述，以期起到一定的借鉴作用。
2、服役RC桥梁可靠度研究方面
RC桥梁可靠度研究开展较早，目前的研究成果较丰富，主要体现在考虑材料性退化的可靠度研究方面。
（1）抗力影响因素
1）砼褪化
砼褪化包括两方面的问题:其一是指砼中性化的过程，导致砼对钢筋的保护作用逐渐被削减，影响因素主要有碳化与氯离子侵蚀;其二为砼强度的时变性能，直接关系到结构抗力的时变规律。
2）钢筋锈蚀
钢筋锈蚀后最直接的结果就是其面积的损失，通常以锈蚀钢筋截面损失率来反映其受损程度，这也是确定RC桥梁构件抗力的主要参数之一。
从现有的钢筋锈蚀建模方式看，可将其计算模型划分为两类，即:理论模型与经验模型。理论模型基于电化学反应的原理建立计算式，适用于理想状况下的锈蚀量计算，其中个别参数的取值较难获取从而影响其实用性。经验模型侧重实际工程中的数据验证，各个模型的侧重点不同使得模型之间存在差异，但通过实验或实际锈蚀样本得到的分阶段计算模型获得了一致认可。
（2）抗力模型
1）评估模型
抗力评估模型是针对当前时刻的服役状态，通过实际结构的几何尺寸及材料强度检测得到随机样本，考虑到检测参数的变异性，将样本数据统计回归后给出其分布函数及分布参数，进而对抗力函数进行修正。
抗力评估模型的建立需要实测或分析结构当前时刻的砼强度、钢筋截面锈蚀率、锈蚀钢筋屈服强度降低系数以及锈蚀钢筋-砼协同工作系数。
2）预测模型
抗力预测模型也即时变抗力模型，主要机理是利用耐久性相关参数的研究成果构建抗力模型，预测模型同样需要考虑砼强度、钢筋面积、钢筋屈服强度以及钢筋一砼协同工作系数随的时变规律。
RC桥梁可靠度研究重点目前仍集中在抗力概率模型的研究方面，虽然可供借鉴的耐久性修正参数的模型较多，但大多均来自工业或民用建筑领域，有些模型的应用有非常严格的适用条件，对于服役环境不定性影响因素较大的桥梁结构而言，能否直接引用需要进一步研究。
另一方面，关于砼结构时变可靠度的研究今年来成为研究的热点，除了考虑评估时结构材料劣化程度的问题，还要对今后一段时间内结构性能的衰减规律进行预测，这就要求结构抗力概率模型的建立要考虑材料时变规律的影响，也就是基于当前耐久性参数实测值的可靠度预测问题。
3、服役PC桥梁可靠度方面
相对于RC桥梁，PC桥梁可靠度的研究开展较少，其主要难度是预应力钢束受波纹管保护且保护层较厚，其服役状况难于获得，国内外很多学者就预应力束的无损检测方法进行过很多研究，但至今无法取得能够面向工程应用的、切实可行的测试手段。因此，关于PC桥梁可靠度的研究仍处于探索阶段，设计方法上的研究多采用实验室内不同参数的模型梁进行敏感性参数研究，实际工程中为了保证精度，作为权宜之计，预应力束的服役状况必须进行破损检测。以下内容针对考虑PC桥梁耐久性与否两方面因素进行说明。
首先，Tabsh和Al-harthy针对PC桥梁进行研究发现预应力钢束面积、钢束的极限应力及其有效高度对构件可靠度有较大影响。国内学者杜进生针对无粘结预应力构件进行研究，结果表明无粘结预应力构件钢束截面积沿程分布特性对可靠度影响较大，将该类构件的设计安全度提高15%较合理。
其次，现役PC桥梁性能评估受耐久性影响较大，且钢束锈蚀及预应力有效值的衰减为关键参数，检测方法的缺少是阻碍此类桥梁评估的主要困难。长安大学近年来就该问题进行了探索研究，收集了服役PC桥梁钢束锈蚀的资料，统计表明，相同条件下有波纹管保护的钢束锈蚀后锈坑分布较少，经打磨仍可见金属光泽或灰黑色质地，破坏张拉试验时各丝受力均匀，齐断状况较多;缺少波纹管保护时钢束的锈蚀速率较大，锈坑连续且分布较多，单丝依次断裂较普遍。
4、加固后可靠度研究
由于加固技术出现的时间并不长，对很多加固方法特别是较新型的加固方法缺少必要的试验数据、设计施工标准及试验标准，因此，加固后结构可靠度可借鉴的研究资料很少，对加固后的硅结构可靠性进行系统分析研究进行的更少。在加固设计中现有的加固设计方法基本上是在各自的试验研究基础上的半经验半理论方法，不能与现行的可靠度设计要求相协调，也无法与整个结构体系的可靠度相一致，局部加固后对构件整体及结构体系的整体可靠度的影响等问题有待深入的研究。
目前，加固后构件可靠度的研究建筑领域涉及较多，桥梁结构加固后的可靠度研究较少。桥梁结构构件加固前后，其抗力发生了变化，对加固后的构件可靠度进行分析，需要综合考虑加固类型、加固效率，建立结构功能函数。目前对于粘贴片材加固钢筋砼构件的计算和理论己经日趋成熟，但现有的桥梁加固规范是基于片材容许应力法的，需要通过概率极限状态来完善其设计及评估过程。对于加固后的桥梁使用性能和可靠度评估目前处于起步阶段，有待深入研究。
5、结构性能评估及评估荷载的选取
结构性能的评估方法主要有:变权综合评定法、分析计算评估方法、荷载试验评定法和可靠性评价方法。变权综合评定法和分析计算评估方法理论框架体系较为完善，在公路旧桥结构性能评估中己有广泛应用，但为确定性评估方法，在目前检测仪器相对不够先进、测试手段相对不够完善条件下有其不足之处;荷载试验评定法可信度较高，应用也很广泛，但是采用校验系数、动力响应和模态参数等评定桥梁结构性能的精度不高，另外该方法费用较高，试验风险也较大;可靠性评价方法中的随机可靠度方法尚处在应用研究阶段，可较好的反映桥梁结构损伤、测试方法等方面的不定性，在有限测试精度条件下可达到较好的评价效果，且该方法能与现行桥梁结构设计规范相协调。
然而，无论何种评估方法其本质是针对抗力与荷载效应之间的"供需"关系展开的，确定性荷载的选用无法反应结构真实的服役荷载，河南省地方标准己明确规定在高速公路和特大桥梁、特殊桥梁的车道荷载的均布荷载标准值 ，集中荷载标准值 和车辆荷载按公路-Ⅰ级的1.3倍设计。目前基于"等超概率准则"的桥梁评估荷载的修正较合理，其原理是根据"当前服役荷载的水平超越设计荷载的概率等于评估荷载水平超越当前荷载的概率"的原则来确定的，但如何利用现有的方法获取当前的服役荷载水平仍需通过随机车流模拟的方法，利用MATLAB模拟服役桥梁当前的荷载水平是解决这一问题的有效途径。
6、结论
无论基于何种可靠度理论，对现有的桥梁结构进行评估时，参数众多、步骤复杂、计算难度大，实用性较差，且敏感性参数的选取对评估结果影响较大，因此急需利用己有的可靠度评估理论开发出易于操作的评估系统。
参考文献：
[1]牛荻涛，陈亦奇.砼结构的碳化模式与碳化寿命分析.西安建筑科技大学学报，1995，27(4):365·369
[2]牛荻涛，王庆霖等.锈蚀开裂后砼中钢筋锈蚀量的预测.工业建筑.19%，26(4):11·13
[3]张宇，李思明.粘钢加固钢筋砼梁可靠性分析.湖南大学学报(自然科学版)2005，32(6)，11-14
[4]欧进萍，刘学东，王光远.现役结构安全度评估的环境荷载标准研究.工业建筑.1995， 25(8):11-16，35
作者简介：张红春，1984-12年出生，内蒙古交通职业技术学院助教。
