中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、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。橋梁承載能力檢測評估，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，同時又對其能否適應(yīng)未來的交通荷載的增長作出評定。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)，對其進(jìn)行評定旨在弄清結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全狀況，避免橋梁在營運(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。
目前我國公路橋梁技術(shù)狀況評價參照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(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。橋梁評價按構(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)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）針對常見的梁式橋、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，針對嚴(yán)重缺陷或病害，也規(guī)定了14 種可以直接評定為5 類橋的情況。
為了定量評定既有橋梁承載能力，國內(nèi)外學(xué)者在用理論分析法檢算評定橋梁承載能力方面也做了大量研究工作。例如英國橋梁評估文件以橋梁規(guī)范BS5400為基礎(chǔ)，用條件系數(shù)進(jìn)行判斷評價。美國各州公路和運(yùn)輸協(xié)會（AASHTO）對現(xiàn)有公路橋梁承載能力的簡算，建立在所編制的GSSE上，并用承載能力系數(shù)進(jìn)行評價。該方法主要在實(shí)測材料性能，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)來同時對橋梁的結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)進(jìn)行修正。通過對比修正后的結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)之間的關(guān)系來評定舊橋的承載能力，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)行承載能力評定，這種方法的優(yōu)勢在于：在考慮舊橋?qū)嶋H情況的同時，將既有橋梁承載能力和使用狀況通過理論計(jì)算公式定量化，得到較為確定的橋梁評定結(jié)果。通過計(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。目前我國交通運(yùn)輸部頒布的《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)中對承載能力的檢算即采用此種方式，評定方法基本按照現(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
評估方法綜述
公路橋梁承載能力評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估方法
1.外觀調(diào)查法
我國采用的外觀檢測方法是根據(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，對在役橋梁進(jìn)行檢測，通常分為經(jīng)常性檢查、定期性檢查以及特殊檢查。通過對在役橋梁詳細(xì)的外觀檢查和無損傷測試，根據(jù)我國頒布的《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H-2011）對在役橋梁進(jìn)行評判標(biāo)度。該評定標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)橋的現(xiàn)有狀態(tài)劃為5類等級——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)件的評分情況確定其對應(yīng)的等級。針對評測之后的橋梁狀況，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類要對其大修或改造，情況嚴(yán)重時需關(guān)閉交通；5類必須通過結(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)方案對結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)之后的性能狀況進(jìn)行觀測，并對測量的參數(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)營狀況，客觀地對橋梁整體的使用性能和結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行評價及其剩余使用壽命作出預(yù)測。橋梁的試驗(yàn)方案通常包括靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)。靜力荷載試驗(yàn)用于對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)分析，而動載試驗(yàn)則作為靜力試驗(yàn)一種輔助手段來補(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)收或在無法判明橋梁的運(yùn)營狀況和承載力性能情況下的評測工作，但是采用靜載試驗(yàn)的方法動用大量的人力物力，成本較高，試驗(yàn)周期較長，在實(shí)驗(yàn)過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、操作簡單便捷。然而動載試驗(yàn)在應(yīng)用過程中存在一定的局限性，由于動力測試水平相對較低，使得在試驗(yàn)中測得的相應(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)值來分析評定其承載力。這一評定標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了理論計(jì)算、現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測試結(jié)果和實(shí)際工程實(shí)踐等方面的內(nèi)容，經(jīng)過完善，該法已經(jīng)被推廣到橋梁評估的各個領(lǐng)域。
規(guī)范檢算方法通過考慮橋梁的實(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)場檢測資料，基于規(guī)范理論，運(yùn)用計(jì)算分析的方法來對橋梁當(dāng)前的運(yùn)營狀況作出評判。該方法采用理論計(jì)算公式對橋梁的實(shí)際承載能力和運(yùn)營狀況進(jìn)行定量化分析，能夠得到相對準(zhǔn)確的評估結(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)算過程當(dāng)中必須對橋梁的設(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，并通過對現(xiàn)場測試結(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估的科學(xué)理論支撐，已被應(yīng)用到評估規(guī)范的制定當(dāng)中。但基于概率可靠度的評估方法本身需要大量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，并且對于一些材料的失效模式、退化機(jī)理研究還不夠充分，在評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估結(jié)果影響因素，主要進(jìn)行以下幾個方面的討論：
1.時變性對評估結(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)度的時變性，而公路橋梁在實(shí)際運(yùn)營階段，伴隨服役時間增加，荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力都隨時間變化，導(dǎo)致評估結(jié)果可靠性降低。
圖2 時變性對評估結(jié)果的影響
2.美國AASHTO規(guī)范的特點(diǎn)
美國AASHTO規(guī)范與我國規(guī)范顯著的區(qū)別在于，美國規(guī)范規(guī)定了“三荷載類別、兩安全等級”。三荷載類別即：設(shè)計(jì)荷載、法定荷載、允許荷載。兩安全等級即：交付鑒定安全等級（β= 3.5）；運(yùn)營安全等級（β= 2.5）。
圖3 美國AASHTO規(guī)范規(guī)定的橋梁承載能力評定技術(shù)路線
3.設(shè)計(jì)和運(yùn)營階段的不確定性
在公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,通過采用普適性較強(qiáng)的相關(guān)規(guī)范對荷載效應(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)營階段，一般針對特定的結(jié)構(gòu)個體和時間窗口，不確定性較低。
圖4 設(shè)計(jì)和運(yùn)營階段荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力的不確定性
4.提高承載能力評估可靠性的途徑
“瘦身法”，為提高承載能力評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）提高無損檢測技術(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”提高承載能力評估的可靠性
橋梁承載能力檢測評估是保障橋梁安全運(yùn)營的重要支撐，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評估技術(shù)發(fā)展相對成熟，對常規(guī)結(jié)構(gòu)普遍適用，但針對新材料、新體系、新工藝的現(xiàn)代橋梁工程尚存技術(shù)空白。現(xiàn)代無損檢測和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，對降低橋梁承載能力評估的不確定性、間接提高橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的可靠度具有重大意義。
本文刊載 / 《大橋養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營》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)劃勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司
