PC變截面空心板橋承載力評估及壽命預測

徐祖恩 張志卻

橋梁承載能力是結構承受荷載的能力,它反映的是結構抗力效應和作用效應的關系。

結構抗力是一個會隨時間變化而發生變化的量,其變化規律復雜。作用效應是指外界對結構施加的外力作用,它也是隨著時間變化而變化的量,如汽車荷載、人群荷載以及其他偶然荷載等。

因此,對舊橋進行承載能力評估即是通過技術手段獲得當前在結構實際運營狀態下,橋梁可能承擔的最大荷載以及在該荷載作用下所表現的各項性能指標,從中了解結構目前的使用安全儲備。

1 舊橋承載力評估傳統方法

對橋梁承載能力進行評估是非常有必要的。在下列任一情況發生時應對橋梁承載能力進行評定。

1)結構內部存在缺陷。這種缺陷或者是固有的,或者是結構隨時間而發展的惡化、損壞;2)外界因素的改變,如車輛荷載的增加或不利的環境影響等;3)新建橋梁的驗收工作;4)舊橋實施加固、拓寬等修建工程前后;5)為設計規范的修訂和完善提供依據;6)為了合理的分配養護維修資金;7)決定特殊荷載是否可以通行。

目前常用的橋梁結構承載力評定方法包括:舊橋檢驗系數法、實橋調查與結構分析綜合法以及靜、動荷載試驗評定法等。

2 舊橋承載能力模糊貼近度綜合評判模型

2.1 影響橋梁承載能力的因素

影響在役橋梁承載能力的因素很多。總的來說可以歸納為四類:設計和施工因素、建材性能因素、荷載因素以及環境影響因素。要進行橋梁承載能力的評定,如果要每一個細節都考慮到,既不現實,也無必要,因此,剔除次要因素,保留主要因素,確定如下所示的因素集:

1)使用因素。從使用因素的角度來考慮對承載能力的影響,主要是荷載對結構的影響,荷載是對結構的安全和使用性能有直接影響的一種最主要的因素,特別是目前公路運輸行業的蒸蒸日上,交通流的日益增大使得橋梁承受的荷載壓力增大。加上橋梁超載超限情況嚴重,不安全的行駛造成橋梁存在了各種各樣影響承載能力的損傷和缺陷。特別是累積損傷的后果使得橋梁結構抗力加速劣化,從而使橋梁承載能力降低。此外,還有橋梁結構自身的恒載以及自然環境對其施加的荷載,如溫度,凍融等。從一般情況出發,結合目前出現較多的超載超限現象考慮荷載因素對橋梁結構承載能力的影響。

2)結構因素。結構在使用過程中出現偏離最初設計狀態的現象對橋梁承載能力的影響也是不可忽視的,主梁/主拱圈變形過大、墩臺變位過大以及存在超過規范范圍內的裂縫,這些不僅僅影響到橋梁的承載能力,當情況嚴重時更是直接影響到了橋梁的正常使用,必要時需要封閉橋梁。

3)養護因素。對橋梁進行及時的養護是保證橋梁正常使用的有效手段,但是實際情況中,橋梁數目的眾多,養護維修資金的有限,使得在橋梁養護工作實施過程中很難及時的落實到每一座橋梁,因此,根據養護情況的不一樣,在使用中,橋梁也會出現不同的狀況,對橋梁承載能力的影響也不一樣。

綜上,建立影響橋梁承載能力的因素集如下:

U={U1U2U3}{使用因素,結構因素,養護因素}。

其中,U1=使用因素={超載情況,車流量};U2=結構因素={主梁/主拱圈受力變形,墩臺變位,受力裂縫};U3=養護因素={保養情況,結果損傷狀況}。

2.2 等級評定

1)單因素隸屬度評定原則。考慮影響橋梁承載能力的各個因素,其中有可以通過定量方式確定隸屬度的,如車流量等,也有非定量的因素,如結構損傷狀況、保養情況等。為了便于能夠在一個量度上進行隸屬度的評定,本項目擬采用類比法結合專家意見評定各個因素的隸屬度。

采用反映各個單因素影響橋梁承載能力程度的一級～五級模糊語言,各級取值范圍將(0,1)區間劃分為0.90～1,0.75～0.90,0.60～0.75,0.45～0.60,0～0.45。由此可以建立各個因素相對等級(一級～五級)的單因素評價模糊集。如:橋梁出現了輕微的缺損狀況,但基本對承載能力沒有影響,對照評價標準可取評價模糊集u=(u1,u2,u3,u4,u5)=(0.35,0.65,0,0,0),表示不能完全達到一級水平,能夠滿足二級水平,不符合三級～五級。

2)承載能力等級評定。結合橋梁承載能力衰減規律和對應采用的維修加固工作將橋梁承載能力等級按照滿足目前使用要求的程度劃分為五級,即“完全足夠”“足夠”“臨界”“不足”“嚴重不足”,對該5個語義進行量化,各自取值范圍分別為0.90～1,0.75～0.90,0.60～0.75,0.45～0.60,0～0.45。每一級的具體對應情況描述如下:a.完全足夠。橋梁只存在輕微缺損,其程度對橋梁承載能力不產生任何的影響,完全滿足目前使用要求。b.足夠。橋梁存在的缺損狀況對橋梁承載能力幾乎不會產生任何影響,承載能力能夠滿足當前的使用要求,不需要特別進行維修加固工作。c.臨界。橋梁出現了少量影響到承載能力和威脅橋梁正常使用的缺陷和破損,應考慮采用適當的措施控制這種缺陷和破損的開展。d.不足。橋梁已出現嚴重威脅橋梁正常使用的結構性缺損,承載能力因此降低,需要考慮采取維修加固措施。e.嚴重不足。橋梁存在的嚴重缺陷已經不能保證橋梁正常使用,承載能力急劇降低,橋梁已經不適宜繼續使用,應考慮規模較大的加固措施或重建,否則應立即中斷交通。

3 PC變截面空心板橋剩余壽命預測的回歸法

橋梁結構和人一樣,也有其壽命,即使壽命在其使用壽命期間,它也會“生病”。由于各種外力(即荷載)的作用,尤其是我國部分地區行車輛嚴重超載等各種因素,橋梁結構會產生一定的損傷,甚至發生倒塌事故。隨著時間的推移,損傷不斷累積,再加上材料的不斷老化(如鋼筋銹蝕、混凝土碳化等),強度不斷降低,最終使橋梁結構發生局部破壞,乃至整體破壞,使得結構不能再承受荷載的作用,此時,結構即完成了它的歷史使命,失去了其使用價值,達到了它使用壽命的終點。若能準確預測在役公路橋梁的剩余壽命,就能進行合理的投資,采取有效的加固改造措施。本項目擬采用回歸預測分析法對橋梁剩余壽命進行預測,為公路橋梁維護管理部門的橋梁養護工作提供可行辦法。其中,回歸預測模型的建立方法如下:

回歸預測模型就是利用橋梁在t0時刻前各個檢測時刻的實際檢測資料與分析結果,通過回歸分析,建立橋梁結構損傷與使用時間的關系,以此作為對橋梁結構壽命進行預報的根據。

其基本過程為:設Dt為結構t時刻的總損傷系數,Dt=0表示結構完好無損傷;Dt=Df表示結構使用的壽命終結;Dt=1.0表示結構完全破壞。

Dt是一個綜合指標,應考慮橋梁的損傷狀態、結構的重要性、結構維修費用等因素。經綜合分析確定,也可采用橋梁損傷指數 BDI表示,橋梁損傷指數BDI(Bridge Damage Index)表示橋梁損傷程度,其取值范圍為[0.0,1.0]。當BDI=0時,表示橋梁無損傷;當BDI=1時,表示橋梁處于極度危險狀態。以BDI表示的損傷等級區間如下:

0.0 ≤BDI＜0.2,無損傷;0.2≤BDI＜0.4,輕微損傷;0.4≤BDI＜0.6,中等損傷;0.6≤BDI＜0.8,嚴重損傷;0.8≤BDI＜1.0,破壞性損傷。

Df可由專家根據工程經驗給出(暫假定Df=0.8)。這樣,Dt與使用時間的函數關系可表示為:

其中,f(t)為Dt的中值預報函數;ε(t)為考慮所有人為因素影響的附加項。

回歸分析的主要任務是根據已知的數據來確定 f(t)的具體數學表達式。一般地,f(t)的形式很大程度上依賴于過去的經驗,常采用二次型、線及指數型。由于指數型在統計學上容易處理,并能線性化和無綱化,因此采用指數型,則式(1)可寫為:

線性化后得:

其中,k,α均為由分析決定的常數;r為誤差項,一般假定 r～N(0,S2),令 y=lnDt,x=lnt,a=α,b=lnk則有:

這里,上式為一個最簡單的線性回歸問題,可以就資料(tf,Dt)很容易地得到a,b的估計值,換為原來的參數 k,α后,Dt的中值預報方程為:

令Dt=Df,由式(4)得:

那么橋梁結構的剩余壽命tS可表示為:

其中,tE為結構的可使用年限;tC為結構已使用年限。

橋梁結構剩余壽命回歸預測模型的主要特點是計算簡單,使用方便,對檢測時刻的選取沒有特別要求;主要缺點是它要求所選擇的樣本容量要足夠大,否則將不能保證中值預報公式的有效性和精度。因此,該模型可適用于使用時間較長,使用過程中檢測頻繁的結構。

4 結語

對橋梁承載能力進行評估的目的即是了解橋梁的實際通行能力,發掘結構的潛在承載能力,并指導結構的加固維修工作,為合理分配維修加固資金提供理論依據。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]杜國華,毛昌時,司徒妙齡,等.橋梁結構分析[M].上海:同濟大學出版社,1994.

[4]江 政,劉 峰.某舊橋承載力有限元分析[J].山西建筑,2009,35(11):315-316.