既有混凝土橋梁承載能力鑒定標準的研討

徐文平，楊 梓

（東南大學(xué)土木學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

目前，在我國公路線上有大量運營中的混凝土橋梁，這些橋梁在建造和使用過程中，由于設(shè)計、施工問題及材料本身隨時間的劣化、環(huán)境侵蝕等一系列因素的作用，不可避免地會產(chǎn)生不同程度的損傷；同時隨著公路運營能力的不斷提升，還有不少橋梁存在設(shè)計等級偏低等安全問題。鑒于大量病橋不斷出現(xiàn)，其相應(yīng)的承載能力評定工作也變得日益重要，深入研究橋梁的極限狀態(tài)、承載潛力、安全儲備以及剩余壽命等對于在役橋梁的合理利用具有重大的理論和現(xiàn)實意義[1]。

中美兩國的舊橋評估規(guī)范大體上思路類同，中國規(guī)范[2]的舊橋驗算系數(shù)的取法是相當粗糙的。規(guī)范盡管采用了極限狀態(tài)設(shè)計的形式，但其分項安全系數(shù)是按設(shè)計標準選擇的，而不是根據(jù)既有橋梁的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)可靠性分析和概率校準得到的，因此，橋梁承載能力難以用統(tǒng)一的安全指標加以評估。美國舊橋評估規(guī)范[3]中關(guān)于材料極限強度的折減系數(shù)、恒載及活載的荷載系數(shù)是根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、概率分析得出的，所以美國規(guī)范的評估算式較合理。

從中美兩國關(guān)于承載力評定的規(guī)程中可以看到，中國荷載試驗采用校驗系數(shù)η的方法，其目標明確，操作方便；而美國采用RF來分別評定結(jié)構(gòu)承載能力，不僅考慮了沖擊影響，而且其最新的LRFR評定方法基于LRFD架構(gòu)，是一種基于可靠性的評定方法，從評定理念上講更為先進。

1 橋梁承載能力評定方法

（1）建筑結(jié)構(gòu)鑒定方法的借鑒

《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》[4]（GB50144-2008）將安全性和適用性合并為可靠性，然后按子項、項目、單元三個層次將可靠度化分為四級。

混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的鑒定評級應(yīng)包括承載能力、構(gòu)造和連接、裂縫、變形四個子項。

承載力子項按照構(gòu)件的可靠性評級標準共分為 a、b、c、d四個等級，具體取值范圍見表 1。

表1 混凝土構(gòu)件承載能力評定等級

a級：符合國家現(xiàn)行標準規(guī)范的可靠性要求，安全，在目標使用年限內(nèi)能正常使用或尚不明顯影響正常使用，不必采取措施；

b級：略低于國家現(xiàn)行標準規(guī)范的可靠性要求，仍能滿足結(jié)構(gòu)可靠性的下限水平要求，不影響安全，在目標使用年限內(nèi)能正常使用或尚不明顯影響正常使用，可不采取措施；

c級：不符合國家現(xiàn)行標準規(guī)范的可靠性要求，或影響安全，或在目標使用年限明顯影響正常使用，應(yīng)采取措施；

d級：極不符合國家現(xiàn)行標準規(guī)范的可靠性要求，已嚴重影響安全，必須立即采取措施。

（2）橋梁承載能力評定方法的建議

國內(nèi)外數(shù)百例重大房屋結(jié)構(gòu)和橋梁工程的倒塌事故分析表明：凡是正常設(shè)計、正常施工、正常使用的結(jié)構(gòu)，未見一例倒塌，絕大多數(shù)工程事故都是由于施工、使用、設(shè)計的嚴重失誤和各種災(zāi)害造成的，其次是尚未認識的各種因素，而那些強度略顯不足以及滿足舊規(guī)范而不滿足新規(guī)范的結(jié)構(gòu)，即使未進行工程處理，使用幾十年也未見破壞和倒塌。強度略顯不足和新舊規(guī)范的差異，不是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和倒塌的關(guān)鍵。因此，既有橋梁的安全可靠性指標β可以適當減小。

本文認為橋梁結(jié)構(gòu)承載能力安全可靠性評定的評級應(yīng)參照建筑結(jié)構(gòu)鑒定評級方法，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)承載能力也宜類似如房屋結(jié)構(gòu)劃分為a、b、c、d四個等級。

通過資料調(diào)查分析，收集橋梁承載能力評定的專家意見[1][5]，專家意見匯總詳見表2。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力評級標準的專家意見匯總

本文認為既有橋梁承載力應(yīng)以統(tǒng)一的安全指標β值為指導(dǎo)進行評估，考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和重要性，橋梁可靠性評定級差應(yīng)比建筑結(jié)構(gòu)要求嚴格些，橋梁承載能力可靠性指標β值的各等級差值建議為0.3。

經(jīng)綜合分析，本文建議橋梁承載能力評定的承載力子項共分為a、b、c、d四個等級，橋梁結(jié)構(gòu)承載力評定等級的具體取值范圍建議見表3。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)承載力評定等級的建議

2 既有橋梁承載能力鑒定公式

根據(jù)梁橋承載能力影響因素分析，參考各國規(guī)范，結(jié)合橋梁病害調(diào)查研究成果，本文在《公路舊橋承載能力鑒定方法》[2]規(guī)范公式基礎(chǔ)上，考慮若干修正系數(shù)，建議既有鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土公路梁橋承載能力鑒定公式為：

式（1）中的橋梁恒載、活載，橋梁材料應(yīng)按實際情況進行取用。

式中：γq——可變荷載Q的安全系數(shù)；舊橋建議取值1.3～1.4；車流量小，剩余使用年限較少時取小值（汽車活載標準值是依據(jù)橋梁使用基準期100 a而制定的，使用年限減少，其活載標準值應(yīng)有所降低）；

φa——舊橋剩余使用年限減少所引起的折減系數(shù)；

舊橋剩余使用年限T1一般低于橋梁使用基準期100 a，而規(guī)范公式是基于實際基準期100 a而制定，若舊橋繼續(xù)服役年限減少，其結(jié)構(gòu)可靠性指標β值可適當降低。

本文建議φa取值：

T1=100 a時φa=1.0

T1=50 a時φa=0.95

T1≤25 a時 φa=0.90

φb——結(jié)構(gòu)損傷狀況折減系數(shù)：一般取值0.8～1.0；若橋梁有被撞擊的歷史紀錄，橋梁裂縫較寬，或露筋嚴重等缺陷時取小值；

rb——結(jié)構(gòu)工作條件系數(shù)，延性破壞取1.0；脆性破壞取0.9。既有橋梁的水文、地質(zhì)、氣候、地震等環(huán)境條件復(fù)雜時，橋梁結(jié)構(gòu)抗力應(yīng)進一步進行折減。

公式中其余符號意義詳見《公路舊橋承載能力鑒定方法》規(guī)范。

橋梁結(jié)構(gòu)承載力鑒定系數(shù)kt可定義為：

鑒定系數(shù)Kt≥1時表示橋梁結(jié)構(gòu)安全。

式中：R*——舊橋名義抗力；

S*——舊橋名義荷載效應(yīng)。

3 舊橋評定等級劃分的指標分析研究

設(shè)外力S的均值為μs，均方差為σs，抗力R的均值為μR，均方差為σR，則構(gòu)件的可靠性指標β為（設(shè)R、S均服從正態(tài)分布）：

對于橋梁二級a類結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即一般的的大橋、中橋、重要小橋等，其值β應(yīng)滿足βa≥4.2。

假設(shè)一根鋼筋混凝土梁，處于純彎狀態(tài)。其中μs=100.0 kN·m。該梁荷載變異系數(shù)δs=0.1，抗力變異系數(shù)δR=0.141 4。（近似假設(shè)R、S均服從正態(tài)分布）

若要使之達到β=4.2，即為a級構(gòu)件，則必須有：

解之可得：μR≥260.1 kN·m

那么該梁如為b類、c類、d類的β亦可按下述方法求出。

隨著時間的變化，該梁結(jié)構(gòu)抗力不斷下降，結(jié)構(gòu)抗力均值降為η·μR，結(jié)構(gòu)等級降為b類、c類、d類，此時相應(yīng)的β也可求出。

假設(shè)外力不變，材料的離散性不變，只是構(gòu)件承載能力有退化，令橋梁抗力退化折減系數(shù)為：

由式（6）、式（7）可得承載能力折減系數(shù)η與結(jié)構(gòu)抗彎可靠性指標β的關(guān)系曲線圖，見圖1。

圖1 η-β關(guān)系曲線

從該梁橋算例中可以得知，既有橋梁承載能力退化折減系數(shù)η與結(jié)構(gòu)抗彎可靠性指標β之間具有近似線性關(guān)系，其它梁橋結(jié)構(gòu)承載能力退化和結(jié)構(gòu)等級降低也有類似規(guī)律。依據(jù)以上混凝土梁橋結(jié)構(gòu)承載能力評定等級近似推導(dǎo)結(jié)果，參考專家意見，經(jīng)綜合分析，本文建議混凝土梁橋承載能力評定等級標準詳見表4。

表4 混凝土梁橋結(jié)構(gòu)承載能力評定等級標準

根據(jù)本文的混凝土梁橋結(jié)構(gòu)承載能力評定等級標準，可以采用類似《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》[4]（GB50144-2008）的方法，快速進行既有橋梁的結(jié)構(gòu)等級評定，只需求出的特征值，就可對既有梁橋進行a類、b類、c類、d類的等級評估鑒定，以便對梁橋的加固處理措施提出科學(xué)決策。該方法簡明扼要，具有既有橋梁工程鑒定評估的實際應(yīng)用價值。

[1]徐文平.既有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋承載能力實橋試驗及分析研究[D].東南大學(xué)博士論文,2006.

[2]中華人民共和國交通部部頒標準.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[S].北京:人民交通出版社,1990.

[3]AASHTO-Manual for Condition Evaluation of Bridge[S].1994.

[4]GBJ144-90,工業(yè)廠房可靠性鑒定標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.

[5]王有志,王廣洋,任鋒,等.橋梁的可靠性評估與加固[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[6]GB50153-1992,工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S].北京:中國計劃出版社,1992.

[7]GB/T 50283-1999,公路工程可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S].北京:中國設(shè)計出版社,1999.

[8]張建仁,劉揚,等.結(jié)構(gòu)可靠度理論及其在橋梁工程中的應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2003.