鋼筋混凝土結構橋梁安全性能評估方法研究

姬兵亮

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景[1]

據橋梁現代管理方法的需要，山西省交通科學研究院進行了“山西省橋梁健康動態管理與診斷系統”課題的立項研究。系統對橋梁安全性能評估進行了深入研究，建立了評估模型及方法，提出了評估指標，確定了評估參數、制定了評估標準。以鋼筋混凝土結構橋梁為例，本文對橋梁安全性能評估方法進行重點介紹。

2 橋梁安全性能評估模型

橋梁結構復雜，由很多構件組成，每個構件的安全性受多個因素綜合制約和影響，而要準確確定橋梁的整體安全性則異常困難。

橋梁分為：上部結構、下部結構、橋面系和附屬設施等部件。其中上部及下部結構是橋梁的主要承重部件，二者主要決定了橋梁的整體安全性能。橋梁其他構件的病害存在也對橋梁整體安全性能產生影響，如護欄破損和缺失會給過往行人和車輛帶來很大墜橋風險；橋面破損和伸縮縫的破損等其對橋梁整體安全承載影響程度有限，但卻會給通行車輛帶來很大的危險，如爆胎、車輪壓碎橋面板等，其嚴重破損時也會降低橋梁的承載力儲備等。因此在橋梁安全性能評估時不能忽視這些構件的影響。本方法在進行橋梁安全性能評估時重點考慮上下部結構，同時也考慮橋面鋪裝、伸縮縫及人行道和護欄對橋梁安全性能的影響。

評價時基于橋梁定期檢查或特殊檢查關鍵病害信息，分層次進行評價，先局部后整體逐步確定橋梁整體安全性指標評分值。鋼筋混凝土結構橋梁評估模型見圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土結構橋梁安全性評價層次結構模型

3 鋼筋混凝土結構橋梁安全性能評價[2]

3.1 上部結構評價

3.1.1 主要承重部件

通過研究發現影響鋼筋混凝土上部主要承重構件安全性的因素主要有兩個方面：構件截面變化及鋼筋與混凝土共同工作性能變化。因此主要承重部件評價時主要考慮這兩個參數的影響。定義上部主要承重構件的安全性評價指標為：

其中：k1、k2取值及計算見式（1）及表1、表2所示。

式中：A1為鋼筋（預應力筋）銹蝕后截面面積；A0為鋼筋（預應力筋）設計截面面積。不能準確量取鋼筋直徑的按表1定性法確定k1取值。

表1 k1系數取值范圍

表2 k2系數取值范圍

3.1.2 橫向聯系

橫向聯系主要功能是連接主要承重構件以呈整體共同受力，傳遞和分布荷載。而其病害存在則降低其荷載傳遞和分布的性能，進而降低整體承載能力，根據其病害程度，定義評價指標kSEI及制定評分標準見表3所示。

表3 橫向聯系安全性能評價標準

3.1.3 上部結構安全性能評價

采用加權平均法進行計算，參考其他資料確定權重，計算式為：

3.2 下部結構評價

3.2.1 墩臺評價

采用上部結構主要承重部件評價方法及標準定義墩臺安全性評價指標kPAI對墩臺進行評價。

3.2.2 基礎評價

影響基礎安全性的因素為基礎的承載力和地基穩定性。當基礎存在沖刷、外露、凍融、腐蝕、缺損等病害后，會降低或失去承載力及地基穩定性。根據其病害程度，定義評價指標kFEI及制定評分標準見表4所示。

表4 基礎安全性能評價標準

3.2.3 支座評價

同樣根據其病害程度，定義評價指標kPEI及制定評分標準見表5所示。

表5 支座安全性能評價標準

3.2.4下部結構評價

采用加權平均法進行計算，同樣參考其他相關資料確定權重，計算式為：

3.3 其他部件評價

僅考慮橋面鋪裝、伸縮縫、人行道及護欄對橋梁安全性的影響。根據其病害程度，分別定義評價指標kBEI、kEEI及kGSEI并制定評分標準見表6～表8所示。

表6 橋面鋪裝安全性能評價標準

表7 伸縮縫安全性能評價標準

表8 人行道及護欄安全性能評價標準

采用加權平均法進行計算其他部件安全性能指標分值，參考其他相關資料確定權重，計算式為：

3.4 橋梁整體安全性能評價

橋梁上部結構和下部結構構成了橋梁結構的最主要承重體系，二者功能缺一不可，根據木桶原理橋梁的安全性能主要取決于二者的短板，而橋梁其他部件的安全性能在橋梁安全性能的所占比重較小，且其基本上處于同上下部結構平行的位置（即當其失效時不能引起橋梁主體立即失效），是橋梁安全性能的重要后備力量，因此橋梁安全性評價時為了確保評價的準確性和有效性，保守起見采用取上部結構和下部結構安全指標評分最小值（也即其二者不利值）同橋梁其他重要部件加權平均的方法二者最不利值，即取二者評分較低值。計算式為：

當上部結構或下部結構評分按照表9評價安全性等級為三級及以上是可按照最差部件評分值直接確定全橋安全性等級，以利于安全和及時處治。

3.5 橋梁安全性能評分、等級劃分及對策

根據橋梁部件、整體安全性能評分可對安全性能劃分等級并給出處置對策，見表9所示。

表9 橋梁安全性整體評價

4 總結及建議

a）在對安全性評價前，可先進行缺損狀況評價，如果缺損狀況評價等級為一類及二類，則不必進行安全性評價。

b）根據木桶原理，對橋梁安全性評價時，可選取病害最為嚴重的橋跨進行評價，以其安全性評估等級作為全橋的安全性等級。

c）按此方法安全性評價等級在三級及以上的橋梁，建議進行特殊檢查如荷載試驗等，準確確定橋梁的承載能力，及時采取限行、維修加固等措施，以保證橋梁結構和通行車輛人員安全。