基于風險分析的鋼筋混凝土梁養護方法

張 立,涂明琛

(1.咸寧市公路管理局,湖北咸寧 437000；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司,湖北武漢 430079)

基于風險分析的鋼筋混凝土梁養護方法

張 立1,涂明琛2

(1.咸寧市公路管理局,湖北咸寧 437000；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司,湖北武漢 430079)

針對目前橋梁養護評估體系難以量化的現狀,結合當前風險分析的最新進展,從適用于工程養護實際的角度出發,結合某鋼筋混凝土梁實例工程介紹了基于風險分析的橋梁養護方法。通過分析風險因素,評估失效的鋼筋混凝土梁的風險值,將養護后風險減少量和養護成本作為評價指標,通過效益-成本分析確定鋼筋混凝土梁的最優養護方案。基于風險分析的養護方法為橋梁養護的量化分析和最優養護方案的確定提供了便利。

鋼筋混凝土梁；風險分析；風險評估；養護方法

0 引言

橋梁工程是國家經濟建設的一項重要基礎設施,隨著交通事業的發展,橋梁結構發揮著越來越重要的作用［1］。橋梁結構在承受交通荷載反復作用的同時,還受到氣候環境等因素的影響,導致一些橋梁的品質逐年下降,出現大量的破損和病害,不得不進行大范圍維修［2］。但目前實際的改造項目往往是重加固改造輕養護,且目前的橋梁養護研究往往是定性研究,難以量化分析。近年來,如何進行養護來預防和延緩橋梁病害的出現,以及怎樣量化養護指標的研究引起眾多研究人員的高度重視［3-5］。本文以某鋼筋混凝土簡支梁為例介紹基于風險分析的養護方法,首先建立橋梁工程風險評估體系,然后分析可能存在的風險因素并劃分類別,進而評估橋梁構件風險值,在此基礎上將養護后風險減少量和養護成本作為評價指標,通過效益-成本分析確定橋梁的最優養護方案。

1 風險分析

基于風險分析的養護方法主要包括風險識別、風險評估和橋梁養護等三個步驟。

1.1 風險識別

風險識別首先要求評估人員廣泛收集數據,征求各方意見,在此基礎上詳細、透徹地分析可能存在的風險因素,進行風險類別劃分,清理各風險因素及其相互關系［6］；然后確定橋梁構件的計量單位和量；最后通過檢查人員檢查得到橋梁構件的狀態和狀態分布情況。

鋼筋混凝土梁的失效模式主要包括彎曲失效和剪切失效兩種,本文主要討論彎曲失效模式。鋼筋混凝土梁的狀況可由一系列狀態描述得到,狀態分布由檢查人員通過實地外觀檢查確定,檢查者權重相同。

1.2 風險評估

風險評估用來確定橋梁構件的失效模式,估計失效概率和計算失效后果［7］。其結果為構件在不同狀態下的風險和數量分布,為評估構件風險和風險預測奠定基礎。

風險評估首先需要確定構件的失效模式,然后計算橋梁構件的失效概率,隨后確定橋梁構件的失效后果,最后通過失效概率和失效后果得到構件的風險值。

對于鋼筋混凝土梁,其名義抗彎強度［8］為：

式中：Mn——主梁名義抗彎強度；

fsd——縱向鋼筋抗拉強度設計值；

As——縱向鋼筋截面面積；

d——截面有效高度；

a——計算受壓區高度。

根據鋼筋混凝土梁名義抗彎強度的偏差系數λR和變異系數VR,可計算出鋼筋混凝土梁名義抗彎強度的平均值μR和標準差σR：

荷載作用矩為恒載(DL)、活載(LL)和沖擊荷載(IL)三種荷載組合下的彎矩,當目標可靠指標βT= 3.5時,可根據下式求解得到荷載變量L。

在得到荷載變量L后,可利用其偏差系數γLq和變異系數VLq計算得到彎曲失效模式下荷載作用矩的平均值和標準差：

將鋼筋混凝土梁的名義抗彎強度和荷載作用矩的平均值和標準差帶入公式(4)即可得到各種狀態下的可靠性指標。隨之可以求出五種狀態下的失效概率：

橋梁構件的失效后果包括構件失效、橋梁性能損害、交通延誤、事故損害、健康和安全損害、環境損害、對附近商家的損害和對公眾的影響等八種情況。通過對各項后果的成本簡單求和得到失效總后果CF：

其中,Ce為構件失效后果；Cb為橋梁性能損害后果；Cu為交通延誤后果；Ca為事故損害后果；Ch為健康和安全損害后果；Cenv為環境損害后果；Cnb為對附近商家的損害后果；Cp為對公眾的影響后果。

橋梁構件的風險值可以根據失效概率和失效后果估計：

根據風險識別中確定的鋼筋混凝土梁的總量,進一步可以求得主梁失效的單位風險值。

1.3 橋梁養護

橋梁養護評估體系難以量化,目前大多數研究只是定性研究。利用前文得到的橋梁構件風險值,可將橋梁構件養護后風險減少量和養護成本作為評價指標,通過效益-成本分析確定橋梁的最優養護方案,主要計算流程如圖1所示。

圖1 最優養護方案確定流程圖

對于需要養護的橋梁構件,確定n種預選養護方案,分別計算養護后的總風險Ri(i=1,2,…n)和不進行任何養護的總風險R0。則第i(i=1,2,…n)種養護方案的風險減少量為：

根據養護方案確定第i種養護方案的成本Ci,然后利用效益-成本分析研究不同養護方案的經濟效益指標比較養護方案的優劣。效益-成本分析指標主要包括效益-成本比BCRi、凈現值NPVi、效益-成本可靠性指標βi和效益-成本失效概率Pf，i：

利用效益-成本分析指標可對養護方案量化分析,同時具有高效益-成本比,高凈現值,高效益-成本可靠性指標和低效益-成本失效概率的橋梁構件養護方案,即為最優橋梁構件養護方案。基于風險分析的鋼筋混凝土梁養護的具體步驟在以下實例中詳細說明。

2 實例分析

本文以某鋼筋混凝土簡支梁為例,詳細闡述基于風險分析的橋梁構件養護的具體步驟。鋼筋混凝土梁縱向長度為10 m,截面尺寸為1 000 mm× 250 mm,混凝土采用C45混凝土,抗壓強度設計值fcd=20.5 MPa；鋼筋為HRB440鋼筋,抗拉強度設計值fsd=330 MPa,直徑D=20 mm,保護層c=40 mm。鋼筋混凝土梁截面的具體參數如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土梁截面圖(單位:mm)

2.1 鋼筋混凝土梁狀態分布

鋼筋混凝土梁失效模式主要考慮彎曲失效,通過鋼筋混凝土梁抗彎能力的減少量來計算構件的失效概率。鋼筋混凝土梁的狀況由五種狀態描述,狀態的分布由五位檢查者通過檢查確定。同時確定鋼筋混凝土梁的量為S=10×1=10(m2)。假定彎曲失效時,五種狀態分別為鋼筋直徑減少1%, 2%,5%,10%,20%的狀態,則可通過檢查人員的檢查結果計算得出鋼筋混凝土梁五種狀態的分布(見表1)。

表1 鋼筋混凝土梁各狀態面積的分布表

2.2 鋼筋混凝土梁失效概率計算

鋼筋混凝土梁的名義抗彎強度可根據公式(1)得到。根據文獻［9］,鋼筋混凝土梁抗彎強度的偏差系數和變異系數分別為1.14和0.13,由公式(2)和(3)可計算出名義抗彎強度的平均值和標準差。具體計算如表2所列。

表2 鋼筋混凝土梁名義抗彎強度計算表

根據公式(4)可以得到荷載變量。根據文獻［9］,活載(LL)和沖擊荷載(IL)的和為恒載(DL)的三倍,荷載作用時偏差系數λLq和VLq變異系數為：恒載組合1.03和0.08,活載和沖擊荷載組合1.2和0.18。通過式(5)和式(6)可以計算彎曲失效模式下荷載作用矩的平均值μLq和標準差σLq,計算結果如表3所列。

得到荷載作用矩和五種狀態下抗彎強度的平均值和標準差后,可利用式(4)計算得到五種狀態下的可靠性指標,計算結果見表4所列。

通過失效概率計算公式(7)可以求出五種狀態下的失效概率,表5列出了五種狀態下的失效概率及其與設計狀態的失效概率比。

從計算結果可以看出,狀態1的失效概率是設計狀態的1.39倍,狀態5的失效概率是設計狀態的817.61倍。隨著鋼筋直徑的減少,鋼筋混凝土梁的失效概率急劇增大。

表3 鋼筋混凝土梁荷載作用矩計算表

表4 梁彎曲失效可靠性指標計算表

表5 鋼筋混凝土梁彎曲失效概率計算表

2.3 失效后果計算

表6列出了各自領域專家得出的主梁彎曲失效的各種后果成本上限值和下限值。通過各項后果的成本上限值和下限值可以計算得到各項后果的平均值和標準差。

表6 失效后果的上下限值及均值和標準差一覽表

2.4 風險評估

鋼筋混凝土梁的風險值可以根據失效概率和失效后果估計(式9),進一步可以求得失效的單位風險值(見表7)。

表7 彎曲失效的總風險值和單位風險值一覽表

利用主梁的狀態分布和各種失效狀態的單位風險值,可計算得到主梁的風險分布和失效風險(見表8)。

表8 鋼筋混凝土梁失效風險計算表

2.5 橋梁養護方案確定

對于需要養護的鋼筋混凝土梁,確定n種預選養護方案,分別計算養護后的總風險Ri=(i=1，2，…n)和不進行任何養護的總風險R0。通過式(10)可得到第i(i=1，2，…n)種養護方案的風險減少量。隨后可通過養護方案確定養護成本。

在得到養護方案的風險減少量和養護成本后,利用公式(11)～式(14)中四個效益-成本分析指標,可對養護方案量化分析,從而得到具有高效益-成本比、高凈現值、高效益-成本可靠性指標和低效益-成本失效概率的鋼筋混凝土養護方案,即為最優養護方案。

3 結語

通過計算橋梁構件養護方案風險減少量和養護方案成本,可以得到橋梁構件養護方案的評價指標。效益-成本分析為橋梁構件養護的量化分析和最優養護方案的確定提供了便利。最優養護方案具有高效益-成本比,高凈現值,高效益-成本可靠性指標和低效益-成本失效概率。

本文詳細說明了鋼筋混凝土梁失效風險的計算步驟和最優養護方案的確定方法。對于其他橋梁構件亦可以根據以上步驟計算各自的失效風險,所有構件失效風險之和即為整橋的失效風險,通過整橋的成本-效益分析亦可確定整橋的最優養護方案。

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U445.7

B

1009-7716(2015)09-0159-04

2015-05-22

張立(1983-),男,湖北咸寧人,碩士,工程師,從事公路規劃建設管理工作。