在役公路橋梁壽命評估與預(yù)測分析

王 旭，管錫琨，黃桂林

(1.黑龍江省交通科學研究所;2.東北林業(yè)大學)

在役公路橋梁壽命評估與預(yù)測分析

王 旭1，管錫琨2，黃桂林2

(1.黑龍江省交通科學研究所;2.東北林業(yè)大學)

大量在役橋梁承載能力不足、老化、破損使得在役橋梁的技術(shù)狀況預(yù)測和壽命預(yù)測成為國內(nèi)外十分關(guān)注的課題。因此，在建立在役橋梁抗力衰減模型及荷載模型的基礎(chǔ)上，引入時變可靠度理論，建立橋梁極限狀態(tài)方程。利用Jc法計算橋梁結(jié)構(gòu)時變可靠度指標。引入橋梁工程中的0.85β0這個系數(shù)來預(yù)測混凝土橋梁的剩余使用壽命。并編制計算混凝土橋梁剩余使用壽命的計算程序，可為同類工程提供參考。

在役橋梁;壽命;預(yù)測;可靠度

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，交通運輸事業(yè)取得長足的進步，具體表現(xiàn)為交通量猛增，載重量增大。由于設(shè)計標準的改變，載重能力的提高，使得許多在役橋梁的承載力變得偏低，橋面偏窄，線型不良。

我國在役混凝土橋梁存在大量的問題。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，僅公路橋梁就有5 000多座危橋，鐵路橋梁有病害橋6 137座，占橋梁總數(shù)的18.8%，其中混凝土橋為2 675座，混凝土裂損722座。隨著混凝土橋梁使用年限的增長，舊橋老化日益嚴重，在我國近20年來，公路交通量和車輛載重不斷增加，公路橋梁負荷日趨加重，這就必然加劇既有橋梁的損傷。而如何預(yù)測混凝土橋梁的使用壽命以及采取何種有效的預(yù)防措施成為一個迫切需要解決的課題。

混凝土的使用壽命是一個與時間有關(guān)的過程。Rostam認為，幾乎所有的混凝土的劣化都經(jīng)過兩個階段:初始階段和擴展階段。在初始階段，沒有明顯的材料弱化或結(jié)構(gòu)功能退化等現(xiàn)象出現(xiàn)，但保護層被某些侵蝕介質(zhì)破壞;擴展階段，將出現(xiàn)主動性的損傷并加速發(fā)展。Geiker等人將使用壽命定義為三部分時間的和，即t=t1+t2+t3，其中:t1為達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間;t2為暴露的混凝土中鋼筋處的氯離子達到臨界濃度所需要的時間;t3為達到必須修補狀態(tài)所需時間。

2 預(yù)測方法

目前橋梁使用壽命預(yù)測的方法有:基于經(jīng)驗的預(yù)測、性能相似對照法的預(yù)測、加速試驗法的預(yù)測、數(shù)學模型法的預(yù)測、隨機方法的預(yù)測。

2.1 基于經(jīng)驗的預(yù)測

這是一種基于實驗室、現(xiàn)場設(shè)定以及經(jīng)驗知識來預(yù)測混凝土服役壽命的方法。這種是在經(jīng)驗知識的前提下進行直觀推斷。這種方法假定，如果混凝土是遵循標準化生產(chǎn)原則，它必然會有使用壽命期限。此方法擔供了一種假定的混凝土服役壽命預(yù)測方法，尤其是當設(shè)計年限很短或者混凝土在非嚴酷的環(huán)境中工作時，在使用期內(nèi)混凝土能充分地滿足性能要求。但這個理論使用時有如下一些局限性。

(1)要預(yù)測的混凝土服役期大于已有期限內(nèi)混凝土的經(jīng)驗知識時。

(2)遇到新的環(huán)境或存在侵蝕性的環(huán)境時。

(3)應(yīng)用全新的混凝土材料時。

對混凝土使用壽命進行半定量預(yù)測的常用方法是基于試驗或由具有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗的專家判斷。只要按照標準設(shè)計與施工，則混凝土應(yīng)該具有所需要的壽命。這一方法的缺點是:當所需預(yù)測的混凝土壽命超過專家經(jīng)驗、應(yīng)用于新的環(huán)境或使用新型混凝土材料時容易產(chǎn)生失誤。而且研究實例表明，對混凝土耐久性的經(jīng)驗性或者定性評論僅僅是一種預(yù)測，尚不能形成有效預(yù)測服役壽命的基礎(chǔ)，認為根據(jù)經(jīng)驗或定性估計不能作為使用壽命預(yù)測的可靠基礎(chǔ)。

2.2 性能相似對照法的預(yù)測

這種預(yù)測方法尚未普遍應(yīng)用。但其應(yīng)用會隨著老化混凝土結(jié)構(gòu)的增加而增長。用這種相似對照材料性能的方法假定，如果混凝土在確認時間內(nèi)是可靠的，則處于相似環(huán)境內(nèi)的類似混凝土也應(yīng)具有相同的可靠期。此方法存在的問題是任何混凝土結(jié)構(gòu)由于材料、尺寸、施工情況、所處工作環(huán)境與施加荷載的不同都具有唯一性;而且多年來混凝土材料的性能也發(fā)生了改變。而且不同的微氣候(混凝土表面的環(huán)境)會對混凝土耐久性造成不可預(yù)測的影響。相對應(yīng)的是化學和礦物外加劑的發(fā)展也促進了高耐久性的高性能混凝土的應(yīng)用，而且外加劑、摻合料也在變化，所以，即使所處環(huán)境是基本一致，相似對照法比較新舊混凝土之間的耐久性也相當困難，且存在著相當大的局限性，所以預(yù)測混凝土的壽命仍然不能一擊而中。

2.3 加速實驗法的預(yù)測

混凝土的耐久性與滲透性聯(lián)系密切，因此國內(nèi)外學者對混凝土的滲透性能進行了大量研究工作并提出了相應(yīng)的測試方法，有透水法、透氣法、混凝土氯離子滲透性測試法。

目前，普遍認為混凝土的滲透性能可以由氯離子的傳輸性來體現(xiàn)，而且只要鋼筋周圍的氯離子達到一定的濃度，而且其他條件同時具備就會發(fā)生鋼筋銹蝕。此時即可認為結(jié)構(gòu)壽命達到終結(jié)。因此，可以將混凝土中氯離子達到臨界濃度的時間看作混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

上述橋梁使用壽命預(yù)測方法只注重一個老化、劣化過程，然而多個損傷進程會同時發(fā)生，或者存在環(huán)境與荷載的交互作用，都會導(dǎo)致劣化。在役橋梁因?qū)е铝踊囊蛩仉y以識別，這種交互作用效應(yīng)使壽命預(yù)測復(fù)雜化。制約鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命的主要因素包括:氯離子侵蝕、碳化作用、化學物質(zhì)(酸性物質(zhì)和硫酸鹽)侵蝕、凍融循環(huán)、荷載(疲勞、振動、局部超載)。特殊情況下，只考慮一個主要制約因素的作用并據(jù)此進行壽命預(yù)測;當多因素作用時，因可用的交互作用影響資料有限，著重關(guān)注前述的顯著環(huán)境因素的影響。因而應(yīng)用概率方法進行結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命預(yù)測是非常合理的方法。

3 隨機方法的預(yù)測

影響在役橋梁的使用壽命的各因素都是隨機變量，甚至是隨時間變化的隨機過程，所以，應(yīng)用隨機方法進行橋梁的剩余使用壽命的預(yù)測是非常合理的。

隨機方法是在建立在橋梁抗力衰減模型及荷載模型的基礎(chǔ)上，引入時變可靠度理論，建立橋梁極限狀態(tài)方程。利用Jc法計算橋梁結(jié)構(gòu)時變可靠指標。引入橋梁工程中的0.85β0這個系數(shù)來預(yù)測混凝土梁橋的剩余使用壽命。并編制計算混凝土橋梁剩余使用壽命的計算程序。

(1)建立在役橋梁的抗力模型

首先考慮混凝土碳化、鋼筋銹蝕、鋼筋強度、混凝土強度等因素對橋梁結(jié)構(gòu)的抗力衰減的影響，建立結(jié)構(gòu)的抗力衰減模型。

(2)建立在役橋梁的荷載模型

公路橋梁的荷載模型主要由活載和恒載組成，活載效應(yīng)取決于車輛荷載、軸重、軸的類型、橋上的車輛數(shù)、路面狀況及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度等。這些參數(shù)在整個服役過程中都是隨時間變化的隨機變量。對于在役橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量使用現(xiàn)場檢測、調(diào)查得到的數(shù)據(jù)來估計及修正荷載效應(yīng)模型。

(3)進行壽命預(yù)測

①建立可靠度極限狀態(tài)方程

②計算結(jié)構(gòu)的時變可靠度指標

根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度的定義，結(jié)構(gòu)服役過程中的動態(tài)可靠度可定義為

式中:R(t)為結(jié)構(gòu)抗力隨機過程;S(t)為作用效應(yīng)隨機過程;t為結(jié)構(gòu)使用壽命。

結(jié)構(gòu)動態(tài)可靠指標可以表示為

可靠指標是結(jié)構(gòu)服役時間t的函數(shù)。

利用Jc法求解可靠度指標迭代計算可知β值的一般式為

③以0.85β0為準則，編制計算程序，預(yù)測在役橋梁在一定可靠度水平下的使用壽命。

4 工程實例

4.1 工程概況

某大橋位于綏北公路海倫至北安段，建于1993年，橋跨布置為10×20 m鋼筋混凝土T形梁橋。設(shè)計荷載為汽車－20級;掛車－100。橋面鋪裝為8 cm厚瀝青混凝土。墩臺采用樁柱式橋臺，樁柱式橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。橋面寬為凈－10 m+2×1 m防撞護欄。

4.2 壽命預(yù)測

本橋梁的荷載橫向分布系數(shù)采用剛接橫梁法計算，經(jīng)過計算得出1#梁荷載橫向分布系數(shù)為0.507，2#梁荷載橫向分布系數(shù)為0.432，3#梁荷載橫向分布系數(shù)為0.407。由于進行橋梁剩余使用壽命預(yù)測時，將該橋的七片T梁看作是串連系統(tǒng)，若任何一片梁失效將導(dǎo)致整座橋梁失效，因1#梁的荷載恒向分布系數(shù)最大，故以1號梁為受力最不利梁來計算橋梁的使用壽命。

首先寫出耐久性極限狀態(tài)方程，即

考慮按彎矩失效模式取值，即

式中各個參數(shù)的意義如下

b為受壓區(qū)梁寬，為常量;h0為梁的實際有效高度;fy(t)為鋼筋抗拉強度隨時間變化的函數(shù)，正態(tài)變量;Ra(t)為混凝土抗壓強度隨時間變化的函數(shù)，正態(tài)變量;As(t)為鋼筋截面面積隨時間變化的函數(shù);SG為恒載效應(yīng)值;S1QK為標準車輛荷載計算的效應(yīng)值;KSQ為荷載效應(yīng)比。

在本案例中，經(jīng)計算

鋼筋截面面積平均值取76 cm2，鋼筋截面面積標準差取3 cm2;鋼筋強度平均值取為360 MPa，鋼筋強度標準差為21.4 MPa;混凝土強度的平均值為14.3 MPa，混凝土強度的標準差為0.78 MPa;其余各值根據(jù)前面所列表格的內(nèi)容取值。然后把這些數(shù)據(jù)輸入到橋梁剩余使用壽命預(yù)測程序中。

取目標可靠指標β0=4.2，對橋梁剩余使用壽命進行預(yù)測，首先輸入各參數(shù)到程序界面。

圖1 數(shù)據(jù)輸入圖

點擊結(jié)果輸出，輸出如下結(jié)果。

圖2 結(jié)果輸入圖

由程序輸出結(jié)果可知，該橋梁在已經(jīng)使用17年后，剩余使用壽命為38年。

5 結(jié)論

(1)在役橋梁是社會的寶貴財產(chǎn)，是保證交通安全暢通的關(guān)鍵。但大量在役橋梁承載能力不足、老化、破損己成為世界性的問題。在役橋梁技術(shù)狀況預(yù)測和壽命預(yù)測，己成為國內(nèi)外十分關(guān)注的課題。

(2)基于經(jīng)驗的預(yù)測法僅僅是一種預(yù)測，尚不能形成有效的預(yù)測服役壽命的基礎(chǔ);相似對照法比較新舊混凝土之間的耐久性相當困難，且存在著相當大的局限性，所以預(yù)測混凝土的壽命仍然不能一擊而中;而加速實驗可操作性差、實驗?zāi)晗捱^長;而影響在役橋梁的使用壽命的各因素都是隨機變量，甚至是隨時間變化的隨機過程，所以，應(yīng)用隨機方法進行橋梁的剩余使用壽命的預(yù)測是非常合理的。

(3)建立在役橋梁抗力衰減模型及荷載模型的基礎(chǔ)上，引入時變可靠度理論，建立橋梁極限狀態(tài)方程。利用Jc法計算橋梁結(jié)構(gòu)時變可靠指標。引入橋梁工程中的0.85β0這個系數(shù)來預(yù)測混凝土梁橋的剩余使用壽命。并編制計算混凝土橋梁剩余使用壽命的計算程序，可為同類工程提供參考。

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1008－3383(2011)12－0067－03

2011－10－11