漆景星,侯艳红

(长安大学工程设计研究院公路院,西安 710064)

0 引 言

随着我国交通事业的迅猛发展,在加快公路桥梁建设的同时如何保证在役桥梁营运的安全可靠性,如何对其可靠性进行评估已成为全世界普遍关注的问题。

近些年来,我国的公路交通量急速增长,大型重载的运输工具越来越多,尤其是大型水电站、矿山建设中,大吨位车辆的通行,往往会产生超载,超限等运输问题;另一方面,原有的一些旧桥由于年代久远,原设计标准低、到如今老化、破损等问题都对桥梁产生了影响和破坏。

因此,如何评价在役桥梁的承载能力和安全度,如何正确地评估结构物的损伤程度,从而为桥梁养护部门制定加固维修方案提供合理的理论依据,已经引起全世界的关注[1]。

1 桥梁可靠性评估方法综述

与设计相比,桥梁可靠性评估要复杂得多。一般而言,评估是一个考虑结构损伤和运营状态,并以整个结构体系 (上部、下部结构和基础工程)为对象,对桥梁的可靠性 (安全性、适用性、耐久性)进行分析评估并作出决策 (如正常使用、限制试用、修理加固、替换更新等)的过程。目前存在多种可靠性评估的理论及方法,根据各方法的特征,大致可分为基于外观调查的方法、基于设计规范的方法、荷载试验法、基于专家经验的方法和基于结构可靠性理论的方法。各方法之间存在着一定的区别和联系[2]。

我国最初评估旧桥可靠性时,用的是专家意见决策的方法。即把熟悉该桥梁的专家请到现场去查看一下桥梁的老化病害情况。经过专家本人的判断,提出一个结论性的意见。这种方法,简便易行,节省资金、时间。但是由于没有检测,对强度、稳定等安全性方面的判断全凭经验。不同的专家下的结论差异较大。后来采取开专家会议的方法,即多聘请几位专家,开会发言。最后由专家组长统一大家的意见,写出鉴定意见。此法有集思广益的优点,但主观因素并未排除。后来用模糊决策法。只是评估指标量化用的隶属函数曲线。多因素综合用的是权向量和模糊关系矩阵的合成运算法则。其问题是隶属函数曲线的拟定缺乏长期广泛的实际资料的支持。固定的评估指标和不变的权系数问题仍然存在。对于老化病害的桥梁要探明其老化病害的原因,取到水下水中构件的检测数据并非易事。桥梁当然是一个灰色系统。想从上部结构的老化病害状况推知水下、土中的病害状况,用白化权函数来解决这一问题。想法当然是不错的,可惜的是,拟定一套普遍适用于全国各地的白化权函数图集不是一朝一夕的事。权系数固定、评估指标固定的问题仍然存在[2][3]。

用概率分析的方法,计算旧桥的可靠性也曾尝试过。无论是构件截面可靠度的计算,还是结构体系可靠度的计算,用的都是简化、实用的方法。这对于评估来说,是可以的。荷载和抗力的概率分布函数,用的都是简化、实用的方法。这对于评估来说,也是可以的。荷载和抗力的概率分布函数,用的都是大家常用的模型。耐久性和适用性方面的问题,用什么模型,目前并不成熟。在求失效概率时,常会遇到多重积分的问题。用的当然是数值积分的方法。为了降低积分重数,大多用一些假定。总而言之,目前仍停留在理论研究上,还未进入实用阶段[4]。

目前有些国家制定了专家系统的结构,所谓桥梁可靠性评估专家系统,就是利用计算机模拟有经验专家的决策机理,对既有桥梁进行综合评估的方法,用的是流行结构。知识表示用的是规则表示法,即产生规则。推理方法用的是正向推理和返回跟踪。若间接估计所需要的数据,就要用似然推理的方法,此法取得原始数据的方法有无损检测、静动载试验等。评估指标都可量化,对强度、稳定等问题都经过了计算并有固定的评估层次模型。最后得出的评估结论都是量化数字。但是,其缺点是评估指标的个数是固定的,不能适应全国各地不同的自然条件。有些地方可能没有某个评估指标反映的问题,而有的问题在评估指标中又没有反映出来。另外,评估指标的权系数是固定不变的,用的又是加权平均的多因素综合法。有时会得出大家都有异议的结论[3]。

而我国目前用于桥梁可靠性评估的最常用方法是基于荷载试验的桥梁的可靠性方法。这是通过现场试验对桥梁结构进行评估的方法,根据荷载作用在桥上的性质,试验可分成静载试验和动载试验。根据试验目的,荷载试验可分为结构行为试验 (证实弹性行为,试验荷载远低于设计荷载)、应力历程试验 (确定应力谱分布,试验荷载为正常交通荷载)、诊断试验 (诊断桥梁病害的原因)、验证试验和破坏试验。与桥梁承载能力评估相关的试验主要是后两种。该方法最主要的优点是实践性强,人为因素小,以荷载试验的数据说话,最后得出的评估结论都是应力,应变的量化数字,说服力强,得到广泛应用。通过静载试验,可以准确确定桥梁的承载能力及安全性,通过动载试验,可以确定桥梁的运营与损耗情况[1][4]。

将静载试验应用于桥梁评估,大致有以下两种方式,第一种方式是实测结构响应 (如挠度、应力应变、裂缝宽度),并将其与规范容许值相比较,由此推算对应的荷载等级和承载能力。但应指出,当试验荷载较小时,根据结构响应外推的承载能力是不大可信的。第二种方式是借助试验结果修正结构抗力。但是,该方法也有不足之处。静载试验对桥梁地理位置要求较高,如果桥下净空高,而在没有桥梁检测车时,搭支架往往费时费力,不易操作。而静载试验数据采集的准确性也取决于应变片的粘贴位置,密合度等,对操作的人要求较高。动载试验应用于桥梁评估的目的是测定桥梁结构的动力特性,即桥梁结构的自振频率、振型、阻尼比等结构模态参数;测定结构在动荷载作用下的强迫振动响应,即结构的动位移、动应力、冲击系数等,并通过这些数据来推断桥梁的损耗程度。而目前尚不能将动载试验的结果与桥梁的承载力建立联系,对动载试验的数据不能完全利用。而研究动载试验的结果与桥梁的承载力之间的联系,通过动载试验的结果来确定桥梁的可靠性将是以后研究的方向。

2 结 语

伴随着 “以人为本”的和谐社会的建设,本着对人民的安全负责任的态度,为了充分发挥现有桥梁的作用,合理使用桥梁的维修加固费用,保证行车安全,必须对桥梁的可靠性作出恰当的评价。而各种评估方法的研究和应用仍是一项任重而道远的工作。目前,在国外,基于结构可靠性理论制定的桥梁评估规范已进入实用阶段,我国在 “八五”以后也已经在许多重大研究课题中列入了有关已建结构可靠性方面的内容,这有力地推动了我国已建结构可靠度理论的发展。在目前存在的多种可靠性评估的理论与方法中,基于荷载试验的桥梁的安全性评估将得到广泛的应用。

[1]王有志,王广洋,任锋,等.桥梁的可靠性评估与加固[M].北京:中国水力水电出版社,2002.

[2]李亚东.既有桥梁评估方法研究[J].铁道学报,1997,19(3):109-115.

[3]任凉州.既有公路混凝土桥梁状态评估方法研究[D].西安:长安大学,2006.

[4]李杨海,等.公路桥梁结构可靠度与概率极限状态设计[M].北京:人民交通出版社,1997.