王 旭，管錫琨，黃桂林

(1.黑龍江省交通科學(xué)研究所;2.東北林業(yè)大學(xué))

在役公路橋梁壽命評(píng)估與預(yù)測(cè)分析

王 旭1，管錫琨2，黃桂林2

(1.黑龍江省交通科學(xué)研究所;2.東北林業(yè)大學(xué))

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(cè)和壽命預(yù)測(cè)成為國(guó)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(shí)變可靠度理論，建立橋梁極限狀態(tài)方程。利用Jc法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度指標(biāo)。引入橋梁工程中的0.85β0這個(gè)系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)混凝土橋梁的剩余使用壽命。并編制計(jì)算混凝土橋梁剩余使用壽命的計(jì)算程序，可為同類工程提供參考。

在役橋梁;壽命;預(yù)測(cè);可靠度

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸事業(yè)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，具體表現(xiàn)為交通量猛增，載重量增大。由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)在役混凝土橋梁存在大量的問(wèn)題。根據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，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?yàn)? 675座，混凝土裂損722座。隨著混凝土橋梁使用年限的增長(zhǎng)，舊橋老化日益嚴(yán)重，在我國(guó)近20年來(lái)，公路交通量和車輛載重不斷增加，公路橋梁負(fù)荷日趨加重，這就必然加劇既有橋梁的損傷。而如何預(yù)測(cè)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(gè)迫切需要解決的課題。

混凝土的使用壽命是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程。Rostam認(rèn)為，幾乎所有的混凝土的劣化都經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段:初始階段和擴(kuò)展階段。在初始階段，沒(méi)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(hù)層被某些侵蝕介質(zhì)破壞;擴(kuò)展階段，將出現(xiàn)主動(dòng)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(shí)間的和，即t=t1+t2+t3，其中:t1為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間;t2為暴露的混凝土中鋼筋處的氯離子達(dá)到臨界濃度所需要的時(shí)間;t3為達(dá)到必須修補(bǔ)狀態(tài)所需時(shí)間。

2 預(yù)測(cè)方法

目前橋梁使用壽命預(yù)測(cè)的方法有:基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)、性能相似對(duì)照法的預(yù)測(cè)、加速試驗(yàn)法的預(yù)測(cè)、數(shù)學(xué)模型法的預(yù)測(cè)、隨機(jī)方法的預(yù)測(cè)。

2.1 基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)

這是一種基于實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定以及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)預(yù)測(cè)混凝土服役壽命的方法。這種是在經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的前提下進(jìn)行直觀推斷。這種方法假定，如果混凝土是遵循標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)原則，它必然會(huì)有使用壽命期限。此方法擔(dān)供了一種假定的混凝土服役壽命預(yù)測(cè)方法，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)年限很短或者混凝土在非嚴(yán)酷的環(huán)境中工作時(shí)，在使用期內(nèi)混凝土能充分地滿足性能要求。但這個(gè)理論使用時(shí)有如下一些局限性。

(1)要預(yù)測(cè)的混凝土服役期大于已有期限內(nèi)混凝土的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)時(shí)。

(2)遇到新的環(huán)境或存在侵蝕性的環(huán)境時(shí)。

(3)應(yīng)用全新的混凝土材料時(shí)。

對(duì)混凝土使用壽命進(jìn)行半定量預(yù)測(cè)的常用方法是基于試驗(yàn)或由具有豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的專家判斷。只要按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(diǎn)是:當(dāng)所需預(yù)測(cè)的混凝土壽命超過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用于新的環(huán)境或使用新型混凝土材料時(shí)容易產(chǎn)生失誤。而且研究實(shí)例表明，對(duì)混凝土耐久性的經(jīng)驗(yàn)性或者定性評(píng)論僅僅是一種預(yù)測(cè)，尚不能形成有效預(yù)測(cè)服役壽命的基礎(chǔ)，認(rèn)為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或定性估計(jì)不能作為使用壽命預(yù)測(cè)的可靠基礎(chǔ)。

2.2 性能相似對(duì)照法的預(yù)測(cè)

這種預(yù)測(cè)方法尚未普遍應(yīng)用。但其應(yīng)用會(huì)隨著老化混凝土結(jié)構(gòu)的增加而增長(zhǎng)。用這種相似對(duì)照材料性能的方法假定，如果混凝土在確認(rèn)時(shí)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(wèn)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(lái)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(huì)對(duì)混凝土耐久性造成不可預(yù)測(cè)的影響。相對(duì)應(yīng)的是化學(xué)和礦物外加劑的發(fā)展也促進(jìn)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(duì)照法比較新舊混凝土之間的耐久性也相當(dāng)困難，且存在著相當(dāng)大的局限性，所以預(yù)測(cè)混凝土的壽命仍然不能一擊而中。

2.3 加速實(shí)驗(yàn)法的預(yù)測(cè)

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

目前，普遍認(rèn)為混凝土的滲透性能可以由氯離子的傳輸性來(lái)體現(xiàn)，而且只要鋼筋周圍的氯離子達(dá)到一定的濃度，而且其他條件同時(shí)具備就會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕。此時(shí)即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)壽命達(dá)到終結(jié)。因此，可以將混凝土中氯離子達(dá)到臨界濃度的時(shí)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(cè)方法只注重一個(gè)老化、劣化過(guò)程，然而多個(gè)損傷進(jìn)程會(huì)同時(shí)發(fā)生，或者存在環(huán)境與荷載的交互作用，都會(huì)導(dǎo)致劣化。在役橋梁因?qū)е铝踊囊蛩仉y以識(shí)別，這種交互作用效應(yīng)使壽命預(yù)測(cè)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(xué)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(dòng)、局部超載)。特殊情況下，只考慮一個(gè)主要制約因素的作用并據(jù)此進(jìn)行壽命預(yù)測(cè);當(dāng)多因素作用時(shí)，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(jìn)行結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命預(yù)測(cè)是非常合理的方法。

3 隨機(jī)方法的預(yù)測(cè)

影響在役橋梁的使用壽命的各因素都是隨機(jī)變量，甚至是隨時(shí)間變化的隨機(jī)過(guò)程，所以，應(yīng)用隨機(jī)方法進(jìn)行橋梁的剩余使用壽命的預(yù)測(cè)是非常合理的。

隨機(jī)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(shí)變可靠度理論，建立橋梁極限狀態(tài)方程。利用Jc法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠指標(biāo)。引入橋梁工程中的0.85β0這個(gè)系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)混凝土梁橋的剩余使用壽命。并編制計(jì)算混凝土橋梁剩余使用壽命的計(jì)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(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)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(gè)服役過(guò)程中都是隨時(shí)間變化的隨機(jī)變量。對(duì)于在役橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量使用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、調(diào)查得到的數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)及修正荷載效應(yīng)模型。

(3)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)

①建立可靠度極限狀態(tài)方程

②計(jì)算結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠度指標(biāo)

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

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

結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可靠指標(biāo)可以表示為

可靠指標(biāo)是結(jié)構(gòu)服役時(shí)間t的函數(shù)。

利用Jc法求解可靠度指標(biāo)迭代計(jì)算可知β值的一般式為

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

4 工程實(shí)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(jì)荷載為汽車－20級(jí);掛車－100。橋面鋪裝為8 cm厚瀝青混凝土。墩臺(tái)采用樁柱式橋臺(tái)，樁柱式橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。橋面寬為凈－10 m+2×1 m防撞護(hù)欄。

4.2 壽命預(yù)測(cè)

本橋梁的荷載橫向分布系數(shù)采用剛接橫梁法計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)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(jìn)行橋梁剩余使用壽命預(yù)測(cè)時(shí)，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(hào)梁為受力最不利梁來(lái)計(jì)算橋梁的使用壽命。

首先寫(xiě)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(gè)參數(shù)的意義如下

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

在本案例中，經(jīng)計(jì)算

鋼筋截面面積平均值取76 cm2，鋼筋截面面積標(biāo)準(zhǔn)差取3 cm2;鋼筋強(qiáng)度平均值取為360 MPa，鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為21.4 MPa;混凝土強(qiáng)度的平均值為14.3 MPa，混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)程序中。

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

圖1 數(shù)據(jù)輸入圖

點(diǎn)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(huì)的寶貴財(cái)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(wèn)題。在役橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)，己成為國(guó)內(nèi)外十分關(guān)注的課題。

(2)基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)法僅僅是一種預(yù)測(cè)，尚不能形成有效的預(yù)測(cè)服役壽命的基礎(chǔ);相似對(duì)照法比較新舊混凝土之間的耐久性相當(dāng)困難，且存在著相當(dāng)大的局限性，所以預(yù)測(cè)混凝土的壽命仍然不能一擊而中;而加速實(shí)驗(yàn)可操作性差、實(shí)驗(yàn)?zāi)晗捱^(guò)長(zhǎng);而影響在役橋梁的使用壽命的各因素都是隨機(jī)變量，甚至是隨時(shí)間變化的隨機(jī)過(guò)程，所以，應(yīng)用隨機(jī)方法進(jìn)行橋梁的剩余使用壽命的預(yù)測(cè)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(shí)變可靠度理論，建立橋梁極限狀態(tài)方程。利用Jc法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠指標(biāo)。引入橋梁工程中的0.85β0這個(gè)系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)混凝土梁橋的剩余使用壽命。并編制計(jì)算混凝土橋梁剩余使用壽命的計(jì)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