鄭立飛 韓忠磊

摘要：橋梁安全性評(píng)估工作已有30多年的歷史，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了許多的橋梁評(píng)估方法，這些方法對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)維修、鑒定評(píng)估和改造加固，都產(chǎn)生了積極的作用。本文對(duì)現(xiàn)有的橋梁安全性評(píng)估方法進(jìn)行了總結(jié)和概括，對(duì)于今后評(píng)估方法的研究也具有積極的意義。

1引言

橋梁結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估研究，是近幾十年來(lái)隨著結(jié)構(gòu)工程研究理論的不斷發(fā)展和工程實(shí)際需要而提出的新課題。安全性評(píng)估是通過(guò)獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)論，獲得結(jié)構(gòu)安全性能的整體評(píng)價(jià)。安全性評(píng)估不但可以科學(xué)的給出結(jié)構(gòu)的可靠性，還是制定養(yǎng)護(hù)和維修計(jì)劃的重要參考。

2 基于外觀檢查評(píng)定法

2.1 評(píng)分系統(tǒng)

這一方法最早用于建筑結(jié)構(gòu)損傷程度的評(píng)估，并逐步發(fā)展成為一種量化的評(píng)分系統(tǒng)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及損傷程度分類需要根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)分析結(jié)果預(yù)先制定。在應(yīng)用時(shí)，由有經(jīng)驗(yàn)的工程師對(duì)既有橋梁進(jìn)行檢查評(píng)分，并依據(jù)對(duì)材料質(zhì)量、損傷程度等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

我國(guó)的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ073-96）中橋梁的綜合評(píng)定結(jié)果共分為四類[1]：一類需要進(jìn)行正常保養(yǎng)；二類則需要進(jìn)行小修；三類需要進(jìn)行中、大修或加固；四類需通過(guò)橋梁檢驗(yàn)（荷載試驗(yàn)）確定加固或改建。

此法的特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單，主要用于對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的評(píng)估，其結(jié)論的可信程度基于評(píng)估者的工程經(jīng)驗(yàn)和判斷能力。

2.2 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

該方法是依據(jù)廣泛的調(diào)查研究，確定若干影響承載能力的系數(shù)及其取值范圍，對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)估的方法。例如，被評(píng)估橋梁的承載能力[2]P可表示為：P=P0·K1·K2·K3·K4

式中：P0為原設(shè)計(jì)承載能力；K1為殘存承載能力系數(shù)（依結(jié)構(gòu)損傷、材料老化程度而定）；K2為反映橋面條件的系數(shù)；K3為反映實(shí)際交通情況的系數(shù)；K4為橋梁建造使用年限系數(shù)。

此方法的特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)便，各系數(shù)由評(píng)估者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況決定。但由于這種研究工作做的不多，系數(shù)的確定比較困難（尤其是K1），其適用性有所限制，計(jì)算結(jié)果較為粗糙。因此沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

3 基于設(shè)計(jì)規(guī)范的方法

橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范是指導(dǎo)橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)基于工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，且不斷充實(shí)和完善。因此，利用橋規(guī)的計(jì)算理論來(lái)分析既有橋梁承載能力的方法，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)并得到廣泛應(yīng)用。

采用以分析計(jì)算為主的評(píng)定方法，仍然是首先通過(guò)對(duì)實(shí)際橋梁進(jìn)行詳盡的外觀調(diào)查，然后將調(diào)查到的資料，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)理論加以分析和計(jì)算，以其結(jié)果對(duì)舊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)定。這是目前在橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)定中運(yùn)用較多的一種方法。

4 荷載試驗(yàn)評(píng)定法

這是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估的方法。根據(jù)荷載作用在橋上的性質(zhì)，試驗(yàn)可分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模奢d試驗(yàn)可分為結(jié)構(gòu)行為試驗(yàn)、應(yīng)力歷程試驗(yàn)、診斷試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)。與橋梁承載能力評(píng)估相關(guān)的試驗(yàn)主要是后兩種。驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是確定橋梁的容許荷載，試驗(yàn)荷載通常等于設(shè)計(jì)荷載；破壞試驗(yàn)可確定橋梁的實(shí)際承載能力，通常用于證實(shí)解析研究的結(jié)果。

5 專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)定法

5.1 橋梁評(píng)估專家系統(tǒng)

與設(shè)計(jì)相比，橋梁評(píng)估要復(fù)雜得多。一般而言，評(píng)估是一個(gè)考慮結(jié)構(gòu)損傷和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，并以整個(gè)結(jié)構(gòu)體系為對(duì)象，對(duì)橋梁的安全性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)并做出決策的過(guò)程。另一方面，評(píng)估與人的工程經(jīng)驗(yàn)有著密切的聯(lián)系。這也使得評(píng)估中包含了許多不定因素。對(duì)如此復(fù)雜的評(píng)估問(wèn)題，不可能建立一個(gè)完善的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確定量的描述，卻適于采用人工智能技術(shù)（如專家系統(tǒng)）加以處理。這是因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)具有知識(shí)處理、表達(dá)、利用和推理的能力，這種能力尤為適用于對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的模糊處理。

5.2 專家意見調(diào)查

專家意見調(diào)查，是指直接收集、分析、歸納專家意見，對(duì)某一事件的可能結(jié)果做出評(píng)估的方法。在國(guó)外，這一方法已在軍事、醫(yī)學(xué)、氣象預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)、工程等諸方面應(yīng)用了多年。在我國(guó)，對(duì)某些問(wèn)題也常常采用“專家論證”的方式加以解決。

無(wú)疑，調(diào)查中存在著偏差。這種偏差可分成動(dòng)機(jī)偏差和認(rèn)識(shí)偏差。前者是專家對(duì)被調(diào)查的事物有抵觸，或關(guān)心自己的意見是否能被采納，在提供意見時(shí)有意產(chǎn)生的偏差。后者則是在形成意見中無(wú)意產(chǎn)生的偏差，來(lái)源于過(guò)于自信、個(gè)人知識(shí)的局限性以及其它認(rèn)識(shí)上的習(xí)慣。

6 基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的方法

結(jié)構(gòu)的可靠度與失效概率是結(jié)構(gòu)可靠性理論中的兩個(gè)重要概念，在實(shí)踐中它們又是可靠性的重要指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)可靠度的定義是：結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定條件下，完成規(guī)定的概率，以Pr表示。而結(jié)構(gòu)不能完成規(guī)定功能的概率，成為失效概率，以Pf表示。Pr與Pf都能用來(lái)度量結(jié)構(gòu)的可靠性，但習(xí)慣選用Pf度量。Pf大，可靠性低；Pf小，可靠性高。

結(jié)構(gòu)可靠性理論采用失效概率Pf或可靠指標(biāo)β來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的安全水平。這一理論已在結(jié)構(gòu)工程的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在修訂橋規(guī)方面，該理論被用于結(jié)構(gòu)可靠度分析和分項(xiàng)安全系數(shù)的選擇。由于以概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，該理論可以處理荷載和抗力的不確定性，尤其是可以處理這些不定性的變化對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的影響。

7 蒙特卡羅方法

蒙特卡羅法（Monte Carlo method）也是結(jié)構(gòu)可靠度分析的基本方法之一。該方法的特點(diǎn)是，模擬的收斂速度與基本隨機(jī)變量的維數(shù)無(wú)關(guān)，極限狀態(tài)函數(shù)的復(fù)雜程度與模擬過(guò)程無(wú)關(guān)，計(jì)算中無(wú)須將狀態(tài)函數(shù)線性化和隨機(jī)變量當(dāng)量正態(tài)化，具有直接解決問(wèn)題的能力，這些優(yōu)點(diǎn)決定了蒙特卡羅法將會(huì)在可靠度分析中發(fā)揮更大的作用。

Monte Carlo方法可以解決各種類型的問(wèn)題可以分為兩類：

第一類是確定性的數(shù)學(xué)問(wèn)題。用Monte Carlo方法求解這類問(wèn)題的方法是，首先建立一個(gè)與所求解有關(guān)的概率模型，所求的解就是我們所建立模型的概率分布或數(shù)學(xué)期望；然后對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行隨機(jī)抽樣觀察，即產(chǎn)生隨機(jī)變量；最后用其算術(shù)平均值作為所求解的近似估計(jì)值。

第二類是隨機(jī)性問(wèn)題。例如中子在介質(zhì)中的擴(kuò)散等問(wèn)題[4]就屬于隨機(jī)性問(wèn)題，這是因?yàn)橹凶釉诮橘|(zhì)內(nèi)部不僅受到某些確定性的影響，而且更多的是受到隨機(jī)性的影響。對(duì)于這類問(wèn)題。雖然有時(shí)可表示為多重積分或某些函數(shù)方程，并進(jìn)而可考慮用隨機(jī)抽樣方法求解，然而一般情況下都不采用這種間接模擬方法，而是采用直接模擬方法，即根據(jù)實(shí)際物理情況的概率法則，用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行抽樣試驗(yàn)。

8 承載能力的計(jì)算機(jī)有限元模擬

以鋼筋混凝土非線性有限元分析為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)方法近年來(lái)有所發(fā)展，這類方法一般把一座由若干片梁組成的結(jié)構(gòu)先簡(jiǎn)化為一片梁，在求出一片梁的承載能力之后，再按照荷載橫向分布系數(shù)求出整座橋的承載能力，其關(guān)鍵是如何用有限元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)真實(shí)的狀況。目前，這方面的研究多集中于中小橋梁，該方法[5]還有許多問(wèn)題需要解決：

除上述常用的評(píng)估方法外，還有模糊綜合評(píng)估方法、灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

9 總結(jié)

現(xiàn)階段，各國(guó)對(duì)橋梁安全性評(píng)估的方法側(cè)重點(diǎn)有所不同，并且各種評(píng)估方法都未很好地解決既有橋梁結(jié)構(gòu)的評(píng)估問(wèn)題。如何建立適合中國(guó)橋梁實(shí)際情況的評(píng)估方法，是今后廣大橋梁理論學(xué)者和工程建設(shè)者研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)交通部.公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范.1996.

[2] 楊文淵，徐犇.橋梁維修加固.人民交通出版社.1989.

[3] 郝偉.橋梁承載力評(píng)定與技術(shù)改造研究：碩士學(xué)位論文.重慶：重慶交通學(xué)院，1998.