張方 黃俊豪 金聰鶴 徐望喜 龔?fù)矜? 錢永久

摘 要：綜合運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)試手段、試驗(yàn)技術(shù)、評(píng)估理論、結(jié)構(gòu)理論、數(shù)值仿真、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)等理論方法和技術(shù)手段，對(duì)既有橋梁在剩余服役期內(nèi)的安全性和適應(yīng)性給出評(píng)判，提出維護(hù)策略及加固方法，是橋梁工程的重要研究領(lǐng)域。基于該領(lǐng)域最新研究進(jìn)展，對(duì)基于時(shí)變理論的既有橋梁可靠性評(píng)估方法、結(jié)合工程應(yīng)用的可靠度計(jì)算方法、維修加固的策略、鋼筋混凝土墩柱的抗震性能及其抗震加固、橋梁加固的新材料、新方法和新裝備等研究進(jìn)行了介紹和總結(jié)，并從對(duì)既有結(jié)構(gòu)性能衰變的認(rèn)識(shí)、發(fā)展新的理論與方法、根據(jù)實(shí)際需求拓展新的研究領(lǐng)域等方面對(duì)研究提出了展望。

關(guān)鍵詞：橋梁評(píng)估;橋梁維修;橋梁加固;時(shí)變可靠度;橋梁抗震;結(jié)構(gòu)性能衰變

中圖分類號(hào)：U445.7 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：R ? 文章編號(hào)：2096-6717（2020）05-0076-13

收稿日期：2020-04-07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51778532）;河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2016）

作者簡(jiǎn)介：張方（1974- ），男，博士，主要從事既有橋梁結(jié)構(gòu)的評(píng)估、診斷與加固理論、橋梁文化遺產(chǎn)規(guī)劃和保護(hù)以及大跨度橋梁的施工監(jiān)控和健康監(jiān)測(cè)研究，E-mail：fangzhang@swjtu.edu.cn。

Received：2020-04-07

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No.51778532 ）; Open Fund of Hebei Key Laboratory of Diagnosis Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering（2016）

Author brief：Zhang Fang （1974- ）， PhD， main interests： evaluation， diagnosis and reinforcement theory of existing bridge， planning and protection of bridge cultural heritage， construction monitoring and health monitoring of long-span bridges， E-mail： fangzhang@swjtu.edu.cn.

Abstract： It is an important research field of bridge engineering to evaluate the safty and adaptability of existing bridges during the remaining service period and put forward maintenane strategies and reinforcement methods， that to put forward maintenance strategies and reinforcement methods， by using modern testing methods， testing technology， evaluation theory， structural theory， numerical simulation， mathematical statistical prediction and other theoretical methods and technical means comprehensively. Based on the literature of 2019， this paper introduces and summarizes the reliability evaluation method of existing bridges based on time-varying theory， reliability calculation method combined with engineering application， maintenance and reinforcement strategy， seismic performance and seismic reinforcement of reinforced concrete pier columns， new materials， new methods and new equipment of bridge reinforcement， etc.， in addition， the research prospect is put forward from the aspects of the understanding of the existing structure performance decay， the development of new theories and methods， and the expansion of new research fields according to the actual needs.

Keywords：bridge assessment;bridge maintenance; bridge reinforcement;time varying reliability;bridge seismic resistance; structure performance decay

近年來，中國橋梁建設(shè)成績(jī)斐然。隨著2018年港珠澳大橋建成通車，一批舉世矚目的特大橋梁，如武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋、廣東虎門二橋坭洲水道橋、福建平潭海峽公鐵兩用大橋也相繼建成通車，2020年江蘇五峰山長(zhǎng)江大橋、江蘇滬通長(zhǎng)江大橋等還將通車?；赝母镩_放四十余年，中國橋梁事業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。截至2018年底，中國共有公路橋梁85.15萬座，其中特大橋梁4 000余座，估計(jì)未來每年還將新增2～3萬座;鐵路橋梁6.5萬座，其中高速鐵路橋梁建設(shè)成就特別突出;市政橋梁與特種橋梁也有快速的發(fā)展，城市立交橋與人行橋梁的建設(shè)日新月異。在橋梁建設(shè)取得巨大成就的同時(shí)，大量的既有橋梁既是巨大的固定資產(chǎn)和社會(huì)財(cái)富，同時(shí)，為保證橋梁運(yùn)行安全和合理的使用壽命，每年的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、評(píng)估、維護(hù)和加固需要消耗大量的人力、物力。該領(lǐng)域的工作既是復(fù)雜的技術(shù)問題，也是影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的社會(huì)問題。

影響既有橋梁安全和合理使用的主要因素包括：橋梁的老化問題，相對(duì)于中國橋梁的一般設(shè)計(jì)年限（公路50或100年，鐵路100年），相當(dāng)一部分橋梁已進(jìn)入老化期，較多的橋梁表現(xiàn)出耐久性不足的問題;日益增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸量使橋梁安全問題日益凸顯;普遍存在的超載現(xiàn)象加劇了橋梁的損傷和安全隱患;大量的橋梁帶病工作，承載力不足的橋梁或危橋的數(shù)量逐年上升;各類自然與人為災(zāi)害對(duì)橋梁造成的傷害危及橋梁的正常使用安全;現(xiàn)代交通系統(tǒng)的升級(jí)改造對(duì)既有橋梁的長(zhǎng)期使用提出了新的要求。針對(duì)上述問題開展橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估和加固維修理論與技術(shù)研究是目前研究的熱點(diǎn)之一，具有重要的理論研究前景和應(yīng)用價(jià)值。

1 基于時(shí)變理論的既有橋梁可靠性評(píng)估方法

既有結(jié)構(gòu)在剩余服役期內(nèi)的安全性不僅與結(jié)構(gòu)自身狀態(tài)有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)所處于的服役環(huán)境、管養(yǎng)維護(hù)條件、經(jīng)受荷載特性有關(guān)。一般不宜直接采用現(xiàn)行的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。既有結(jié)構(gòu)與擬建結(jié)構(gòu)的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）既有結(jié)構(gòu)已在一定荷載作用下服役了一段時(shí)間?！耙欢ê奢d”表明結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行了荷載的驗(yàn)證作用，減少了抗力的隨機(jī)性;“一段時(shí)間”表明結(jié)構(gòu)評(píng)估基準(zhǔn)期與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期不同。評(píng)估基準(zhǔn)期的確定與結(jié)構(gòu)當(dāng)前特性、環(huán)境條件以及預(yù)期的使用要求有關(guān)。

2）既有結(jié)構(gòu)為一客觀實(shí)體，可通過科學(xué)的方法或先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器來減少因材料不確定性、尺寸不確定性、認(rèn)識(shí)模糊性而引起當(dāng)前結(jié)構(gòu)抗力的隨機(jī)性。

3）既有結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生隨時(shí)間變化的損傷和性能衰退，影響結(jié)構(gòu)的可靠性。

圍繞結(jié)構(gòu)抗力和作用的研究是橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的關(guān)鍵所在。抗力和作用均具有時(shí)隨性，采用隨機(jī)過程理論來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析符合客觀規(guī)律。由于隨機(jī)過程理論的復(fù)雜性，不便于實(shí)際應(yīng)用，工程上往往采用給定一時(shí)間域，將荷載與抗力的隨機(jī)過程在時(shí)間域內(nèi)轉(zhuǎn)化為隨機(jī)變量進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

常用的荷載隨機(jī)過程有平穩(wěn)二項(xiàng)分布、濾過泊松過程、濾過威布爾隨機(jī)過程等。Wang等[1]研究表明，現(xiàn)有在役橋梁抗力采用隨機(jī)過程進(jìn)行描述時(shí)，均假定抗力隨機(jī)過程模型為不相關(guān)或者全相關(guān)模型，這與客觀實(shí)際差距較大，故提出了基于Gamma隨機(jī)過程、考慮抗力衰減相關(guān)性的抗力模型。葉新一等[2]采用Taylor級(jí)數(shù)展開了由Mori-Ellingwood等提出的時(shí)變可靠度公式，取其一階矩進(jìn)行可靠度計(jì)算，將可靠度積分簡(jiǎn)化為代數(shù)方法，提升了效率。潘晨等[3]基于全壽命周期的成本最小準(zhǔn)則不能反應(yīng)決策者主觀風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度不足的特性，采用效應(yīng)理論模型探討主觀態(tài)度對(duì)地震風(fēng)險(xiǎn)決策的影響，并計(jì)算了地震保險(xiǎn)費(fèi)受人類主觀因素的決定作用。劉強(qiáng)等[4]采用等效線性化與隨機(jī)平均方法，推導(dǎo)出了首次超越破壞時(shí)間的結(jié)構(gòu)失效概率分布函數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力系統(tǒng)的首次超越破壞問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5-6]基于Monte-Carlo偽隨機(jī)試驗(yàn)方法，采用Copula函數(shù)，考慮失效模式相關(guān)性，進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)變可靠度分析。另有樊學(xué)平等[7]基于健康監(jiān)測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用貝葉斯動(dòng)態(tài)線性模型為粒子濾波器提供隨時(shí)間更新的動(dòng)態(tài)建議分布，提出了橋梁動(dòng)態(tài)可靠度指標(biāo)的改進(jìn)粒子濾波預(yù)測(cè)方法。

結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一些研究也具有典型性。Gong等[8]基于隨機(jī)過程理論和一次二階矩方法，提出了考慮剪力影響的分層建筑時(shí)變可靠度研究方法。Keshtegar等[9]采用Armijo線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，提出了一種基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)方法。Wang等[10]基于結(jié)構(gòu)本身的不確定性和偶然性，提出了主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的混合時(shí)變可靠性估計(jì)方法。Wang等[11]采用Fourier級(jí)數(shù)方法，拓展了基于力矩?cái)?shù)值的結(jié)構(gòu)可靠度算法，通過隨機(jī)過程理論，提出了荷載時(shí)間相關(guān)性和劣化荷載相關(guān)性在結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度中的一種應(yīng)用方法[12]。Li等[13]基于相位分布原理提出了結(jié)構(gòu)抗力分布的擬合方法。Soltanian等[14]基于首次穿越理論（first passage theory）提出了鐵路枕軌考慮銹蝕因素的時(shí)變可靠度算法。

2 結(jié)合工程應(yīng)用的可靠度計(jì)算方法

結(jié)合工程應(yīng)用的可靠度計(jì)算方法研究比理論研究多。從考慮的因素看，涵蓋了時(shí)變效應(yīng)、徐變效應(yīng)、銹蝕、荷載裂縫、碳化等橋梁結(jié)構(gòu)性能劣化的主要因素，并針對(duì)混凝土橋、鋼橋、加固加寬后橋梁結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式研究了基于實(shí)際工程的可靠度計(jì)算方法。

彭建新等[15]考慮氯鹽環(huán)境、混凝土?xí)r變效應(yīng)、腐蝕電流密度及氯離子侵蝕過程等因素的不確定性，建立了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的時(shí)變可靠度模型，研究了時(shí)間、腐蝕電流密度及保護(hù)層厚度等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響，計(jì)算了該梁橋在100年設(shè)計(jì)期內(nèi)的失效概率，并開展了參數(shù)敏感性分析。徐衛(wèi)敏等[16]考慮鋼板銹蝕對(duì)水工鋼閘門結(jié)構(gòu)抗力和剛度退化的影響，采用Gamma隨機(jī)過程提出了考慮銹蝕因素的可靠度分析方法。趙陽陽等[17]基于多級(jí)荷載作用下的剩余強(qiáng)度模型，建立了時(shí)變疲勞可靠度極限狀態(tài)函數(shù)，并基于Monte Carlo方法給出了正交異性鋼板的疲勞時(shí)變可靠度模擬方法。陳龍等[18]基于Bayesian理論，采用Poisson隨機(jī)過程描述車載效應(yīng)，得出了退化數(shù)據(jù)集的聯(lián)合分布，并依據(jù)先驗(yàn)分布為正態(tài)分布的假設(shè)，給出了混凝土梁橋動(dòng)態(tài)可靠度的預(yù)測(cè)方法。郭弘原等[19]基于概率密度演化算法，提出了銹蝕鋼筋混凝土梁極限狀態(tài)函數(shù)的建立方法，并預(yù)測(cè)其時(shí)變可靠度。文獻(xiàn)[20-21]分別采用Monte-Carlo方法和支持向量機(jī)法，對(duì)加寬混凝土梁橋的時(shí)變可靠度進(jìn)行了研究。張凱健等[22]基于再生骨料變異性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過時(shí)變可靠度理論對(duì)再生混凝土梁進(jìn)行了可靠度分析，并對(duì)再生混凝土梁的配筋率進(jìn)行了討論。劉威等[23]基于大氣銹蝕模型和簡(jiǎn)支檁條的屈曲計(jì)算理論，提出了臺(tái)風(fēng)作用引起的檁條銹蝕時(shí)變可靠度計(jì)算方法。鄒紅等[24]基于鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮箱梁的徐變效應(yīng)，提出了預(yù)應(yīng)力箱梁跨中截面拱變形功能函數(shù)，并以此開發(fā)了基于三階矩法的箱梁上拱變形時(shí)變可靠度計(jì)算方法。楊思昭等[25]分別基于一般大氣環(huán)境下銹蝕鋼筋界面損失的時(shí)變模型，以及抗剪、抗彎承載力退化模型，建立了考慮其隨機(jī)性的極限狀態(tài)方程，引入邊界吸收條件，提出了退化鋼筋混凝土梁的時(shí)變可靠度算法。楊慧等[26]分析了碳化混凝土表面的氯離子累積效應(yīng)、荷載裂縫及其對(duì)氯離子侵蝕的加速作用，根據(jù)Fick定律得到了不同服役期對(duì)應(yīng)抗力的概率密度函數(shù)，采用Monte Carlo方法對(duì)鋼筋混凝土梁提出了考慮碳化和氯離子累積共同作用的時(shí)變可靠度算法。

隨著AI技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期，智能評(píng)估獲得了推動(dòng)。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與遠(yuǎn)程攝像機(jī)和無人機(jī)采集結(jié)合的非接觸式解決方案因深度學(xué)習(xí)帶來了技術(shù)核心上的突破而獲得了較快的發(fā)展[27]。檢查類的應(yīng)用涵蓋了環(huán)境識(shí)別[28]、構(gòu)件特征及損傷識(shí)別[29-30];監(jiān)測(cè)應(yīng)用包括應(yīng)變和位移的靜態(tài)變化和用于模態(tài)分析的位移動(dòng)態(tài)變化[31]。研究集中于將基于視覺方法取得的特征和信號(hào)轉(zhuǎn)換為可操作的數(shù)據(jù)，從而成為快速?zèng)Q策的基礎(chǔ)。張清華等[32]提出了基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的正交異性鋼橋面板多尺度疲勞損傷評(píng)估方法，建立了考慮隨機(jī)因素的結(jié)構(gòu)體系實(shí)時(shí)疲勞損傷評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)方法，構(gòu)建了正交異性鋼橋面板疲勞損傷智能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，基于實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的交通量和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)信息，對(duì)所建立的正交異性鋼橋面板疲勞損傷智能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。吳焜[33]以橋梁BIM模型為平臺(tái)結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)將橋梁檢測(cè)全過程相關(guān)信息在BIM模型中集成，為橋梁評(píng)估提供了解決方案。

3 維修加固策略

從物質(zhì)和資金的角度看，在役橋梁的評(píng)定最終是為維修、加固及拆除重建提供決策依據(jù)。而這實(shí)際上已經(jīng)遠(yuǎn)不只是一個(gè)工程技術(shù)問題，或者一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題，這是一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)問題。怎樣建立具有中國市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)特征的橋梁維修、加固及拆除重建的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型，合理利用有限養(yǎng)護(hù)資金，綜合考慮近、遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為困擾橋梁管理養(yǎng)護(hù)部門的技術(shù)難題[34]。在役橋梁維修優(yōu)化理論研究的目的是協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，以保證結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)達(dá)到投資效益最佳。

Frangopol等[35]認(rèn)為，橋梁管理的目的是有效利用有限的資金在全壽命成本和全壽命可靠度之間達(dá)到平衡。Liu等[36-37]基于遺傳算法，進(jìn)行了同時(shí)最小化橋面板前側(cè)維護(hù)成本和劣化成本的多目標(biāo)優(yōu)化研究，并運(yùn)用于交通網(wǎng)絡(luò)中多座橋梁的橋面板維護(hù)優(yōu)化中。Kim等[38]考慮結(jié)構(gòu)檢測(cè)維護(hù)中的不確定性，以最大化結(jié)構(gòu)使用壽命以及最小檢測(cè)維護(hù)成本為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的檢測(cè)維護(hù)時(shí)間以及維護(hù)措施。橋梁的維修檢測(cè)模型被認(rèn)為是多目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)際上，這些目標(biāo)一般都是相互制約，甚至相互矛盾[39]。Horn提出了基于Pareto概念的對(duì)比選擇方法——小生境Pareto遺傳算法，綜合運(yùn)用聯(lián)賽選擇和共享函數(shù)的思想來選擇當(dāng)前種群中的優(yōu)良個(gè)體遺傳到下一代種群中，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)目標(biāo)無偏好優(yōu)化。邊晶梅[40]提出了一種基于交互式多目標(biāo)遺傳算法的橋面板維修優(yōu)化方法，能在有限的橋梁維修資源和良好的維修效果之間進(jìn)行折衷，不僅獲得比較理想的維修方法組合，降低了維修策略的選擇難度。隨著時(shí)間的不斷增加，在荷載和環(huán)境因素耦合作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能不斷退化[41-42]。加上荷載與環(huán)境因素的不確定性，考慮這種不確定性及退化過程對(duì)于橋梁的決策具有重要意義。在役橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)維護(hù)模型具有時(shí)變特性，結(jié)構(gòu)抗力的退化模型也成為了檢測(cè)維護(hù)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)。周浩[43]基于Gamma隨機(jī)過程描述鋼筋銹蝕變化過程，建立了以橋梁使用壽命以及維護(hù)成本為目標(biāo)函數(shù)，以檢測(cè)維護(hù)時(shí)間、檢測(cè)方法以及維護(hù)措施決策準(zhǔn)則為優(yōu)設(shè)計(jì)變量的橋梁檢測(cè)維護(hù)策略優(yōu)化模型，采用多目標(biāo)遺傳算法計(jì)算得到設(shè)計(jì)變量的Pareto解集，為檢測(cè)維護(hù)策略提供依據(jù)。黃天立等[44]基于Gamma隨機(jī)過程和Matlab遺傳算法工具箱，提出銹蝕鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)檢查養(yǎng)護(hù)策略優(yōu)化分析方法，并得到可提供在不同結(jié)構(gòu)使用壽命期望和檢查養(yǎng)護(hù)成本預(yù)算下收益最大的檢查養(yǎng)護(hù)策略和Pareto優(yōu)化解集。

傳統(tǒng)的維修方式多以定期維修和事后維修為主，主要具有管理簡(jiǎn)單、便于實(shí)施的特點(diǎn)。但也容易造成維修過剩與維修不足的后果[45]。近年來，孫馬等[46]提出了以橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)經(jīng)濟(jì)性、安全性及耐久性為目標(biāo)的層次評(píng)價(jià)分析模型，建立了關(guān)于橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的模糊綜合評(píng)價(jià)體系。預(yù)防性概念在提出來以后，在道路的路面養(yǎng)護(hù)上得到了應(yīng)用[47-50]。顏全哲等[51]以橋梁壽命養(yǎng)護(hù)活動(dòng)總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合遺傳算法研究混凝土梁橋的養(yǎng)護(hù)優(yōu)化策略，得到混凝土梁橋壽命周期內(nèi)在結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)接近最低限值時(shí)進(jìn)行糾正性養(yǎng)護(hù)，可使壽命周期成本顯著減少。

4 橋梁加固理論與方法

從橋梁加固行業(yè)來講，混凝土橋加固占比最大，其中又以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)為最多，研究的熱點(diǎn)亦是如此。

4.1 抗彎加固研究進(jìn)展

陳緒軍等[52]在BFRP/CFRP兩種材料加固RC梁的靜載抗彎試驗(yàn)中研究多因素對(duì)試驗(yàn)梁短期撓度和剛度的影響;基于剛度解析法，將FRP片材截面積折算為縱筋面積，建立了FRP片材加固RC梁短期抗彎剛度計(jì)算公式。方圣恩等[53]考慮受壓區(qū)混凝土非線性應(yīng)力變化，選取Hognestand本構(gòu)模型以推導(dǎo)FRP加固RC梁受壓混凝土等效應(yīng)力和受壓區(qū)高度各自相對(duì)應(yīng)比值，進(jìn)而得到不同破壞模式下的梁正截面極限抗彎承載力計(jì)算公式。Zawam等[54]制作12根GFRP預(yù)應(yīng)力混凝土梁使用杠桿懸重方法進(jìn)行長(zhǎng)期持荷試驗(yàn)，研究不同因素對(duì)梁的長(zhǎng)期力學(xué)性能的影響。

4.2 抗剪加固研究進(jìn)展

付一小等[55]采用CFRP混合粘貼（HB-FRP）加固鋼筋混凝土T梁抗剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混合（HB-FRP）加固技術(shù)提高單根CFRP布抗剪貢獻(xiàn)并延緩其剝離過程，在撓度變形、混凝土裂縫抑制、箍筋受力改善和CFRP材料利用率等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)外貼（EB-FRP）加固方式。

4.3 粘結(jié)界面問題研究進(jìn)展

劉興喜等[56]基于最小余能原理推導(dǎo)FRP加固損傷RC梁粘結(jié)層剪應(yīng)力分布的解析公式，該公式在對(duì)稱、非對(duì)稱等不同工況下均有較高精度。高磊等[57]設(shè)計(jì)5組HB-FRP混合加固混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)作用組合試驗(yàn)，基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了FRP-混凝土界面粘結(jié)滑移模型和粘結(jié)荷載表達(dá)式;并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了考慮混凝土塑性損傷、界面粘結(jié)效應(yīng)的HB-FRP加固數(shù)值計(jì)算模型[58];基于三折線粘結(jié)滑移模型開展了側(cè)向約束下FRP-混凝土粘結(jié)界面剝離全過程分析，推導(dǎo)了FRP-混凝土界面粘結(jié)荷載表達(dá)式[59]。羅威等[60]對(duì)60個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行快速荷載下的正拉試驗(yàn)，研究加載速率、FRP種類、混凝土強(qiáng)度對(duì)FRP-混凝土界面正拉粘結(jié)強(qiáng)度的影響，基于試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)考慮應(yīng)變率效應(yīng)的正拉粘結(jié)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。劉鈺中[61]基于膠層內(nèi)力滿足Timoshenko梁理論的假定，推導(dǎo)外貼FRP加固梁中膠層應(yīng)力的理論計(jì)算改進(jìn)模型。胡波等[62]基于Xia-Teng模型對(duì)FRP-鋼界面有效粘結(jié)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方法提出了分析建議。湯顯廷[63]通過試驗(yàn)研究FRP斜向U型箍加固下復(fù)材底板與混凝土界面的基礎(chǔ)粘結(jié)性能，以及FRP斜向U型箍對(duì)梁中部剝離破壞的影響。李曉琴等[64]基于LS-DYNA子程序，考慮界面本構(gòu)非線性關(guān)系及滑移速率效應(yīng)對(duì)界面剪切模態(tài)斷裂能的影響，建立中低速荷載作用下FRP混凝土界面的動(dòng)態(tài)粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。錢聰[65]基于Abaqus軟件建立CFRP抗彎加固RC梁及雙剪試驗(yàn)分析模型，修正了混凝土在雙向應(yīng)力狀態(tài)下的名義主應(yīng)力和加固梁在CFRP端部處的剝離破壞準(zhǔn)則;推導(dǎo)了各工況下考慮材料時(shí)變性能的加固梁剝離破壞承載力理論公式。Shi等[66]使用不同類型的膠粘劑對(duì)FRP-混凝土雙塔搭接剪切試件進(jìn)行試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果建立了包含膠層的有限元分析模型，得到了考慮粘彈性模量的FRP-混凝土界面粘結(jié)滑移模型。Zhou 等[67]改進(jìn)HB-FRP的錨固裝置研究FRP混凝土界面在不同扭矩下的粘結(jié)行為，基于試驗(yàn)結(jié)果建立了FRP-混凝土界面在不同扭矩下的粘結(jié)強(qiáng)度模型。

4.4 環(huán)境因素影響的加固研究進(jìn)展

陳雨唐等[68]通過雙面剪切試驗(yàn)研究?jī)鋈谘h(huán)和持續(xù)荷載共同作用下FRP片材混凝土界面黏結(jié)性能的退化行為，使用數(shù)字圖像相關(guān)法量測(cè)試件表面的全場(chǎng)位移，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立FRP片材混凝土界面黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。劉生緯[69]通過CFRP片材在室溫、硫酸鹽持續(xù)浸泡、硫酸鹽干濕循環(huán)作用下的相關(guān)試驗(yàn)研究，推導(dǎo)了硫酸鹽環(huán)境下的混凝土抗壓強(qiáng)度衰減模型、CFRP混凝土界面承載力模型和CFRP混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。李東洋[70]利用數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）技術(shù)測(cè)定混凝土裂紋尺寸、觀測(cè)RC試件及碳纖維薄板（Carbon Fiber Laminate，CFL）加固RC梁中疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展過程，提出了計(jì)算濕熱環(huán)境下加固梁疲勞主裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元方法。羅姍姍[71]以碳纖維薄板加固RC構(gòu)件為研究對(duì)象，改進(jìn)溫度海水環(huán)境模擬與控制系統(tǒng)，建立氯離子擴(kuò)散模型描述其對(duì)CFL加固RC構(gòu)件的侵蝕機(jī)理，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的溫度海水環(huán)境與荷載耦合作用下CFL加固RC梁的環(huán)境疲勞方程可有效預(yù)測(cè)加固結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和疲勞極限。

4.5 新技術(shù)、新材料及相近領(lǐng)域研究進(jìn)展

李恒[72]使用預(yù)應(yīng)力CFRP板條對(duì)RC梁進(jìn)行近表層嵌貼加固（Near Surface Mounted， NSM）進(jìn)行靜載破壞和疲勞破壞試驗(yàn)，分析了不同預(yù)應(yīng)力水平、粘結(jié)長(zhǎng)度和增設(shè)無預(yù)應(yīng)力粘結(jié)段對(duì)加固梁抗彎性能的影響，研究了粘結(jié)長(zhǎng)度和無預(yù)應(yīng)力粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)加固構(gòu)件疲勞性能和破壞模式的影響。Ascione等[73]介紹了使用聚合樹脂粘貼鋼纖維材料的復(fù)合體系SRP（Steel Reinforced Polymer），建立了SRP混凝土界面粘結(jié)滑移模型。Yang等[74]提出了一種預(yù)測(cè)FRP近表層嵌貼加固（Near Surface Mounted， NSM）彎曲受力RC梁的非線性分析方法，推導(dǎo)了FRP MSN法加固RC梁的承載力計(jì)算方法。

4.6 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展展望

多位學(xué)者[75-80]對(duì)目前FRP加固RC結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述性總結(jié)，認(rèn)為下一步的研究方向應(yīng)傾向于FRP加固RC梁的抗扭性能領(lǐng)域;多環(huán)境因素耦合效應(yīng)對(duì)加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響;預(yù)應(yīng)力FRP加固RC梁的研究領(lǐng)域;更精確的有限元數(shù)值模擬技術(shù)開發(fā);特殊形式的混凝土結(jié)構(gòu)，如：深梁、混凝土墻的軸向加固等;綜合考慮加固量、二次受力、預(yù)損傷等因素對(duì)于加固結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能影響機(jī)理;力學(xué)性能更好的復(fù)合材料和加固效果更好的新技術(shù)的研究;新技術(shù)（如傳感裝置）在FRP加固RC結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期行為研究。

4.7 其他加固方法的研究

在眾多橋梁和結(jié)構(gòu)中，有一類橋歷史最悠久，橋不大，卻與人民生活息息相關(guān);房不高，卻為群眾遮風(fēng)擋雨，這就是石（拱）橋、石砌房屋。圍繞石砌體加固的研究曾經(jīng)熱過，本年度進(jìn)展較少。張淼[81]通過試驗(yàn)研究了混凝土石材粘結(jié)截面抗剪強(qiáng)度，提出了“雙界面三區(qū)三層”粘結(jié)模型。

毛德均等[82]對(duì)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50367—2013和GB 50367—2006的承載力計(jì)算方法進(jìn)行了研究，將試件承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩部規(guī)范的承載力計(jì)算結(jié)果比較接近，但計(jì)算結(jié)果的整體準(zhǔn)確性都不夠好、偏于不安全，尤其對(duì)大偏壓柱的承載力計(jì)算較不安全。根據(jù)加固柱的受力破壞特性，定義了3種破壞極限狀態(tài)，基于3種極限狀態(tài)下的截面應(yīng)變分布分析，建立了加固柱的承載力計(jì)算公式，驗(yàn)證表明，該公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且偏于安全。

Liu等[83]針對(duì)擴(kuò)建（加寬）橋梁中新舊橋節(jié)點(diǎn)之間的連接問題，進(jìn)行了超高性能混凝土（UHPC）拼接縫的試驗(yàn)與有限元分析，結(jié)果表明，增加接頭的自由長(zhǎng)度或減小接頭的厚度能有效提高接頭的抗彎強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，提出了板與梁之間的非連接節(jié)點(diǎn)形式，并給出了這種非連接接頭形式的詳細(xì)加固方案。Sakr等[84]使用二維模型對(duì)UHPFRC和UHPFRC（R-UHPFRC）套箍對(duì)鋼筋混凝土剪力墻的性能進(jìn)行了數(shù)值分析，并結(jié)合粘結(jié)應(yīng)力滑移模型對(duì)混凝土混凝土粘結(jié)界面進(jìn)行模擬。

5 鋼筋混凝土墩柱的抗震性能及其抗震加固

5.1 預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土柱的研究

Zhou等[85]對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP條帶加固大尺寸鋼筋混凝土柱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力CFRP條帶加固大尺寸鋼筋混凝土能極大提高構(gòu)件的承載力和延性，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了預(yù)應(yīng)力CFRP加固大尺寸鋼筋混凝土柱的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型。Janwaen等[86]對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP條帶加固RC方柱與普通CFRP加固RC方柱進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，截面的長(zhǎng)寬比可以顯著影響CFRP的加固效率，采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固的構(gòu)件性能好于普通CFRP加固構(gòu)件。

5.2 鋼筋混凝土柱滯回模型研究

李柔含等[87]研究了動(dòng)力效應(yīng)對(duì)柱抗震性能的影響，建立了能同時(shí)考慮最大位移與循環(huán)加載次數(shù)對(duì)鋼筋混凝土柱損傷退化指標(biāo)的影響。楊淑艷[]提出銹蝕鋼筋混凝土柱的滯回模型，從細(xì)觀角度提出了往復(fù)荷載作用下筋端錨固區(qū)銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。王震等[88]基于Ibarra-Medina-Krawinkler模型提出了彎剪破壞鋼筋混凝土矩形墩滯回模型，引入捏攏效應(yīng)參數(shù)和滯回性能退化參數(shù)描述捏攏效應(yīng)和滯回性能退化。邴鵬[89]研究了鋼筋混凝土圓柱在單調(diào)加載和不同加載循環(huán)次數(shù)的反復(fù)加載下的抗震性能研究，提出了一種同時(shí)考慮塑性變形和加載循環(huán)次數(shù)影響的鋼筋混凝土圓柱受剪承載力計(jì)算模型。張艷青等[90]總結(jié)了近年學(xué)者們對(duì)經(jīng)典恢復(fù)力模型的修正和改造，提出了一種可以同時(shí)考慮軸力和側(cè)向荷載變化的恢復(fù)力模型。為了準(zhǔn)確模擬RC 矩形空心橋墩的剛度退化特性，為橋梁震后可恢復(fù)性能研究提供理論基礎(chǔ)，黎璟[91]等進(jìn)行了不同設(shè)計(jì)參數(shù)的14個(gè)RC 矩形空心墩模型擬靜力試驗(yàn)，通過引入峰值位移影響系數(shù)體現(xiàn)剛度退化與峰值位移的關(guān)聯(lián)，建立修正的Bouc-Wen-Baber-Noori （BWBN）滯回模型;基于粒子群引力搜索混合智能優(yōu)化算法（PSOGSA）識(shí)別實(shí)測(cè)滯回曲線對(duì)應(yīng)的滯回參數(shù)，并建立橋墩設(shè)計(jì)參數(shù)與滯回參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而總結(jié)滯回參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法。

5.3 約束鋼筋混凝土柱本構(gòu)模型研究

勞曉杰等[92]設(shè)計(jì)了以配箍率、CFRP層數(shù)、預(yù)損傷水準(zhǔn)的29個(gè)RC方柱的軸壓試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了CFRP約束損傷鋼筋混凝土的受壓本構(gòu)模型。曹玉貴[93]基于已發(fā)表的FRP約束混凝土柱的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，擬合出不受形狀限制的應(yīng)力應(yīng)變統(tǒng)一模型。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出考慮應(yīng)變速率的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型和抗壓強(qiáng)度模型。

5.4 FRP加固鋼筋混凝土柱塑性鉸研究

王震等[88]對(duì)48根彎曲破壞的矩形空心墩擬靜力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，考慮剪切變形引入空心率的影響，提出了矩形空心墩等效塑性鉸的建議模型。張艷青[94]通過截面分析從理論上分別確定了彎曲、彎剪破壞形態(tài)的鋼筋混凝土柱塑性鉸模型。邵長(zhǎng)江等[95]基于試驗(yàn)和既有研究結(jié)果，以軸壓比、剪跨比、縱筋及混凝土強(qiáng)度、配筋率及延性系數(shù)等位參數(shù)回歸得到不同類墩柱塑性鉸區(qū)約束箍筋用量的簡(jiǎn)化公式。

6 結(jié)論與展望

總體而言，在既有橋梁的評(píng)估和加固領(lǐng)域已從理論到工程實(shí)踐逐步建立了科學(xué)體系和技術(shù)方法系統(tǒng)。但是，隨著基本建設(shè)階段性發(fā)展形勢(shì)的不斷變化，該領(lǐng)域仍前路崎嶇。中國在該領(lǐng)域的研究者應(yīng)該站在巨人的肩膀上，緊緊抓住交通強(qiáng)國戰(zhàn)略和中國大力推進(jìn)橋梁評(píng)估、智能維護(hù)的歷史機(jī)遇，引入數(shù)學(xué)、力學(xué)、理論分析、試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)、加工制造技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域的最新成果，在基礎(chǔ)理論和重大工程應(yīng)用兩方面繼續(xù)努力，進(jìn)一步深化對(duì)既有結(jié)構(gòu)性能衰變的認(rèn)識(shí)，發(fā)展新的理論與方法，根據(jù)實(shí)際需求拓展新的研究領(lǐng)域，通過創(chuàng)新性成果為橋梁的可持續(xù)發(fā)展建立更為完備的保障體系。以下幾個(gè)方面的研究對(duì)于深化既有橋梁的評(píng)估和加固問題具有重要的推動(dòng)作用，是下一階段的研究重點(diǎn)。

6.1 橋梁結(jié)構(gòu)全生命周期性能演變理論

既有橋梁在其服役的長(zhǎng)期過程中性能會(huì)發(fā)生不同程度的衰退。衰退的成因主要包括：結(jié)構(gòu)本身的時(shí)變效應(yīng)、材料的時(shí)變效應(yīng)、環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)或材料的影響、長(zhǎng)期荷載和交變荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響、結(jié)構(gòu)的損傷及演變等，如何針對(duì)不同的成因開展理論與實(shí)驗(yàn)研究，建立相應(yīng)的計(jì)算分析模型，還有許多工作有待完成。

6.2 基于可靠度的橋梁加固設(shè)計(jì)理論

橋梁加固設(shè)計(jì)理論與新建橋梁設(shè)計(jì)理論最本質(zhì)的不同是擬加固的橋梁包含有新材料與老材料（組合結(jié)構(gòu)體系）、老結(jié)構(gòu)因經(jīng)歷長(zhǎng)期的使用而承受了不同等級(jí)荷載的檢驗(yàn)（影響結(jié)構(gòu)的失效概率）、既有結(jié)構(gòu)已完成了一定的服役期（影響加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命）、既有結(jié)構(gòu)或材料含有不同程度的損傷或性能衰變（影響結(jié)構(gòu)的安全）。綜合考慮上述因素建立相應(yīng)的橋梁加固設(shè)計(jì)理論需要開展大量的基礎(chǔ)研究。

概略地說，該領(lǐng)域的研究未來可分為兩個(gè)層次，第1個(gè)層次是結(jié)合現(xiàn)階段可靠性設(shè)計(jì)理論的發(fā)展水平和設(shè)計(jì)規(guī)范現(xiàn)狀，建立可供未來修訂橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范使用的基于可靠性的橋梁加固設(shè)計(jì)理論;第2個(gè)層次是綜合考慮結(jié)構(gòu)損傷演變的基于可靠性的全壽命橋梁加固設(shè)計(jì)理論，該方面的研究相對(duì)會(huì)困難一些。

6.3 加固橋梁的時(shí)變效應(yīng)及分析方法

由于加固橋梁通常含有新舊兩種材料，在組成新結(jié)構(gòu)并共同受力的過程中，新材料與老材料的性能均會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。時(shí)變效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因包括新的結(jié)構(gòu)材料與粘結(jié)材料本身所具有的時(shí)變效應(yīng)、加固方式引起既有結(jié)構(gòu)性能的改變、加固后新結(jié)構(gòu)性能演變規(guī)律。目前在該領(lǐng)域的研究還很不充分。

6.4 既有橋梁全壽命周期大數(shù)據(jù)庫與基于人工智能的管理專家系統(tǒng)

該方面的研究主要包括建立一套開放性的、可升級(jí)的、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，制定數(shù)據(jù)采樣、采集和質(zhì)量保證的標(biāo)準(zhǔn)，將國家按地域分區(qū)，收集不同區(qū)域的橋梁的科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)建立橋梁健康數(shù)據(jù)庫，通過區(qū)域分工，對(duì)橋梁進(jìn)行周期性的詳細(xì)檢查、監(jiān)測(cè)和評(píng)估，同時(shí)，建立基于人工智能的橋梁評(píng)估與管理的專家系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得出橋梁的評(píng)估結(jié)論與管理建議。該方面的研究量大面廣，需要國家層面的支持。

6.5 重大橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修策略研究

目前，中國橋梁養(yǎng)護(hù)維修的現(xiàn)狀還基本是頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的方式，即發(fā)現(xiàn)橋梁出現(xiàn)了較嚴(yán)重的問題后，開始進(jìn)行橋梁的檢測(cè)與維修加固工作，此時(shí)橋梁的損傷通常已較嚴(yán)重，維修與加固的費(fèi)用也相對(duì)較高，橋梁的安全程度也會(huì)不同程度地降低。若在早期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的隱患，并及時(shí)加以處理，就可以避免出現(xiàn)類似情況，這類似人類的平時(shí)保健與病重就醫(yī)的情形。目前在該領(lǐng)域的理論與試驗(yàn)研究均還較少，相應(yīng)地，也缺乏對(duì)工程實(shí)踐的有效指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 章潤(rùn)紅）