基于可靠性评估技术的大型桥梁养护关键技术研究

基于可靠性评估技术的大型桥梁养护关键技术研究

梁峰

重庆城投基础设施建设有限公司 重庆400020

摘要：从已有的桥梁安全评价原理出发，在掌握长期实时监测信息基础上，结合规范中承载力下降率的分级标准，找到基于可靠指标的桥梁安全评估等级，并根据其结果制定桥梁养护技术。

关键词：桥梁安全、监测信息、可靠指标、评估等级

引言

本文基于可靠度原理，从承载能力评估的角度建立桥梁安全性等级，具体思路是，基于校准法基本原理，按照《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)中不同等级承载能力下降比，利用一次二阶矩法分别计算延性破坏或脆性破坏构件在主要组合或附加组合下的可靠指标，并对校准结果进行分析，得到了基于可靠指标的梁桥安全分级评估，并依此制定相应的养护措施。

1 基于可靠度的桥梁安全评价基本原理

在进行结构可靠度分析和评价时，应针对所要求的结构各种功能，把有关因素作为基本变量来考虑，由基本变量组成的描述结构功能的函数称为结构功能函数。同时也可以将若干基本变量组合成综合变量，例如将作用方面的基本变量组合成综合作用效应，抗力方面的基本变量组合成综合抗力，从而结构的功能函数为。

对于，存在以下三种情况：

1）表明结构处于可靠状态；

2）表明结构已失效或破坏；

3）表明结构处于极限状态。

2 桥梁安全可靠指标的计算方法

基于可靠度理论的桥梁远程监测评价体系，是利用桥梁远程监测信息，通过结构抗力分析，进行合理的计算，评判出桥梁在其使用分析期内超过极限状态的概率，藉以达到评价桥梁安全状态目的的一种评价体系。

在结构可靠性分析中，结构极限状态的功能函数随机过程可表示为：

式中：与分别为结构抗力和荷载效应随机过程。

在设计基准期内，结构的可靠概率为：

相应的失效概率为：

3 基于可靠指标的桥梁安全分级评估

基于可靠度理论的评估方法现有的研究基本都是从设计计算公式入手进行推导和求解，然而公式中各参数均为随机变量，各变量之间又有其相关性，从而就引入了相关系数的问题。本文采用校准法制定评定等级。

3.1 校准法

在校准可靠指标时，首先需要考虑恒载效应与一种可变作用效应的基本组合问题。公路桥梁最常遇到的可变作用是恒荷载G和汽车荷载Ql，将其作用效应组合（）作为主要组合。另外，公路桥梁在作用有恒荷载和汽车荷载的同时往往还受其他可变作用Q2的作用，如风、温度、混凝土收缩徐变等，此种作用效应组合（），为附加组合。附加组合的可靠指标，取用与恒荷载、挂车荷载效应组合（）时相同等级的可靠指标，即按作用组合（）求得的可靠指标，也就是附加组合的可靠指标。但由于挂车较少出现，难以获得它的统计资料，故计算可靠指标时，用汽车荷载效应的统计参数代替挂车荷载效应的统计参数。

根据所选作用效应组合列出公路桥梁结构构件极限状态方程。对G（恒载）+Q（活载）组合，有：

计算可靠指标时，需要知道极限方程中各基本变量的统计参数。、和的平均值与标准差可分别表示为

，

，

，

式中，、、和、、分别为构件抗力、恒荷载效应、活荷载效应的平均值与规范标准值之比值和变异系数；、和分别为按现行规范取得的构件抗力、恒荷载效应和活荷载效应的规范标准值。

按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，其抗力标准值

其中：

为恒荷载效应分项系数，=1.2；为车辆荷载效应分项系数，对于主要组合=1.4,对于附加组合=1.1；为构件工作条件系数，在可靠指标分析所选取的五种典型构件中，轴心受拉和受弯构件为延性破坏构件，取=1.0，轴心受压、大偏心受压和受剪构件为脆性破坏构件，取=1.05；为材料性能分项系数，=1.25；为车辆荷载效应分项系数的调整系数，取值如下：

>5%时，=1.05；

>33%时，=1.03；

>50%时，=1.0。

由上述分析可见，结构抗力、恒载效应和活荷载效应的统计参数均与其规范标准值成正比，而抗力标准值又为恒荷载标准值效应和活荷载标准值效应的线性函数，这样，计算可靠指标时，可以不涉及作用效应和抗力的具体取值，而只需考虑不同活荷载标准值效应与恒荷载标准值效应的比值就可以了。根据对不同形式、跨径公路桥梁设计荷载等作用效应的分析，取为0.1~2.5[5-6]；对于大型的连续刚构桥，取为0.1~0.5。

校准法的具体操作步骤

（1）对不同破坏构件在某一种作用效应组合下，假定为一定值，根据选定的作用效应比值，可求得，然后计算得。由于和有关，而与作用效应的绝对值无关，因而可任意给定；

（2）根据、和计算出、、、、、。而、和的概率分布类型和、、、、、值由表1和表2给出。

表1 荷载效应的概率分布

表2 抗力的概率分布

(3)根据极限状态方程中已知的各种基本随机变量的统计参数、概率分布类型及值，采用一次二阶矩的验算点法，就可以计算出不同作用效应组合，不同汽车运行状态、不同活恒载效应比值下公路桥梁结构构件的可靠指标值。

(4)分别求出主要组合和附加组合的延性破坏构件和脆性破坏构件在不同汽车荷载效应分布概型、不同汽车运行状态下对不同值下的值求平均。

3.2 桥梁构件校准分级情况

在可靠度校准时，抗力与综合荷载效应间存在如下线性关系：

以分项系数表达的抗力与荷载之间的关系为：

式中，的取值随受力状态的改变而改变；，与作用效应组合有关。

因此可得到抗力的各统计参数。在保持三个基本综合变量概率分布不变的前提下，将抗力的降低转化为修改分项系数。以改变的分项系数来计算可靠指标及对应着改变的桥梁类别。

《公路桥涵养护规范》（JTG H11—2004）中按承载能力划分桥梁类别时说明如下：承载能力比设计降低的比率。这相当于抗力的设计值降低该比率时桥梁应归属的类别。桥梁按照承载能力下降量分类情况如下。

一类：承载能力和桥面行车条件符合设计指标；

二类：承载能力和桥面行车条件达到设计指标；

三类：承载能力比设计降低10%以内，桥面行车不舒适；

四类：承载能力比设计降低10%~25%；

五类：承载能力比设计降低25%以上。

根据以上等级的分级值对抗力设计标准值进行折减，进行可靠指标校准，按照目标可靠指标的获得方法可以计算出各分级可靠指标。当可靠指标降低15%，即时（其中为结构的最低可靠指标，为目标可靠指标）时，结构或构件已经不满足安全性要求。因此，在划分时取承载能力比设计降低25％和可靠指标降低15％两者之间的较大值。

3.3 桥梁构件可靠指标评价等级

根据对应值进行比较，求出不同承载力下降量的情况下可靠指标的下降率。用此下降率乘上规范中的目标可靠指标即可求出可用来划分桥梁等级的不同可靠指标,并根据的值，调整可靠指标的等级区间。大型桥梁结构构件的可靠指标评价等级如表3~表4。

表3大型桥梁结构构件在主要组合下的安全性评定等级

表4 大型桥梁结构构件在附加组合下的安全性评定等级

4 养护技术的制定和实施

由于在基于可靠性理论的研究过程中，是以桥梁结构系统为出发点的，对整个桥可以从宏观上进行评估分级和养护技术的把握为了使这一养护技术更具体，现介绍其养护技术的实施过程。

1）日常维护的实施

当可靠度指标属于一类等级时，表明桥梁主体的健康程度已经相当高了，这时为了维持大桥本身的使用性能只需进行日常的维护即可，从其附属设施入手，主要从以下几个方面进行：1）伸缩缝的维护；2）支座的维护；3）排水设施的维护；4）人行道设施的维护；5）交通标志的维护。

2）小修、中修以及大修的实施

当可靠度指标属于二、三、四类等级时，按照具体的养护技术指标限值去选择小修、中修还是大修。基于可靠性理论不光能为整个桥梁结构还能为单个截面制定出养护关键技术来，当发现不管是系统的还是单个截面的可靠度指标在小修、中修以及大修的范围内时，需要借助一定的检测技术来帮助完成已发现病害具体位置及程度的检测，进而实施小修、中修或者是大修。由于得到的可靠度指标是有关桥梁主要受力构件的，因此有关病害的检测也是围绕主要受力构件展开的。

（1）进行混凝土强度和碳化深度检测；

（2）钢筋锈蚀检测；

（3）表面开裂、破损检查；

（4）进行交通流量观测。

根据这四个方面的调查结果，采取适宜的措施进行大型桥梁的小修、中修或者是大修。

3）加固的实施

当可靠度指标属于五类等级时，则需进行加固处治。需实施加固措施，说明该桥梁的病害情况已经相当严重了，这时需要组织专业人士根据已有的资料初步分析产生病害的原因，同时对照小修、中修、大修实施的四条内容进行相应的检测进一步确认病害情况，必要时可进行荷载试验，最终，对症下药根据不同的桥型选择适宜的加固方法。

此外，也要做好大型桥梁的日常养护工作，让基于健康监测安全评估的大型桥梁养护与日常养护发挥各自的作用，确保大桥的安全运营。

5 结论

本文基于可靠度的桥梁安全评价原理从承载能力方面建立了桥梁安全性评价等级，并制定了桥梁养护技术。基于校准法基本原理，按照《公路桥涵养护规范》(JTGHll-2004)中不同等级承载能力下降比，利用一次二阶矩（JC）法分别计算延性破坏或脆性破坏构件在主要组合或附加组合下的可靠指标，并对校准结果进行分析，得到了基于可靠指标的梁桥安全分级评估。最后按照不同的评估等级或安全性能对桥梁制定了养护技术以及具体的实施措施。

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