服役橋梁可靠度研究現(xiàn)狀淺析
2016-12-05
1、前言
在我國沿海及西部地區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，近20年來新建了一大批RC及PC橋梁，投資巨大，其安全性、耐久性、使用壽命等問題均引起各方的高度關(guān)注。本文就橋梁的可靠度研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要的綜述，以期起到一定的借鑒作用。
2、服役RC橋梁可靠度研究方面
RC橋梁可靠度研究開展較早，目前的研究成果較豐富，主要體現(xiàn)在考慮材料性退化的可靠度研究方面。
（1）抗力影響因素
1）砼褪化
砼褪化包括兩方面的問題:其一是指砼中性化的過程，導(dǎo)致砼對(duì)鋼筋的保護(hù)作用逐漸被削減，影響因素主要有碳化與氯離子侵蝕;其二為砼強(qiáng)度的時(shí)變性能，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)抗力的時(shí)變規(guī)律。
2）鋼筋銹蝕
鋼筋銹蝕后最直接的結(jié)果就是其面積的損失，通常以銹蝕鋼筋截面損失率來反映其受損程度，這也是確定RC橋梁構(gòu)件抗力的主要參數(shù)之一。
從現(xiàn)有的鋼筋銹蝕建模方式看，可將其計(jì)算模型劃分為兩類，即:理論模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＠碚撃Ｐ突陔娀瘜W(xué)反應(yīng)的原理建立計(jì)算式，適用于理想狀況下的銹蝕量計(jì)算，其中個(gè)別參數(shù)的取值較難獲取從而影響其實(shí)用性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)重實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，各個(gè)模型的側(cè)重點(diǎn)不同使得模型之間存在差異，但通過實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H銹蝕樣本得到的分階段計(jì)算模型獲得了一致認(rèn)可。
?。?）抗力模型
1）評(píng)估模型
抗力評(píng)估模型是針對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的服役狀態(tài)，通過實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何尺寸及材料強(qiáng)度檢測(cè)得到隨機(jī)樣本，考慮到檢測(cè)參數(shù)的變異性，將樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸后給出其分布函數(shù)及分布參數(shù)，進(jìn)而對(duì)抗力函數(shù)進(jìn)行修正。
抗力評(píng)估模型的建立需要實(shí)測(cè)或分析結(jié)構(gòu)當(dāng)前時(shí)刻的砼強(qiáng)度、鋼筋截面銹蝕率、銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度降低系數(shù)以及銹蝕鋼筋-砼協(xié)同工作系數(shù)。
2）預(yù)測(cè)模型
抗力預(yù)測(cè)模型也即時(shí)變抗力模型，主要機(jī)理是利用耐久性相關(guān)參數(shù)的研究成果構(gòu)建抗力模型，預(yù)測(cè)模型同樣需要考慮砼強(qiáng)度、鋼筋面積、鋼筋屈服強(qiáng)度以及鋼筋一砼協(xié)同工作系數(shù)隨的時(shí)變規(guī)律。
RC橋梁可靠度研究重點(diǎn)目前仍集中在抗力概率模型的研究方面，雖然可供借鑒的耐久性修正參數(shù)的模型較多，但大多均來自工業(yè)或民用建筑領(lǐng)域，有些模型的應(yīng)用有非常嚴(yán)格的適用條件，對(duì)于服役環(huán)境不定性影響因素較大的橋梁結(jié)構(gòu)而言，能否直接引用需要進(jìn)一步研究。
另一方面，關(guān)于砼結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度的研究今年來成為研究的熱點(diǎn)，除了考慮評(píng)估時(shí)結(jié)構(gòu)材料劣化程度的問題，還要對(duì)今后一段時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)性能的衰減規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，這就要求結(jié)構(gòu)抗力概率模型的建立要考慮材料時(shí)變規(guī)律的影響，也就是基于當(dāng)前耐久性參數(shù)實(shí)測(cè)值的可靠度預(yù)測(cè)問題。
3、服役PC橋梁可靠度方面
相對(duì)于RC橋梁，PC橋梁可靠度的研究開展較少，其主要難度是預(yù)應(yīng)力鋼束受波紋管保護(hù)且保護(hù)層較厚，其服役狀況難于獲得，國內(nèi)外很多學(xué)者就預(yù)應(yīng)力束的無損檢測(cè)方法進(jìn)行過很多研究，但至今無法取得能夠面向工程應(yīng)用的、切實(shí)可行的測(cè)試手段。因此，關(guān)于PC橋梁可靠度的研究仍處于探索階段，設(shè)計(jì)方法上的研究多采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同參數(shù)的模型梁進(jìn)行敏感性參數(shù)研究，實(shí)際工程中為了保證精度，作為權(quán)宜之計(jì)，預(yù)應(yīng)力束的服役狀況必須進(jìn)行破損檢測(cè)。以下內(nèi)容針對(duì)考慮PC橋梁耐久性與否兩方面因素進(jìn)行說明。
首先，Tabsh和Al-harthy針對(duì)PC橋梁進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束面積、鋼束的極限應(yīng)力及其有效高度對(duì)構(gòu)件可靠度有較大影響。國內(nèi)學(xué)者杜進(jìn)生針對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行研究，結(jié)果表明無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件鋼束截面積沿程分布特性對(duì)可靠度影響較大，將該類構(gòu)件的設(shè)計(jì)安全度提高15%較合理。
其次，現(xiàn)役PC橋梁性能評(píng)估受耐久性影響較大，且鋼束銹蝕及預(yù)應(yīng)力有效值的衰減為關(guān)鍵參數(shù)，檢測(cè)方法的缺少是阻礙此類橋梁評(píng)估的主要困難。長安大學(xué)近年來就該問題進(jìn)行了探索研究，收集了服役PC橋梁鋼束銹蝕的資料，統(tǒng)計(jì)表明，相同條件下有波紋管保護(hù)的鋼束銹蝕后銹坑分布較少，經(jīng)打磨仍可見金屬光澤或灰黑色質(zhì)地，破壞張拉試驗(yàn)時(shí)各絲受力均勻，齊斷狀況較多;缺少波紋管保護(hù)時(shí)鋼束的銹蝕速率較大，銹坑連續(xù)且分布較多，單絲依次斷裂較普遍。
4、加固后可靠度研究
由于加固技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間并不長，對(duì)很多加固方法特別是較新型的加固方法缺少必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此，加固后結(jié)構(gòu)可靠度可借鑒的研究資料很少，對(duì)加固后的硅結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行系統(tǒng)分析研究進(jìn)行的更少。在加固設(shè)計(jì)中現(xiàn)有的加固設(shè)計(jì)方法基本上是在各自的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，不能與現(xiàn)行的可靠度設(shè)計(jì)要求相協(xié)調(diào)，也無法與整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的可靠度相一致，局部加固后對(duì)構(gòu)件整體及結(jié)構(gòu)體系的整體可靠度的影響等問題有待深入的研究。
目前，加固后構(gòu)件可靠度的研究建筑領(lǐng)域涉及較多，橋梁結(jié)構(gòu)加固后的可靠度研究較少。橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固前后，其抗力發(fā)生了變化，對(duì)加固后的構(gòu)件可靠度進(jìn)行分析，需要綜合考慮加固類型、加固效率，建立結(jié)構(gòu)功能函數(shù)。目前對(duì)于粘貼片材加固鋼筋砼構(gòu)件的計(jì)算和理論己經(jīng)日趨成熟，但現(xiàn)有的橋梁加固規(guī)范是基于片材容許應(yīng)力法的，需要通過概率極限狀態(tài)來完善其設(shè)計(jì)及評(píng)估過程。對(duì)于加固后的橋梁使用性能和可靠度評(píng)估目前處于起步階段，有待深入研究。
5、結(jié)構(gòu)性能評(píng)估及評(píng)估荷載的選取
結(jié)構(gòu)性能的評(píng)估方法主要有:變權(quán)綜合評(píng)定法、分析計(jì)算評(píng)估方法、荷載試驗(yàn)評(píng)定法和可靠性評(píng)價(jià)方法。變權(quán)綜合評(píng)定法和分析計(jì)算評(píng)估方法理論框架體系較為完善，在公路舊橋結(jié)構(gòu)性能評(píng)估中己有廣泛應(yīng)用，但為確定性評(píng)估方法，在目前檢測(cè)儀器相對(duì)不夠先進(jìn)、測(cè)試手段相對(duì)不夠完善條件下有其不足之處;荷載試驗(yàn)評(píng)定法可信度較高，應(yīng)用也很廣泛，但是采用校驗(yàn)系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)和模態(tài)參數(shù)等評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)性能的精度不高，另外該方法費(fèi)用較高，試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)也較大;可靠性評(píng)價(jià)方法中的隨機(jī)可靠度方法尚處在應(yīng)用研究階段，可較好的反映橋梁結(jié)構(gòu)損傷、測(cè)試方法等方面的不定性，在有限測(cè)試精度條件下可達(dá)到較好的評(píng)價(jià)效果，且該方法能與現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相協(xié)調(diào)。
然而，無論何種評(píng)估方法其本質(zhì)是針對(duì)抗力與荷載效應(yīng)之間的"供需"關(guān)系展開的，確定性荷載的選用無法反應(yīng)結(jié)構(gòu)真實(shí)的服役荷載，河南省地方標(biāo)準(zhǔn)己明確規(guī)定在高速公路和特大橋梁、特殊橋梁的車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值 ，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值 和車輛荷載按公路-Ⅰ級(jí)的1.3倍設(shè)計(jì)。目前基于"等超概率準(zhǔn)則"的橋梁評(píng)估荷載的修正較合理，其原理是根據(jù)"當(dāng)前服役荷載的水平超越設(shè)計(jì)荷載的概率等于評(píng)估荷載水平超越當(dāng)前荷載的概率"的原則來確定的，但如何利用現(xiàn)有的方法獲取當(dāng)前的服役荷載水平仍需通過隨機(jī)車流模擬的方法，利用MATLAB模擬服役橋梁當(dāng)前的荷載水平是解決這一問題的有效途徑。
6、結(jié)論
無論基于何種可靠度理論，對(duì)現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，參數(shù)眾多、步驟復(fù)雜、計(jì)算難度大，實(shí)用性較差，且敏感性參數(shù)的選取對(duì)評(píng)估結(jié)果影響較大，因此急需利用己有的可靠度評(píng)估理論開發(fā)出易于操作的評(píng)估系統(tǒng)。
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作者簡介：張紅春，1984-12年出生，內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教。
