既有混凝土橋梁承載能力鑒定標(biāo)準(zhǔn)的研討

徐文平，楊 梓

（東南大學(xué)土木學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

目前，在我國(guó)公路線上有大量運(yùn)營(yíng)中的混凝土橋梁，這些橋梁在建造和使用過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)、施工問(wèn)題及材料本身隨時(shí)間的劣化、環(huán)境侵蝕等一系列因素的作用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷；同時(shí)隨著公路運(yùn)營(yíng)能力的不斷提升，還有不少橋梁存在設(shè)計(jì)等級(jí)偏低等安全問(wèn)題。鑒于大量病橋不斷出現(xiàn)，其相應(yīng)的承載能力評(píng)定工作也變得日益重要，深入研究橋梁的極限狀態(tài)、承載潛力、安全儲(chǔ)備以及剩余壽命等對(duì)于在役橋梁的合理利用具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義[1]。

中美兩國(guó)的舊橋評(píng)估規(guī)范大體上思路類(lèi)同，中國(guó)規(guī)范[2]的舊橋驗(yàn)算系數(shù)的取法是相當(dāng)粗糙的。規(guī)范盡管采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的形式，但其分項(xiàng)安全系數(shù)是按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇的，而不是根據(jù)既有橋梁的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)可靠性分析和概率校準(zhǔn)得到的，因此，橋梁承載能力難以用統(tǒng)一的安全指標(biāo)加以評(píng)估。美國(guó)舊橋評(píng)估規(guī)范[3]中關(guān)于材料極限強(qiáng)度的折減系數(shù)、恒載及活載的荷載系數(shù)是根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、概率分析得出的，所以美國(guó)規(guī)范的評(píng)估算式較合理。

從中美兩國(guó)關(guān)于承載力評(píng)定的規(guī)程中可以看到，中國(guó)荷載試驗(yàn)采用校驗(yàn)系數(shù)η的方法，其目標(biāo)明確，操作方便；而美國(guó)采用RF來(lái)分別評(píng)定結(jié)構(gòu)承載能力，不僅考慮了沖擊影響，而且其最新的LRFR評(píng)定方法基于LRFD架構(gòu)，是一種基于可靠性的評(píng)定方法，從評(píng)定理念上講更為先進(jìn)。

1 橋梁承載能力評(píng)定方法

（1）建筑結(jié)構(gòu)鑒定方法的借鑒

《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[4]（GB50144-2008）將安全性和適用性合并為可靠性，然后按子項(xiàng)、項(xiàng)目、單元三個(gè)層次將可靠度化分為四級(jí)。

混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的鑒定評(píng)級(jí)應(yīng)包括承載能力、構(gòu)造和連接、裂縫、變形四個(gè)子項(xiàng)。

承載力子項(xiàng)按照構(gòu)件的可靠性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)共分為 a、b、c、d四個(gè)等級(jí)，具體取值范圍見(jiàn)表 1。

表1 混凝土構(gòu)件承載能力評(píng)定等級(jí)

a級(jí)：符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的可靠性要求，安全，在目標(biāo)使用年限內(nèi)能正常使用或尚不明顯影響正常使用，不必采取措施；

b級(jí)：略低于國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的可靠性要求，仍能滿足結(jié)構(gòu)可靠性的下限水平要求，不影響安全，在目標(biāo)使用年限內(nèi)能正常使用或尚不明顯影響正常使用，可不采取措施；

c級(jí)：不符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的可靠性要求，或影響安全，或在目標(biāo)使用年限明顯影響正常使用，應(yīng)采取措施；

d級(jí)：極不符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的可靠性要求，已嚴(yán)重影響安全，必須立即采取措施。

（2）橋梁承載能力評(píng)定方法的建議

國(guó)內(nèi)外數(shù)百例重大房屋結(jié)構(gòu)和橋梁工程的倒塌事故分析表明：凡是正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用的結(jié)構(gòu)，未見(jiàn)一例倒塌，絕大多數(shù)工程事故都是由于施工、使用、設(shè)計(jì)的嚴(yán)重失誤和各種災(zāi)害造成的，其次是尚未認(rèn)識(shí)的各種因素，而那些強(qiáng)度略顯不足以及滿足舊規(guī)范而不滿足新規(guī)范的結(jié)構(gòu)，即使未進(jìn)行工程處理，使用幾十年也未見(jiàn)破壞和倒塌。強(qiáng)度略顯不足和新舊規(guī)范的差異，不是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和倒塌的關(guān)鍵。因此，既有橋梁的安全可靠性指標(biāo)β可以適當(dāng)減小。

本文認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)承載能力安全可靠性評(píng)定的評(píng)級(jí)應(yīng)參照建筑結(jié)構(gòu)鑒定評(píng)級(jí)方法，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)承載能力也宜類(lèi)似如房屋結(jié)構(gòu)劃分為a、b、c、d四個(gè)等級(jí)。

通過(guò)資料調(diào)查分析，收集橋梁承載能力評(píng)定的專(zhuān)家意見(jiàn)[1][5]，專(zhuān)家意見(jiàn)匯總詳見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)家意見(jiàn)匯總

本文認(rèn)為既有橋梁承載力應(yīng)以統(tǒng)一的安全指標(biāo)β值為指導(dǎo)進(jìn)行評(píng)估，考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和重要性，橋梁可靠性評(píng)定級(jí)差應(yīng)比建筑結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格些，橋梁承載能力可靠性指標(biāo)β值的各等級(jí)差值建議為0.3。

經(jīng)綜合分析，本文建議橋梁承載能力評(píng)定的承載力子項(xiàng)共分為a、b、c、d四個(gè)等級(jí)，橋梁結(jié)構(gòu)承載力評(píng)定等級(jí)的具體取值范圍建議見(jiàn)表3。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)承載力評(píng)定等級(jí)的建議

2 既有橋梁承載能力鑒定公式

根據(jù)梁橋承載能力影響因素分析，參考各國(guó)規(guī)范，結(jié)合橋梁病害調(diào)查研究成果，本文在《公路舊橋承載能力鑒定方法》[2]規(guī)范公式基礎(chǔ)上，考慮若干修正系數(shù)，建議既有鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土公路梁橋承載能力鑒定公式為：

式（1）中的橋梁恒載、活載，橋梁材料應(yīng)按實(shí)際情況進(jìn)行取用。

式中：γq——可變荷載Q的安全系數(shù)；舊橋建議取值1.3～1.4；車(chē)流量小，剩余使用年限較少時(shí)取小值（汽車(chē)活載標(biāo)準(zhǔn)值是依據(jù)橋梁使用基準(zhǔn)期100 a而制定的，使用年限減少，其活載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)有所降低）；

φa——舊橋剩余使用年限減少所引起的折減系數(shù)；

舊橋剩余使用年限T1一般低于橋梁使用基準(zhǔn)期100 a，而規(guī)范公式是基于實(shí)際基準(zhǔn)期100 a而制定，若舊橋繼續(xù)服役年限減少，其結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)β值可適當(dāng)降低。

本文建議φa取值：

T1=100 a時(shí)φa=1.0

T1=50 a時(shí)φa=0.95

T1≤25 a時(shí) φa=0.90

φb——結(jié)構(gòu)損傷狀況折減系數(shù)：一般取值0.8～1.0；若橋梁有被撞擊的歷史紀(jì)錄，橋梁裂縫較寬，或露筋嚴(yán)重等缺陷時(shí)取小值；

rb——結(jié)構(gòu)工作條件系數(shù)，延性破壞取1.0；脆性破壞取0.9。既有橋梁的水文、地質(zhì)、氣候、地震等環(huán)境條件復(fù)雜時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)抗力應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行折減。

公式中其余符號(hào)意義詳見(jiàn)《公路舊橋承載能力鑒定方法》規(guī)范。

橋梁結(jié)構(gòu)承載力鑒定系數(shù)kt可定義為：

鑒定系數(shù)Kt≥1時(shí)表示橋梁結(jié)構(gòu)安全。

式中：R*——舊橋名義抗力；

S*——舊橋名義荷載效應(yīng)。

3 舊橋評(píng)定等級(jí)劃分的指標(biāo)分析研究

設(shè)外力S的均值為μs，均方差為σs，抗力R的均值為μR，均方差為σR，則構(gòu)件的可靠性指標(biāo)β為（設(shè)R、S均服從正態(tài)分布）：

對(duì)于橋梁二級(jí)a類(lèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即一般的的大橋、中橋、重要小橋等，其值β應(yīng)滿足βa≥4.2。

假設(shè)一根鋼筋混凝土梁，處于純彎狀態(tài)。其中μs=100.0 kN·m。該梁荷載變異系數(shù)δs=0.1，抗力變異系數(shù)δR=0.141 4。（近似假設(shè)R、S均服從正態(tài)分布）

若要使之達(dá)到β=4.2，即為a級(jí)構(gòu)件，則必須有：

解之可得：μR≥260.1 kN·m

那么該梁如為b類(lèi)、c類(lèi)、d類(lèi)的β亦可按下述方法求出。

隨著時(shí)間的變化，該梁結(jié)構(gòu)抗力不斷下降，結(jié)構(gòu)抗力均值降為η·μR，結(jié)構(gòu)等級(jí)降為b類(lèi)、c類(lèi)、d類(lèi)，此時(shí)相應(yīng)的β也可求出。

假設(shè)外力不變，材料的離散性不變，只是構(gòu)件承載能力有退化，令橋梁抗力退化折減系數(shù)為：

由式（6）、式（7）可得承載能力折減系數(shù)η與結(jié)構(gòu)抗彎可靠性指標(biāo)β的關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖1。

圖1 η-β關(guān)系曲線

從該梁橋算例中可以得知，既有橋梁承載能力退化折減系數(shù)η與結(jié)構(gòu)抗彎可靠性指標(biāo)β之間具有近似線性關(guān)系，其它梁橋結(jié)構(gòu)承載能力退化和結(jié)構(gòu)等級(jí)降低也有類(lèi)似規(guī)律。依據(jù)以上混凝土梁橋結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定等級(jí)近似推導(dǎo)結(jié)果，參考專(zhuān)家意見(jiàn)，經(jīng)綜合分析，本文建議混凝土梁橋承載能力評(píng)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表4。

表4 混凝土梁橋結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)本文的混凝土梁橋結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以采用類(lèi)似《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[4]（GB50144-2008）的方法，快速進(jìn)行既有橋梁的結(jié)構(gòu)等級(jí)評(píng)定，只需求出的特征值，就可對(duì)既有梁橋進(jìn)行a類(lèi)、b類(lèi)、c類(lèi)、d類(lèi)的等級(jí)評(píng)估鑒定，以便對(duì)梁橋的加固處理措施提出科學(xué)決策。該方法簡(jiǎn)明扼要，具有既有橋梁工程鑒定評(píng)估的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]徐文平.既有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋承載能力實(shí)橋試驗(yàn)及分析研究[D].東南大學(xué)博士論文,2006.

[2]中華人民共和國(guó)交通部部頒標(biāo)準(zhǔn).公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[S].北京:人民交通出版社,1990.

[3]AASHTO-Manual for Condition Evaluation of Bridge[S].1994.

[4]GBJ144-90,工業(yè)廠房可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1990.

[5]王有志,王廣洋,任鋒,等.橋梁的可靠性評(píng)估與加固[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.

[6]GB50153-1992,工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1992.

[7]GB/T 50283-1999,公路工程可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)設(shè)計(jì)出版社,1999.

[8]張建仁,劉揚(yáng),等.結(jié)構(gòu)可靠度理論及其在橋梁工程中的應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2003.