海外高速鐵路既有框架結(jié)構(gòu)物評(píng)估

聶明皓

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

由于結(jié)構(gòu)自然老化、不利環(huán)境影響以及養(yǎng)護(hù)維修欠缺,部分橋梁必然會(huì)出現(xiàn)各種各樣的結(jié)構(gòu)損傷,這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性降低。這些橋梁的健康狀況存在差異,有的可以正常使用,有的需要維修加固,而有的則要拆除重建。為了保證線路的安全暢通,有必要對(duì)既有橋梁進(jìn)行可靠性評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果采取有針對(duì)性的管理養(yǎng)護(hù)、加固改造措施。

目前既有橋梁承載能力的評(píng)估越來(lái)越受到世界性范圍的關(guān)注。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,橋梁工程的重點(diǎn)已逐步轉(zhuǎn)移到養(yǎng)護(hù)維修、鑒定評(píng)估和加固改造方面,并已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。與世界先進(jìn)水平相比,我國(guó)鐵路橋梁方面的工作還存在一定的差距。主要表現(xiàn)在：評(píng)估理論還不夠先進(jìn),評(píng)估體系還不夠健全,評(píng)估方法還有待完善。

2 結(jié)構(gòu)評(píng)估方法概述

目前常用的橋梁評(píng)估的方法大致分為外觀調(diào)查的評(píng)估方法、基于設(shè)計(jì)規(guī)范的評(píng)估方法、荷載試驗(yàn)、基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估方法和基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的評(píng)估方法；各個(gè)方法之間存在著一定的區(qū)別與聯(lián)系,各有優(yōu)缺點(diǎn)[1，2]。

2.1 基于外觀調(diào)查的評(píng)估方法

基于外觀調(diào)查的方法包含有評(píng)分系統(tǒng)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法。

評(píng)分系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及損傷程度分類(lèi)需根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)和實(shí)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,并以此對(duì)材料質(zhì)量、損傷程度等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法是依據(jù)廣泛的調(diào)查研究,確定若干影響承載力的系數(shù)及其取值范圍,對(duì)橋梁的承載力進(jìn)行評(píng)估的方法。此法的特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)便,其結(jié)論的可信程度基于評(píng)估者的工程經(jīng)驗(yàn)和判斷力,且各評(píng)估系數(shù)的確定較困難,計(jì)算結(jié)果較為粗糙。

2.2 基于規(guī)范的評(píng)估方法

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),并且還在不斷地充實(shí)和完善。因此,利用規(guī)范的計(jì)算理論來(lái)分析既有結(jié)構(gòu)承載能力的方法,易為評(píng)估者接受和理解,具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)并得到廣泛應(yīng)用。

在應(yīng)用中有必要對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的調(diào)整、安全系數(shù)的取值、結(jié)構(gòu)損傷的確定以及結(jié)構(gòu)分析方法的選擇等作進(jìn)一步工作。

2.3 基于荷載試驗(yàn)的評(píng)估方法

荷載試驗(yàn)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估的方法。盡管荷載試驗(yàn)在評(píng)估中時(shí)有采用,但是試驗(yàn)費(fèi)用很大,周期較長(zhǎng),還有可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷。

2.4 基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估方法

基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估方法包括評(píng)估專(zhuān)家系統(tǒng)和專(zhuān)家意見(jiàn)調(diào)查。其中專(zhuān)家意見(jiàn)調(diào)查是指直接收集、分析、歸納專(zhuān)家意見(jiàn),對(duì)某一事件的可能結(jié)果做出評(píng)估的方法。

由于影響評(píng)估的因素眾多,因素之間相互影響、關(guān)系復(fù)雜。另外,與評(píng)估人的工程經(jīng)驗(yàn)、個(gè)人知識(shí)的局限以及認(rèn)知過(guò)程都有著密切的聯(lián)系,這也使得評(píng)估中包含了許多不定因素。目前這一方法還不成熟,對(duì)評(píng)估決策的影響往往是輔助性的。

2.5 基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的方法

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。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。因此,它可為橋梁評(píng)估提供一個(gè)合理的理論框架。此方法其面臨的主要困難是：(1)難以確定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)失效模式和反映損傷程度的抗力模型；(2)需要結(jié)合理論研究和工程實(shí)踐合理選擇β。

3 評(píng)估實(shí)例

某國(guó)的鐵路項(xiàng)目經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,大致從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,一直在斷斷續(xù)續(xù)地進(jìn)行著。這期間有多個(gè)國(guó)家的公司參與了設(shè)計(jì)及施工,建成了一批框架橋結(jié)構(gòu)。但是由于配套的路基設(shè)施沒(méi)有同步進(jìn)行,致使這批框架橋建成后并沒(méi)有投入使用,而是長(zhǎng)期在自然環(huán)境中任憑風(fēng)吹雨打,經(jīng)受二氧化碳及含硫氣體等侵蝕氣體所包圍,缺乏必要的管理養(yǎng)護(hù)(圖1)。在中國(guó)公司承接這個(gè)項(xiàng)目后,該國(guó)鐵道部委托中國(guó)公司設(shè)計(jì)部門(mén)按歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這批框架橋進(jìn)行評(píng)估。由于這批框架結(jié)構(gòu)建成的時(shí)間較長(zhǎng),施工單位已無(wú)法尋覓,且業(yè)主方管理不善,致使設(shè)計(jì)資料不齊全,竣工圖均遺失。這給評(píng)估帶來(lái)了一定的困難。

圖1 某框架橋示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況,實(shí)際采用了以基于規(guī)范評(píng)估為主,輔以外觀調(diào)查、經(jīng)驗(yàn)評(píng)估的手段,對(duì)于個(gè)別結(jié)構(gòu)采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行綜合評(píng)估。本次評(píng)估采用了德國(guó)鐵路規(guī)范系列,其中DIN1055—100是對(duì)既有結(jié)構(gòu)物安全評(píng)估的一個(gè)規(guī)范,它通過(guò)按照分項(xiàng)安全系數(shù)方法隱含的將可靠指標(biāo)β的預(yù)定值反映到檢算過(guò)程中,檢算涵蓋了安全性、適用性和耐久性3個(gè)方面。規(guī)范中明確要求分別按承載能力極限狀態(tài)和適用性極限狀態(tài)進(jìn)行檢算。在承載能力的極限狀態(tài)下對(duì)人員及承重結(jié)構(gòu)的安全性方面進(jìn)行評(píng)估,確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及由疲勞引起的結(jié)構(gòu)失效；在適用性的極限狀態(tài)下對(duì)人員和結(jié)構(gòu)健康等適用性方面進(jìn)行評(píng)估,其中包括結(jié)構(gòu)的變形和位移,振動(dòng),裂縫等有關(guān)方面。

通過(guò)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查測(cè)量,獲取既有結(jié)構(gòu)物的基本情況及存在的問(wèn)題：

(1)確定結(jié)構(gòu)物與線路的關(guān)系,用途,結(jié)構(gòu)物的實(shí)際尺寸,施工完成情況；

(2)調(diào)查結(jié)構(gòu)物外觀現(xiàn)狀：包括結(jié)構(gòu)物表面的防水層和伸縮縫質(zhì)量、混凝土表面損傷以及施工中是否存在缺陷等；

(3)進(jìn)行混凝土回彈試驗(yàn),對(duì)混凝土表面裂縫較大、施工質(zhì)量較差的結(jié)構(gòu)物混凝土進(jìn)行鉆芯取樣,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定混凝土的力學(xué)性能及配比等參數(shù)；

(4)使用鋼筋探測(cè)儀對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行鋼筋探測(cè),確定實(shí)際的配筋情況,鋼筋保護(hù)層實(shí)際厚度,研究鋼筋的銹蝕程度；

(5)對(duì)結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)進(jìn)行勘察和測(cè)量,確定結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的承載能力及穩(wěn)定性。

整理結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)狀數(shù)據(jù),采用外觀調(diào)查評(píng)分、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以及專(zhuān)家意見(jiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行初步的健康診斷。

利用現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料,根據(jù)本線的技術(shù)要求,參考相關(guān)的規(guī)范選取特性值,對(duì)各工況進(jìn)行荷載組合[3-8]；按照DIN1055—100規(guī)范要求分別對(duì)結(jié)構(gòu)物的各個(gè)部件選取分項(xiàng)安全系數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)物無(wú)預(yù)應(yīng)力且與材料疲勞無(wú)關(guān)時(shí)；

承載能力的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算值的公式為

(1)

適用性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算值的公式為

(2)

式中Gk——獨(dú)立的恒定影響；

γG——獨(dú)立的恒定影響Gk的分項(xiàng)安全系數(shù)；

Qk,1——占主導(dǎo)地位的獨(dú)立可變影響；

γQ,1——占主導(dǎo)地位的獨(dú)立可變影響Qk,1的分項(xiàng)安全系數(shù)；

Qk,i——其他的獨(dú)立可變影響；

γQ,i——其他的獨(dú)立可變影響Qk,i的分項(xiàng)安全系數(shù)；

ψ——可變的影響代表值各自的組合系數(shù)。

工程材料性能的設(shè)計(jì)計(jì)算值

Xd=Xk/γM

(3)

式中Xd——設(shè)計(jì)計(jì)算值；

XM——產(chǎn)品性能特征值；

γM——工程材料的分項(xiàng)安全系數(shù)。

檢算要求：

在承載能力極限狀態(tài)下

Ed≤Rd

(4)

在適用性極限狀態(tài)下

Ed≤Cd

(5)

式中Rd——承載能力的設(shè)計(jì)計(jì)算值；

Cd——適用性的設(shè)計(jì)計(jì)算值。

建立檢算模型,根據(jù)各設(shè)計(jì)計(jì)算值對(duì)模型進(jìn)行檢算(圖2、圖3),檢算結(jié)果中,承載力極限狀態(tài)下的剪力超過(guò)承載極限,適用性極限狀態(tài)下出現(xiàn)0.32 mm裂縫,不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。承載力極限狀態(tài)與適用性極限狀態(tài)組合彎矩圖參見(jiàn)圖4和圖5。將外觀調(diào)查、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)以及檢算結(jié)果進(jìn)行相互比較、驗(yàn)證,形成最終的評(píng)估結(jié)論(表1)。

圖2 結(jié)構(gòu)荷載圖

圖3 結(jié)構(gòu)模型

表1 評(píng)估結(jié)論

圖4 承載力極限狀態(tài)下組合彎矩圖(單位：kN·m)

圖5 適用性極限狀態(tài)下組合彎矩圖(單位：kN·m)

4 結(jié)論

既有結(jié)構(gòu)物的評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不僅包括科學(xué)的評(píng)估理論系統(tǒng),還包括多種評(píng)估方法以及評(píng)估結(jié)果的校核。

首先,結(jié)構(gòu)物評(píng)估是一個(gè)涉及多門(mén)專(zhuān)業(yè)的邊緣學(xué)科,包括損傷力學(xué)、可靠度理論、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、先進(jìn)檢測(cè)方法和系統(tǒng)論等多個(gè)方面。其次,可靠度研究需要大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)、細(xì)致的分析計(jì)算。影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素眾多,各種因素之間的邏輯關(guān)系也非常復(fù)雜,還存在著大量的不確定性因素,依靠某一種定量分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的安全及健康狀態(tài)進(jìn)行描述是非常困難的。因此,對(duì)結(jié)構(gòu)的評(píng)估需要使用多種評(píng)估方法,并對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行校正。

本次利用以德國(guó)鐵路規(guī)范體系為主的多種評(píng)估方法對(duì)既有結(jié)構(gòu)物進(jìn)行的評(píng)估,給業(yè)主提供了客觀的參考數(shù)據(jù),便于業(yè)主及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)題,在經(jīng)濟(jì)和安全上取得一個(gè)合適的平衡。中國(guó)公司提供的評(píng)估報(bào)告與歐洲某鐵路咨詢公司的評(píng)估結(jié)論基本一致。

[1] 宗蘭，劉華新.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 李亞?wèn)|.既有橋梁評(píng)估方法研究[J].鐵道學(xué)報(bào),1997(3)：109-115.

[3] DS 804通用結(jié)構(gòu)工程手冊(cè)[Z].德國(guó)DB公司,2003.

[4] DIN 1055—100—2001 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)承重結(jié)構(gòu)的影響[S].德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,2001.

[5] DIN 101 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 橋梁的荷載[S].德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,2003.

[6] DIN 102 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 混凝土橋[S].德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,2003.

[7] DIN 1045—1—2001 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的承重結(jié)構(gòu)第1部分：設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[S].德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,2001.

[8] DIN 1045—2—2001 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的承重結(jié)構(gòu)第2部分：混凝土結(jié)構(gòu)[S].德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,2001.