石拱橋安全使用壽命與可靠度的初探

賀國銀

摘要：本文敘述了橋梁安全性使用評價模式與結構可靠度的關系，根據橋梁基于疲勞與損傷的以及可靠度原理等方面提出了橋梁的可靠模式和等級，據此針對于石拱橋提出了一種以裂縫為判斷原則劃分橋梁的安全等級的方法。

關鍵詞：可靠度；安全性；疲勞與損傷；評價模式

一、引言

縣鄉公路上的大中小橋有數以萬座。這些橋梁是促進城市經濟發展的有力保障，是縣鄉人民脫貧致富、奔小康的希望之橋、幸福之橋。由于橋梁修建時技術標準普遍偏低，加之交通量的迅猛增長，橋梁建設質量存在問題材料與結構自然老化，使用環境的變化，以及超重、超限車輛的破壞作用，導致現在許多橋梁都出現了承載力不足的現象。然而隨著社會主義經濟的迅猛發展，各個市區路網將提前完善，面對交通量的驟增，縣鄉公路橋梁安全問題將面臨嚴峻的考驗。因此基于可靠度的理論對于這些橋梁的使用壽命的研究具有重大的實用價值和深遠的意義。

二、橋梁安全性使用評價模式及其與結構可靠度的關系

1、橋梁評估模式的發展水平

對于現有橋梁的養護和修復來說，橋梁的安全性評估方法是一個重要的問題。人們在橋梁安全性評估方面已進行了大量的研究，并取得不同程度的進展。安全評估是通過獲得的檢測數據，計算結論得到對結構安全性能的整體評價。安全評估不但可以科學的給出結構的可靠性評價，還是制定養護和維修計劃的重要參考。

2、梁橋安全使用與結構可靠度的關系

結構的安全使用壽命是指結構由于外界環境腐蝕和老化因素的影響，使其耐久性受到損傷，當結構可靠度降低到某一預先規定值時所經歷的時間。要確定結構的安全使用壽命，必須首先確定一個可以接受的可靠度水平。橋梁結構安全使用壽命與橋梁重要性等級有關。對于所屬等級為一級的重要橋梁，結構初始可靠度一般較高，可靠度水平隨時間的衰減速度相對較慢，安全使用壽命較長 ；反之，使用壽命必然很短，因此適當提高結構初始可靠度，是延長結構安全使用壽命的有效措施。

3、橋梁承載力評價技術

橋梁承載力評價技術方面，目前常用技術主要有三種，即系數折減法、類比法和荷載試驗法。

三、橋梁使用壽命的可靠性評價

1、可靠性原理

結構可靠度定義為：“工程結構在規定時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。”所謂的：“規定時間”指的是結合結構使用期，考慮各種基本變量與時間的關系所取用的分析時間；“規定的條件”是指結構正常設計、正常施工和正常使用的條件，即不考慮人為過失的影響；“預定功能”是指結構的安全性、適用性、耐久性。[1]

結構功能的極限狀態定義為：“整個結構或結構的一部分超過某一個特定狀態就不能夠滿足設計規定的某一個功能要求，此特定的狀態稱之為該功能的極限狀態。”極限狀態實際上就是結構可靠（有效）或不可靠（失效）的界限。

將作用方面的基本變量組合成綜合作用效應S，抗力方面的基本變量組合成綜合抗力R。從而結構的功能函數為 。對于 ，存在以下三種情況：

表明結構處于可靠狀態；

表明結構已失效或破壞；

表明結構處于極限狀態。

對于抗力及抗力參數的獲取我們采用的是間接的方法，即就是先對影響抗力的各種主要因素分別進行統計分析，確定其抗力參數，然后通過抗力與有關因素間的函數關系，來推求抗力統計參數和概率分布類型。通過橋梁承載能力方法我們計算出S和R，這樣我就可以用可靠度的功能函數來進行分析結構處于那種狀態。

2、 基于疲勞損傷的評價方法

常規的評價以結構的靜力強度為主，以結構是否滿足設計荷載標準為評判依據，忽略了橋梁的活荷載，即不能考慮橋梁的可靠度和使用壽命，研究表明致使橋梁結構發生破壞的形式往往是結構的疲勞破損。當發現某部位發生疲勞損傷時，應采取何種對策以及對策的緊迫性進行判斷的過程，判斷項目有：（1）疲勞的累積損傷度；（2）疲勞損傷的發展速率；（3）構件的冗余度；（4）劣化狀態對結構機能的影響程度。由于每個項目都是根據某一功能疲勞極限狀態評定，因此，項目的評定等級是結構構件能否滿足某項功能要求的評定結果，并以相關等級來表示。

疲勞損傷的發展速率可判斷劣化狀態的發展的快慢。對裂紋擴展速度的定量研究，一般是用斷裂力學進行裂紋擴展分析。構件的冗余度：當構件或接頭處產生的疲勞損傷連續發展時，需要判斷結構是否會明顯地喪失強度和機能（構件破壞除外），如果結構會喪失強度和機能，則稱其沒有冗余度。判斷的目標之一就是結構是靜定的還是超靜定的，發生損傷的構件是主要構件還是次要構件，以次要構件裂紋的發展對主要構件是否有很大影響。

3、石拱橋的破壞機理評價模式

當一個無鉸拱橋達到了三個塑性鉸的時候我們稱之為靜定的結構，如果出現了第四個塑性鉸的時候我們就稱它為靜不定結構，也就是由一個結構變成了機構，也就是在這個時候發生拱橋的破壞。對于石拱橋來說，主要的承重的結構就是主拱圈，所以對于主拱圈的研究就顯的尤為重要！其破壞的最明顯的標志就是裂縫，筆者據此通過對裂縫的出現以及發展來研究其破壞模式。

通過用斷裂力學進行裂紋擴展分析，作者考慮提出一個判斷截面安全的判據a，來判斷這個截面的安全度。由于開裂韌性越小，說明這個截面的安全度越高，如果開裂韌性值達到失穩狀態值，這個截面就是不安全的，也就是a值達到了最大值。從理論上講，這樣的截面出現4個，這個主拱圈就將最終破壞。另外裂縫的走向、長度和裂縫密集度等對 具體的a也會有影響，表達式如下：

式中： 、 、 、 、——表示裂縫長度、裂縫位置、裂縫走向、裂縫密集度對a的修正值。

式中： ——表示應力

、 、 、 、 ——表示材料參數，可以通過試驗得出。

我們通過收集資料，算出部分橋的 ，對 進行分級。

安全級 ≤1.0 普通級 1.0< ≤1.5

隱患級 1.5< ≤2 .0 危險級 >2.0

其中：

安全級——代表橋梁基本無影響主拱圈受力的病害；

普通級——雖然有些病害，但短時間內可以繼續使用；

隱患級——病害影響了橋梁的正常承載，需要進行檢測；

危險級——病害非常嚴重，需要盡快對該橋進行加固。

四、結語

在常規橋梁結構技術狀況評價基礎上，引入了影響可靠度和安全使用壽命的主要指標，建立了結構構件安全使用壽命評價模型，提出構件結構可靠度評價標準。尤其對石拱橋提出了靜不定破壞，以及對石拱橋評價等級根據 進行了重新的分類。也為以后石拱橋安全評價提供了一個新思路和方法。

參考文獻：

[1] 鄒天一，李楊航.結構可靠度.北京：人民交通出版社，1998.

[2] 趙國藩.工程結構可靠性理論與應用.大連：大連理工大學出版社，1996.

[3] 楊偉軍，趙傳軍.土木工程結構可靠度理論與設計.北京：人民交通出版社，1998.

[4] 陳萬春，馬建秦.既有橋梁可靠度與安全使用壽命的綜合評估.公路交通科技，2006.

[5] 工程結構可靠度設計統一標準（GB 50513—92）。北京：中國計劃出版社，1992.