淺談國外橋梁評估規(guī)范現(xiàn)狀

陳曉宇

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶市 400039）

0 引言

目前用于新橋設計的規(guī)范主要是通過結構所承受的荷載所產(chǎn)生的荷載效應來進行評定。盡管這些規(guī)范為現(xiàn)目前的橋梁基礎設施提供了一種較好的理論基礎，但它們可能還無法對現(xiàn)有橋梁進行一個有效安全的評估。事實上，隨著橋梁服役年限的增加，其承載能力會減小，一些橋梁管理者為了方便，保守的采用設計標準來評估現(xiàn)有橋梁的安全性，結果可能表明需加固或者更換。但是，橋梁的維修加固或更換的成本常常較高，這就造成橋梁的維修成本高昂。因此，在評估現(xiàn)有橋梁的安全性時，不再適合采用設計標準來評定，甚至可能需要降低安全評估的標準。這就需要：降低現(xiàn)有橋梁的目標可靠性水平；應用先進的結構分析和評估方法；根據(jù)現(xiàn)場橋梁實測數(shù)據(jù)和服役時間的增加來更新活荷載模型；通過非破壞性測試，將現(xiàn)場與結構材料特性和所受荷載相關的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)納入到橋梁評估中；進行橋梁驗證荷載試驗，以更好地評估橋梁的承載能力。通過加入這些先進技術的評估，之前按傳統(tǒng)評估方法不滿足設計安全標準的結構實際上是安全可靠的[1]?；诖耍谶^去的一段時間，歐洲和北美開展了大量的研究工作，研究新的橋梁評估、維修、管理方法技術。這些研究成果已經(jīng)體現(xiàn)在目前英國，丹麥，瑞士，加拿大和美國現(xiàn)有的橋梁評估新規(guī)范中[2]，本論文旨在總結目前各個國家在橋梁評估中運用的新技術、新方法，為國內(nèi)橋梁評估方法提供一定的參考。

1 橋梁多級評估方法

橋梁多級評估方法主要是通過評估現(xiàn)有橋梁的承載能力以評估其安全性，評估其繼續(xù)承受不斷增加荷載的能力以及其服役壽命的長短，從而讓橋梁工程師對橋梁構件現(xiàn)目前以及未來的狀況有一個清晰的了解[3]。

在評估初始階段，常常采用近似于設計標準的評估方法來進行評估；如果橋梁通過了初級評估階段，則不需進一步的評估和分析，橋梁可以照常服役。若未能通過初級評估，則需對橋梁進行下一步的評估，該評估可以采用以下一些方法：

對可能的材料屬性進行現(xiàn)場測試以獲得更好的構件強度估算；

采用車輛稱重系統(tǒng)（WIM）數(shù)據(jù)來獲得改進后的荷載估計值；

采用更精細化的結構分析模型或現(xiàn)場實測來獲得橋梁對施加荷載響應的更好估計。

在大多數(shù)情況下，通過中級評估就足以驗證或反駁初始級別評估的結果。由于在采取中級評估需要更高級的檢測成本，因此，是否需要收集額外的檢測數(shù)據(jù)來對橋梁進行中級評估取決于橋梁的重要成度以及在維修更換橋梁構件所產(chǎn)生的直接間接成本。然而往往根據(jù)新的檢測數(shù)據(jù)所提供的預期信息，仍無法確定橋梁是否應該采取下一步評估。其決定因素包含以下工具和技術的組合：

直接應用可靠性分析方法；

考慮系統(tǒng)安全性，冗余性和魯棒性的標準；

特定活載；

材料特性荷載試驗；

荷載試驗。

以下部分將討論如何運用這些技術來評估現(xiàn)有橋梁的安全狀況。

2 基于概率論的橋梁評估和目標可靠性水平

現(xiàn)有橋梁設計規(guī)范，包括歐洲規(guī)范[4]，都是基于極限狀方程并采用安全系數(shù)法（PSFM）來對橋梁進行評估。目前歐洲設計規(guī)范中使用的安全系數(shù)法是基于過去的經(jīng)驗和基于可靠性的校準過程而建立的[5]。在評估現(xiàn)有橋梁安全的因子中也應該使用基于概率的方法來進行校準，而且橋梁評估過程也應該基于相同的PSFM形式，可以用以下通用公式表示：

式中：Pk是被評估的橫截面的特征抗力；Gk,j是第j個恒載的效應特征值；P是預應力作用效應值；Qk,i是第i種可變荷載的效應特征值；γR是抗力效應系數(shù)（考慮到橫斷面抗力的材料，幾何參數(shù)的不確定性以及抗力效應模型本身的不確定性）；γG，是第j種永久荷載的安全系數(shù)；γP是預應力的安全系數(shù)；γQ,i是第i個可變荷載的安全系數(shù)。

式（1）中的抗力因子通常針對不同的可靠性指數(shù)值進行正常校準，這取決于反映延展性水平的極限狀態(tài)以及部件在結構系統(tǒng)上的失效的結果。

盡管在校準設計方程和評估現(xiàn)有橋梁的承載能力時用的是同樣的方法，但是在實際運用過程中所采用的安全因子和可變荷載的模型是不一樣的，因為在評估過程中通常會加入特定的可靠性水平和服役階段。根據(jù)成本效益分析，這種差異是合理的，因此新橋的可靠性水平基本上只需要更高的建筑材料成本，而其他大部分成本（包括設計和施工成本）基本上不會影響。另一方面，現(xiàn)有橋梁的可靠性水平較高的話，將會使得許多現(xiàn)有橋梁，除了物質和建筑成本之外，還需要大量的拆除和與拆除相關的直接成本，并且在大多數(shù)情況下由于交通中斷和擁堵造成的經(jīng)濟損失和環(huán)境影響也會增加。只有在保持定期的橋梁檢查和維護時間表的情況下，以及只有在使用受到較低可靠性目標評級的橋梁的歷史性表現(xiàn)支持才能得到較低的可靠性水平和服役期。

3 基于概率論的評估

在橋梁未能通過使用PSFM進行的初步評估的情況下，可以應用直接概率方法來確保橋梁構件的可靠性指標滿足特定標準：

βTARGET是目標可靠度，可以從成本效益分析或相關規(guī)范或指南中獲得，具體取決于所研究的極限狀態(tài)以及構件破壞對整個系統(tǒng)完整性的影響，是標準正態(tài)概率分布反函數(shù)，而Pf是超過極限狀態(tài)函數(shù)（通常稱為失效概率）的概率，定義如下：

式中：Z是極限狀態(tài)函數(shù)；R和S分別是廣義抗力效應和荷載效應。

可靠性指數(shù)β可以采用常用的計算可靠度的方法來計算，例如一次二階矩法（FORM）或蒙特卡羅模擬法。當R和S可以被假定為服從正態(tài)分布或對數(shù)正態(tài)分布的獨立的隨機變量，那可靠度指標β可以使用簡化方法如平均荷載法輕松計算。使用直接可靠性分析的好處在于，可以直接將得到的可靠度指標同規(guī)范中提供的目標可靠度進行比較來確定評定結果達到或超過目標可靠性水平。另一方面，直接可靠性分析可以驗證特定的橋梁結構在特定的條件和材料特性下，是否將滿足適當?shù)哪繕恕?/p>

在使用可靠性分析評估橋梁的安全性時要記住的一個重要事項是可靠性指標β取決于關于抗力荷載的概率分布函數(shù)的假設。此外，由于大多數(shù)常用的可靠性分析方法只給出近似解，可靠性指數(shù)β也可能取決于極限狀態(tài)函數(shù)的復雜性和采用的可靠性分析方法。因此，不應該將其視為絕對的可靠性指標，而應該將被評估的橋梁的安全水平同可接受的基準值進行比較。此外，可靠性評估應該僅由在這種分析中經(jīng)歷過的工程師進行。

4 目標可靠度水平

一般來說，對于評估過程中所選取的目標可靠度指標應考慮被評估橋梁的具體條件，包括失效的原因和方式、失效的后果，以及降低失效發(fā)生風險所需要的成本。風險以及經(jīng)濟，另外還有社會和環(huán)境條件的影響。

但是，考慮所有這些因素是一個非常復雜的過程。因此，對于常規(guī)橋梁，應根據(jù)橋梁工程專家的經(jīng)驗對這些因素進行預定義，比如橋梁管理者的政治，社會和經(jīng)濟制約因素，該地區(qū)的施工質量情況，環(huán)境因素和加載條件對橋梁劣化的影響，以及橋梁之前的服役狀況。由于現(xiàn)有橋梁評估失敗所產(chǎn)生的成本同新設計的成本相當，而現(xiàn)有結構的所增加的相對成本要高于新設計，因此在評估過程中所采用的目標安全指數(shù)應該要低于設計所采用的目標安全指數(shù)。此外，由于結構安全性與由相互連接的部件和構件組成的結構系統(tǒng)的整體性能相關，而安全檢查過程基于構件安全檢查，構件的目標可靠性指數(shù)應考慮結構冗余的固有水平，這取決于橋梁組成構件及其相應的延展性。

以上所提出的現(xiàn)代橋梁評估的概念也成為了《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》的一部分內(nèi)容，專用于現(xiàn)有橋梁的安全評估。在《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》中，推薦的評估程序開始于識別最可能的失效模式并確定與每個模式相對應的適當?shù)哪繕丝煽啃灾笜?，并綜合考慮結構系統(tǒng)和構件的安全狀況。建議的目標可靠性見表1、表2。然而，《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》首先建議根據(jù)目標可靠性水平調(diào)整部分安全系數(shù)，而不是建議在所有情況下進行直接可靠性檢查。因此，在為每個失效模式選擇可靠性指標后，確定相應的部分安全系數(shù)的集合，見表3。具體評估公式如下：

式中：Rr是抗力；D是永久荷載；A是第A種可變荷載；L是主要活荷（例如車輛荷載）；I是動力放大因子；U是抗力修正因子（AF），并且是活載的相應部分安全系數(shù)。

表1 根據(jù)極限狀態(tài)方程得到的目標可靠性指標

抗力AF、U由不同的結構參數(shù)和極限狀態(tài)方程所得到的。它考慮了構件的實際抗力和使用簡化方法所計算得到的抗力之間的變化。

抗力因子是采用圖紙或歷史資料中查閱的名義材料強度參數(shù)進行計算的，這些參數(shù)與設計中使用的材料系數(shù)相同。根據(jù)《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》，當應用式（4）算得結構承載能力不足時，可以采用平均荷載法來簡化概率評估。AASHTO荷載和抗力因子評估（LRFR）規(guī)范采用了類似的基于可靠性的評估原則和荷載等級評估程序。荷載評定是基于較低的活載系數(shù)和一系列“標準車輛”，比設計新橋時使用的保守性要低。對構件承載能力的評估必須要考慮到橋梁的強度會隨著時間的增加而降低。根據(jù)橋梁檢測人員所確定的損壞程度，AASHTO采用較低的抗力系數(shù)。如果橋被分類為非冗余，則還有可能低于1.0的系統(tǒng)因子。AASHTO橋梁評估過程中的評級因素（RF）等效于式（2） 中的活荷載乘數(shù) F如式（4）。AASHTO規(guī)范已經(jīng)過校準，以便滿足評級標準中的現(xiàn)有橋梁在5 a評估期內(nèi)將達到相應的目標可靠性指標βTARGET=2.5。

表2 在一般活載下的目標可靠度指標

表3 在最大恒載和活載作用下的效應因子

5 冗余和延展性標準

橋梁通常由相互聯(lián)系的構件組成，若采用線彈性分析方法來評定關鍵構件的可靠性（如傳統(tǒng)方法）可能無法對橋梁結構系統(tǒng)的實際安全性提供準確的評估。結構系統(tǒng)在其某一構件失效后繼續(xù)承受荷載的能力稱為冗余性度或魯棒性。冗余度水平只能通過非線性結構分析來評估，該分析考慮結構部分或整體進入非線性范圍時，橋梁組成構件和整個結構體系的荷載會發(fā)生重分布。

對于新結構的傳統(tǒng)設計大多是在構件層面上進行的，并進行了一定的簡化，其中也未充分考慮冗余性。但是，在評估現(xiàn)有橋梁的安全性時，若完全根據(jù)構件的安全評估標準可能會出現(xiàn)不太準備的結構，因為在荷載作用下，當某一薄弱構件受荷達到非線性階段后，會將自身的部分荷載重新分配給其他受力構件。

在《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》中，針對不同的橋梁構件和失效模式，橋梁系統(tǒng)的冗余度和被評估構件的延展性均使用了不同的目標可靠性指標以及相應的安全系數(shù)。這種簡單的方法利用了冗余結構系統(tǒng)中存在的儲備強度。此外，從實際角度來看，重要的是，其應用不涉及任何超出標準評估程序適用范圍的額外工作。然而，這種方法是相當保守的，并且基于橋梁構件失效的判斷而不是評估橋系統(tǒng)的實際冗余度。

丹麥和瑞士的規(guī)范也使用相同的基本原則，并針對不同類型的失效分配不同的目標可靠性指標。但是，即使建議對冗余進行定性評估，但它們并未根據(jù)系統(tǒng)的冗余來指定不同的可靠性指標。

AASHTO LRFR規(guī)范提供了一組系統(tǒng)因子，可用于要求非冗余系統(tǒng)的構件具有比冗余系統(tǒng)更高的安全系數(shù)。目的是為了保持統(tǒng)一的系統(tǒng)可靠性水平，而不是統(tǒng)一構件的可靠性。LRFR中的系統(tǒng)因子為在標準橋梁設計規(guī)范中使用主觀分配的荷載修正因子提供了更客觀的選擇。

除了《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》中提出的簡化方法以及AASHTO LRFR建議的系統(tǒng)因子之外，還有其他幾種替代方法可用來解釋橋梁評估過程中的結構冗余水平。在實際應用中，橋梁系統(tǒng)的安全評估可以使用確定性直接系統(tǒng)分析方法進行。確定性方法的標準是基于對數(shù)百種典型橋梁配置的可靠性分析進行校準的。直接冗余分析標準的校準基于確保系統(tǒng)的可靠性指數(shù)與最關鍵構件的可靠性指數(shù)相比在指定范圍內(nèi)。如果不符合系統(tǒng)可靠性冗余度，則系統(tǒng)被認為是非冗余的，并且構件將不得不滿足用于冗余系統(tǒng)成員的可靠性指標目標。與《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》中提出的方法相比，使用系統(tǒng)可靠性標準的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠性標準提供了非主觀方法來評估系統(tǒng)的冗余水平，根據(jù)工程師的主觀判斷確定目標可靠性。

6 結論及展望

本文回顧了目前加拿大，美國以及英國，丹麥和瑞士現(xiàn)有橋梁評估和荷載評級的實踐情況。它還回顧了最近的研究，該研究確立了在診斷負荷和材料測試，驗證負荷測試，特定場地負荷數(shù)據(jù)以及評估現(xiàn)有橋梁結構安全性的概率框架中的冗余效果等先進工藝。在國家，歐洲和國際層面進行多年的研究，以及在特定項目中實踐這些概念的實踐證明了將這些概念納入橋梁評估代碼的好處。主張對綜合這些概念的現(xiàn)有橋梁進行評估并鼓勵工程師在橋梁安全評估過程中使用先進技術。預計開發(fā)橋梁評估歐洲規(guī)范將有助于改進我們的估算。

歐洲橋梁的使用壽命，并避免更換可能不滿足現(xiàn)有設計標準的橋梁，這些橋梁基于抵制和荷載的保守仿制模型，但其具體信息和行為可能會影響到它們具有高度的安全性和可靠性。