橋梁評估與加固理論2019年度研究進展

張方，黃俊豪，金聰鶴，徐望喜，龔婉婷，錢永久

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031; 2. 河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000)

近年來，中國橋梁建設成績斐然。隨著2018年港珠澳大橋建成通車，一批舉世矚目的特大橋梁，如武漢楊泗港長江大橋、廣東虎門二橋坭洲水道橋、福建平潭海峽公鐵兩用大橋也相繼建成通車，2020年江蘇五峰山長江大橋、江蘇滬通長江大橋等還將通車。回望改革開放四十余年，中國橋梁事業取得了突飛猛進的發展。截至2018年底，中國共有公路橋梁85.15萬座，其中特大橋梁4 000余座，估計未來每年還將新增2～3萬座；鐵路橋梁6.5萬座，其中高速鐵路橋梁建設成就特別突出；市政橋梁與特種橋梁也有快速的發展，城市立交橋與人行橋梁的建設日新月異。在橋梁建設取得巨大成就的同時，大量的既有橋梁既是巨大的固定資產和社會財富，同時，為保證橋梁運行安全和合理的使用壽命，每年的檢測、監測、評估、維護和加固需要消耗大量的人力、物力。該領域的工作既是復雜的技術問題，也是影響經濟發展和人民生活的社會問題。

影響既有橋梁安全和合理使用的主要因素包括：橋梁的老化問題，相對于中國橋梁的一般設計年限(公路50或100年，鐵路100年)，相當一部分橋梁已進入老化期，較多的橋梁表現出耐久性不足的問題；日益增長的交通運輸量使橋梁安全問題日益凸顯；普遍存在的超載現象加劇了橋梁的損傷和安全隱患；大量的橋梁帶病工作，承載力不足的橋梁或危橋的數量逐年上升；各類自然與人為災害對橋梁造成的傷害危及橋梁的正常使用安全；現代交通系統的升級改造對既有橋梁的長期使用提出了新的要求。針對上述問題開展橋梁結構評估和加固維修理論與技術研究是目前研究的熱點之一，具有重要的理論研究前景和應用價值。

1 基于時變理論的既有橋梁可靠性評估方法

既有結構在剩余服役期內的安全性不僅與結構自身狀態有關，還與結構所處于的服役環境、管養維護條件、經受荷載特性有關。一般不宜直接采用現行的設計準則對既有結構進行評估。既有結構與擬建結構的區別主要體現在以下幾個方面：

1)既有結構已在一定荷載作用下服役了一段時間。“一定荷載”表明結構抗力進行了荷載的驗證作用，減少了抗力的隨機性；“一段時間”表明結構評估基準期與設計基準期不同。評估基準期的確定與結構當前特性、環境條件以及預期的使用要求有關。

2)既有結構為一客觀實體，可通過科學的方法或先進的測量儀器來減少因材料不確定性、尺寸不確定性、認識模糊性而引起當前結構抗力的隨機性。

3)既有結構會發生隨時間變化的損傷和性能衰退，影響結構的可靠性。

圍繞結構抗力和作用的研究是橋梁結構狀態評估的關鍵所在。抗力和作用均具有時隨性，采用隨機過程理論來對結構進行可靠性分析符合客觀規律。由于隨機過程理論的復雜性，不便于實際應用，工程上往往采用給定一時間域，將荷載與抗力的隨機過程在時間域內轉化為隨機變量進行簡化處理。

常用的荷載隨機過程有平穩二項分布、濾過泊松過程、濾過威布爾隨機過程等。Wang等[1]研究表明，現有在役橋梁抗力采用隨機過程進行描述時，均假定抗力隨機過程模型為不相關或者全相關模型，這與客觀實際差距較大，故提出了基于Gamma隨機過程、考慮抗力衰減相關性的抗力模型。葉新一等[2]采用Taylor級數展開了由Mori-Ellingwood等提出的時變可靠度公式，取其一階矩進行可靠度計算，將可靠度積分簡化為代數方法，提升了效率。潘晨等[3]基于全壽命周期的成本最小準則不能反應決策者主觀風險態度不足的特性，采用效應理論模型探討主觀態度對地震風險決策的影響，并計算了地震保險費受人類主觀因素的決定作用。劉強等[4]采用等效線性化與隨機平均方法，推導出了首次超越破壞時間的結構失效概率分布函數，對結構非線性動力系統的首次超越破壞問題進行了研究。文獻[5-6]基于Monte-Carlo偽隨機試驗方法，采用Copula函數，考慮失效模式相關性，進行系統時變可靠度分析。另有樊學平等[7]基于健康監測時間序列數據，采用貝葉斯動態線性模型為粒子濾波器提供隨時間更新的動態建議分布，提出了橋梁動態可靠度指標的改進粒子濾波預測方法。

2 結合工程應用的可靠度計算方法

結合工程應用的可靠度計算方法研究比理論研究多。從考慮的因素看，涵蓋了時變效應、徐變效應、銹蝕、荷載裂縫、碳化等橋梁結構性能劣化的主要因素，并針對混凝土橋、鋼橋、加固加寬后橋梁結構等結構形式研究了基于實際工程的可靠度計算方法。

彭建新等[15]考慮氯鹽環境、混凝土時變效應、腐蝕電流密度及氯離子侵蝕過程等因素的不確定性，建立了預應力混凝土箱梁橋的時變可靠度模型，研究了時間、腐蝕電流密度及保護層厚度等參數對結構承載力的影響，計算了該梁橋在100年設計期內的失效概率，并開展了參數敏感性分析。徐衛敏等[16]考慮鋼板銹蝕對水工鋼閘門結構抗力和剛度退化的影響，采用Gamma隨機過程提出了考慮銹蝕因素的可靠度分析方法。趙陽陽等[17]基于多級荷載作用下的剩余強度模型，建立了時變疲勞可靠度極限狀態函數，并基于Monte Carlo方法給出了正交異性鋼板的疲勞時變可靠度模擬方法。陳龍等[18]基于Bayesian理論，采用Poisson隨機過程描述車載效應，得出了退化數據集的聯合分布，并依據先驗分布為正態分布的假設，給出了混凝土梁橋動態可靠度的預測方法。郭弘原等[19]基于概率密度演化算法，提出了銹蝕鋼筋混凝土梁極限狀態函數的建立方法，并預測其時變可靠度。文獻[20-21]分別采用Monte-Carlo方法和支持向量機法，對加寬混凝土梁橋的時變可靠度進行了研究。張凱健等[22]基于再生骨料變異性強的特點，通過時變可靠度理論對再生混凝土梁進行了可靠度分析，并對再生混凝土梁的配筋率進行了討論。劉威等[23]基于大氣銹蝕模型和簡支檁條的屈曲計算理論，提出了臺風作用引起的檁條銹蝕時變可靠度計算方法。鄒紅等[24]基于鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范，考慮箱梁的徐變效應，提出了預應力箱梁跨中截面拱變形功能函數，并以此開發了基于三階矩法的箱梁上拱變形時變可靠度計算方法。楊思昭等[25]分別基于一般大氣環境下銹蝕鋼筋界面損失的時變模型，以及抗剪、抗彎承載力退化模型，建立了考慮其隨機性的極限狀態方程，引入邊界吸收條件，提出了退化鋼筋混凝土梁的時變可靠度算法。楊慧等[26]分析了碳化混凝土表面的氯離子累積效應、荷載裂縫及其對氯離子侵蝕的加速作用，根據Fick定律得到了不同服役期對應抗力的概率密度函數，采用Monte Carlo方法對鋼筋混凝土梁提出了考慮碳化和氯離子累積共同作用的時變可靠度算法。

隨著AI技術進入新的發展時期，智能評估獲得了推動。計算機視覺技術與遠程攝像機和無人機采集結合的非接觸式解決方案因深度學習帶來了技術核心上的突破而獲得了較快的發展[27]。檢查類的應用涵蓋了環境識別[28]、構件特征及損傷識別[29-30]；監測應用包括應變和位移的靜態變化和用于模態分析的位移動態變化[31]。研究集中于將基于視覺方法取得的特征和信號轉換為可操作的數據，從而成為快速決策的基礎。張清華等[32]提出了基于等效結構應力的正交異性鋼橋面板多尺度疲勞損傷評估方法，建立了考慮隨機因素的結構體系實時疲勞損傷評估及剩余壽命預測方法，構建了正交異性鋼橋面板疲勞損傷智能監測與評估系統，基于實際橋梁結構的交通量和結構響應監測信息，對所建立的正交異性鋼橋面板疲勞損傷智能監測與評估系統進行了驗證。吳焜[33]以橋梁BIM模型為平臺結合數據庫技術將橋梁檢測全過程相關信息在BIM模型中集成，為橋梁評估提供了解決方案。

3 維修加固策略

從物質和資金的角度看，在役橋梁的評定最終是為維修、加固及拆除重建提供決策依據。而這實際上已經遠不只是一個工程技術問題，或者一個經濟問題，這是一個復雜的社會問題。怎樣建立具有中國市場經濟特征的橋梁維修、加固及拆除重建的技術經濟分析模型，合理利用有限養護資金，綜合考慮近、遠期經濟效益和社會效益，已成為困擾橋梁管理養護部門的技術難題[34]。在役橋梁維修優化理論研究的目的是協調結構安全性與經濟性的矛盾，以保證結構在全壽命周期內達到投資效益最佳。

Frangopol等[35]認為，橋梁管理的目的是有效利用有限的資金在全壽命成本和全壽命可靠度之間達到平衡。Liu等[36-37]基于遺傳算法，進行了同時最小化橋面板前側維護成本和劣化成本的多目標優化研究，并運用于交通網絡中多座橋梁的橋面板維護優化中。Kim等[38]考慮結構檢測維護中的不確定性，以最大化結構使用壽命以及最小檢測維護成本為目標函數，優化計算得到結構的檢測維護時間以及維護措施。橋梁的維修檢測模型被認為是多目標優化，實際上，這些目標一般都是相互制約，甚至相互矛盾[39]。Horn提出了基于Pareto概念的對比選擇方法——小生境Pareto遺傳算法，綜合運用聯賽選擇和共享函數的思想來選擇當前種群中的優良個體遺傳到下一代種群中，實現了多個目標無偏好優化。邊晶梅[40]提出了一種基于交互式多目標遺傳算法的橋面板維修優化方法，能在有限的橋梁維修資源和良好的維修效果之間進行折衷，不僅獲得比較理想的維修方法組合，降低了維修策略的選擇難度。隨著時間的不斷增加，在荷載和環境因素耦合作用下，橋梁結構的使用性能不斷退化[41-42]。加上荷載與環境因素的不確定性，考慮這種不確定性及退化過程對于橋梁的決策具有重要意義。在役橋梁結構檢測維護模型具有時變特性，結構抗力的退化模型也成為了檢測維護優化模型的基礎。周浩[43]基于Gamma隨機過程描述鋼筋銹蝕變化過程，建立了以橋梁使用壽命以及維護成本為目標函數，以檢測維護時間、檢測方法以及維護措施決策準則為優設計變量的橋梁檢測維護策略優化模型，采用多目標遺傳算法計算得到設計變量的Pareto解集，為檢測維護策略提供依據。黃天立等[44]基于Gamma隨機過程和Matlab遺傳算法工具箱，提出銹蝕鋼筋混凝土橋梁結構檢查養護策略優化分析方法，并得到可提供在不同結構使用壽命期望和檢查養護成本預算下收益最大的檢查養護策略和Pareto優化解集。

傳統的維修方式多以定期維修和事后維修為主，主要具有管理簡單、便于實施的特點。但也容易造成維修過剩與維修不足的后果[45]。近年來，孫馬等[46]提出了以橋梁預防性養護經濟性、安全性及耐久性為目標的層次評價分析模型，建立了關于橋梁預防性養護的模糊綜合評價體系。預防性概念在提出來以后，在道路的路面養護上得到了應用[47-50]。顏全哲等[51]以橋梁壽命養護活動總成本最小為優化目標，結合遺傳算法研究混凝土梁橋的養護優化策略，得到混凝土梁橋壽命周期內在結構性能指標接近最低限值時進行糾正性養護，可使壽命周期成本顯著減少。

4 橋梁加固理論與方法

從橋梁加固行業來講，混凝土橋加固占比最大，其中又以纖維增強復合材料(FRP)加固混凝土結構為最多，研究的熱點亦是如此。

4.1 抗彎加固研究進展

陳緒軍等[52]在BFRP/CFRP兩種材料加固RC梁的靜載抗彎試驗中研究多因素對試驗梁短期撓度和剛度的影響；基于剛度解析法，將FRP片材截面積折算為縱筋面積，建立了FRP片材加固RC梁短期抗彎剛度計算公式。方圣恩等[53]考慮受壓區混凝土非線性應力變化，選取Hognestand本構模型以推導FRP加固RC梁受壓混凝土等效應力和受壓區高度各自相對應比值，進而得到不同破壞模式下的梁正截面極限抗彎承載力計算公式。Zawam等[54]制作12根GFRP預應力混凝土梁使用杠桿懸重方法進行長期持荷試驗，研究不同因素對梁的長期力學性能的影響。

4.2 抗剪加固研究進展

付一小等[55]采用CFRP混合粘貼(HB-FRP)加固鋼筋混凝土T梁抗剪試驗，發現混合(HB-FRP)加固技術提高單根CFRP布抗剪貢獻并延緩其剝離過程，在撓度變形、混凝土裂縫抑制、箍筋受力改善和CFRP材料利用率等方面均優于傳統外貼(EB-FRP)加固方式。

4.3 粘結界面問題研究進展

4.4 環境因素影響的加固研究進展

4.5 新技術、新材料及相近領域研究進展

4.6 纖維增強復合材料(FRP)加固混凝土結構發展展望

多位學者[75-80]對目前FRP加固RC結構的研究現狀進行綜述性總結，認為下一步的研究方向應傾向于FRP加固RC梁的抗扭性能領域；多環境因素耦合效應對加固結構的力學性能影響；預應力FRP加固RC梁的研究領域；更精確的有限元數值模擬技術開發；特殊形式的混凝土結構，如：深梁、混凝土墻的軸向加固等；綜合考慮加固量、二次受力、預損傷等因素對于加固結構的長期性能影響機理；力學性能更好的復合材料和加固效果更好的新技術的研究；新技術(如傳感裝置)在FRP加固RC結構的長期行為研究。

4.7 其他加固方法的研究

毛德均等[82]對《混凝土結構加固設計規范》GB 50367—2013和GB 50367—2006的承載力計算方法進行了研究，將試件承載力計算值與實測值進行對比，發現兩部規范的承載力計算結果比較接近，但計算結果的整體準確性都不夠好、偏于不安全，尤其對大偏壓柱的承載力計算較不安全。根據加固柱的受力破壞特性，定義了3種破壞極限狀態，基于3種極限狀態下的截面應變分布分析，建立了加固柱的承載力計算公式，驗證表明，該公式的計算結果與試驗結果吻合較好，且偏于安全。

5 鋼筋混凝土墩柱的抗震性能及其抗震加固

5.1 預應力CFRP加固混凝土柱的研究

5.2 鋼筋混凝土柱滯回模型研究

5.3 約束鋼筋混凝土柱本構模型研究

5.4 FRP加固鋼筋混凝土柱塑性鉸研究

王震等[88]對48根彎曲破壞的矩形空心墩擬靜力試驗結果進行分析，考慮剪切變形引入空心率的影響，提出了矩形空心墩等效塑性鉸的建議模型。張艷青[94]通過截面分析從理論上分別確定了彎曲、彎剪破壞形態的鋼筋混凝土柱塑性鉸模型。邵長江等[95]基于試驗和既有研究結果，以軸壓比、剪跨比、縱筋及混凝土強度、配筋率及延性系數等位參數回歸得到不同類墩柱塑性鉸區約束箍筋用量的簡化公式。

6 結論與展望

總體而言，在既有橋梁的評估和加固領域已從理論到工程實踐逐步建立了科學體系和技術方法系統。但是，隨著基本建設階段性發展形勢的不斷變化，該領域仍前路崎嶇。中國在該領域的研究者應該站在巨人的肩膀上，緊緊抓住交通強國戰略和中國大力推進橋梁評估、智能維護的歷史機遇，引入數學、力學、理論分析、試驗檢測技術、加工制造技術和人工智能等領域的最新成果，在基礎理論和重大工程應用兩方面繼續努力，進一步深化對既有結構性能衰變的認識，發展新的理論與方法，根據實際需求拓展新的研究領域，通過創新性成果為橋梁的可持續發展建立更為完備的保障體系。以下幾個方面的研究對于深化既有橋梁的評估和加固問題具有重要的推動作用，是下一階段的研究重點。

6.1 橋梁結構全生命周期性能演變理論

既有橋梁在其服役的長期過程中性能會發生不同程度的衰退。衰退的成因主要包括：結構本身的時變效應、材料的時變效應、環境對結構或材料的影響、長期荷載和交變荷載對結構的影響、結構的損傷及演變等，如何針對不同的成因開展理論與實驗研究，建立相應的計算分析模型，還有許多工作有待完成。

6.2 基于可靠度的橋梁加固設計理論

橋梁加固設計理論與新建橋梁設計理論最本質的不同是擬加固的橋梁包含有新材料與老材料(組合結構體系)、老結構因經歷長期的使用而承受了不同等級荷載的檢驗(影響結構的失效概率)、既有結構已完成了一定的服役期(影響加固結構的設計壽命)、既有結構或材料含有不同程度的損傷或性能衰變(影響結構的安全)。綜合考慮上述因素建立相應的橋梁加固設計理論需要開展大量的基礎研究。

概略地說，該領域的研究未來可分為兩個層次，第1個層次是結合現階段可靠性設計理論的發展水平和設計規范現狀，建立可供未來修訂橋梁加固設計規范使用的基于可靠性的橋梁加固設計理論；第2個層次是綜合考慮結構損傷演變的基于可靠性的全壽命橋梁加固設計理論，該方面的研究相對會困難一些。

6.3 加固橋梁的時變效應及分析方法

由于加固橋梁通常含有新舊兩種材料，在組成新結構并共同受力的過程中，新材料與老材料的性能均會隨時間發生變化。時變效應產生的主要原因包括新的結構材料與粘結材料本身所具有的時變效應、加固方式引起既有結構性能的改變、加固后新結構性能演變規律。目前在該領域的研究還很不充分。

6.4 既有橋梁全壽命周期大數據庫與基于人工智能的管理專家系統

該方面的研究主要包括建立一套開放性的、可升級的、可擴展的數據管理與數據分析系統，制定數據采樣、采集和質量保證的標準，將國家按地域分區，收集不同區域的橋梁的科學數據，實時建立橋梁健康數據庫，通過區域分工，對橋梁進行周期性的詳細檢查、監測和評估，同時，建立基于人工智能的橋梁評估與管理的專家系統，通過實時數據得出橋梁的評估結論與管理建議。該方面的研究量大面廣，需要國家層面的支持。

6.5 重大橋梁結構預防性養護維修策略研究

目前，中國橋梁養護維修的現狀還基本是頭痛醫頭、腳痛醫腳的方式，即發現橋梁出現了較嚴重的問題后，開始進行橋梁的檢測與維修加固工作，此時橋梁的損傷通常已較嚴重，維修與加固的費用也相對較高，橋梁的安全程度也會不同程度地降低。若在早期能夠及時發現可能存在的隱患，并及時加以處理，就可以避免出現類似情況，這類似人類的平時保健與病重就醫的情形。目前在該領域的理論與試驗研究均還較少，相應地，也缺乏對工程實踐的有效指導。