中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
作為現(xiàn)代交通的咽喉，橋梁在其運營期內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)部件的逐漸老化、車載交通量的增加、惡劣環(huán)境因素的影響、維護管理的缺失，使得一些橋梁不可避免地出現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)性損傷狀況。這將導(dǎo)致橋梁的承載力和材料的耐久性能不斷降低，服務(wù)性能亦難以滿足規(guī)定的要求。橋梁承載能力檢測評估，既考量橋梁各組成構(gòu)件的強度和剛度等方面是否滿足現(xiàn)有運輸荷載的要求，同時又對其能否適應(yīng)未來的交通荷載的增長作出評定。橋梁的承載能力與橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性等技術(shù)性能有關(guān)，對其進行評定旨在弄清結(jié)構(gòu)的實際安全狀況，避免橋梁在營運中發(fā)生災(zāi)難性的后果。
借“他山之石”定原則
顧名思義，橋梁承載能力為橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載作用的能力，是衡量橋梁結(jié)構(gòu)所能承受的最大使用負荷的關(guān)鍵安全指標，是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的材料強度、結(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)定性等多方面性能指標的綜合反映。
目前我國公路橋梁技術(shù)狀況評價參照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）。該規(guī)范將橋梁技術(shù)狀況分為5 類：1 類為完好、良好；2類為較好；3 類為較差；4 類為差；5 類為危險。橋梁評價按構(gòu)件、部件、部位（橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)）和全橋的順序依次進行，采用分層加權(quán)綜合與單項指標控制相結(jié)合的方法?！豆窐蛄杭夹g(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）針對常見的梁式橋、拱式橋、懸索橋和斜拉橋，細化了不同的部件分類，并考慮了不同部件對橋梁結(jié)構(gòu)安全影響程度的差異，將橋梁部件進一步分成主要部件和次要部件，賦以不同權(quán)重。同時，針對嚴重缺陷或病害，也規(guī)定了14 種可以直接評定為5 類橋的情況。
為了定量評定既有橋梁承載能力，國內(nèi)外學(xué)者在用理論分析法檢算評定橋梁承載能力方面也做了大量研究工作。例如英國橋梁評估文件以橋梁規(guī)范BS5400為基礎(chǔ)，用條件系數(shù)進行判斷評價。美國各州公路和運輸協(xié)會（AASHTO）對現(xiàn)有公路橋梁承載能力的簡算，建立在所編制的GSSE上，并用承載能力系數(shù)進行評價。該方法主要在實測材料性能，構(gòu)件幾何尺寸變化，外觀缺陷及當(dāng)前通行荷載調(diào)查的基礎(chǔ)上，設(shè)法確定分項檢算系數(shù)，包括橋梁承載能力檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、混凝土截面折減系數(shù)、鋼筋截面折減系數(shù)、活載影響系數(shù)來同時對橋梁的結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)進行修正。通過對比修正后的結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)之間的關(guān)系來評定舊橋的承載能力，如抗力修正值大于或等于效應(yīng)修正值，說明結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求，反之則認為承載能力不足。該方法以設(shè)計資料和原有的設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合橋梁實際檢查及荷載調(diào)查結(jié)果進行承載能力評定，這種方法的優(yōu)勢在于：在考慮舊橋?qū)嶋H情況的同時，將既有橋梁承載能力和使用狀況通過理論計算公式定量化，得到較為確定的橋梁評定結(jié)果。通過計算分析，不僅可以判斷舊橋是否還具有原設(shè)計的承載能力，并且還可以判定舊橋是否存在一定的承載能力。目前我國交通運輸部頒布的《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)中對承載能力的檢算即采用此種方式，評定方法基本按照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中的方法進行，在原有設(shè)計規(guī)范承載力計算公式的基礎(chǔ)上，引入了舊橋檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載修正系數(shù)，分別對極限狀態(tài)方程中結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)加以修正，并通過比較判定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力狀況。所以結(jié)構(gòu)檢算法是目前橋梁評定方法研究的主要方向，并且處于不斷發(fā)展中。
檢驗“功力”的四種方法
評估方法綜述
公路橋梁承載能力評估方法目前主要分為：外觀調(diào)查法、荷載試驗法、規(guī)范檢算法和可靠度分析法，如圖1所示。
圖1 公路橋梁承載能力評估方法
1.外觀調(diào)查法
我國采用的外觀檢測方法是根據(jù)交通部頒布的《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTGH11-2015）所規(guī)定的內(nèi)容，對在役橋梁進行檢測，通常分為經(jīng)常性檢查、定期性檢查以及特殊檢查。通過對在役橋梁詳細的外觀檢查和無損傷測試，根據(jù)我國頒布的《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H-2011）對在役橋梁進行評判標度。該評定標準將實橋的現(xiàn)有狀態(tài)劃為5類等級——整體完好（1類）、輕微病害（2類）、部分損壞（3類）、主體結(jié)構(gòu)損傷（4類）、承載力喪失（5類）。并將橋梁整體劃為多個部件，根據(jù)橋梁部件當(dāng)前的損壞程度，服務(wù)性能及潛在病害等方面的狀況，對橋梁各類部件分別進行鑒定，其分數(shù)閾值在0～5之間。然后根據(jù)橋梁構(gòu)件的評分情況確定其對應(yīng)的等級。針對評測之后的橋梁狀況，分別采取不同措施的養(yǎng)護維修：1類進行正常保養(yǎng)；2類采取小修；3類則實施交通限制并進行中修；4類要對其大修或改造，情況嚴重時需關(guān)閉交通；5類必須通過結(jié)構(gòu)加固或拆除新建，并立即封閉交通。
2.荷載試驗法
荷載試驗是描述橋梁實際狀況最直觀的一種方法，該方法是根據(jù)預(yù)先制定的試驗方案對結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗之后的性能狀況進行觀測，并對測量的參數(shù)（如應(yīng)力、位移、頻率、振幅等）與理論計算結(jié)果進行比較，以便了解橋梁的實際運營狀況，客觀地對橋梁整體的使用性能和結(jié)構(gòu)的承載力進行評價及其剩余使用壽命作出預(yù)測。橋梁的試驗方案通常包括靜載試驗和動載試驗。靜力荷載試驗用于對橋梁結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場試驗分析，而動載試驗則作為靜力試驗一種輔助手段來補充和完善靜力試驗方案。
靜載試驗法具有可行性強等特點，多用于新橋的竣工驗收或在無法判明橋梁的運營狀況和承載力性能情況下的評測工作，但是采用靜載試驗的方法動用大量的人力物力，成本較高，試驗周期較長，在實驗過程中還有可能引起橋梁構(gòu)件的嚴重損傷，影響正常交通，因而難以普及。與靜載實驗相比，動載實驗規(guī)模較小、花費資金少、試驗周期短、操作簡單便捷。然而動載試驗在應(yīng)用過程中存在一定的局限性，由于動力測試水平相對較低，使得在試驗中測得的相應(yīng)數(shù)據(jù)與理論計算的數(shù)據(jù)有較大偏差，達不到規(guī)定的精度要求。
3.規(guī)范檢算法
規(guī)范檢算法是基于橋規(guī)而制定的，根據(jù)構(gòu)件的材質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)的形狀大小、邊界支承條件、外觀缺損程度、交通荷載量的大小，按照橋梁的力學(xué)計算數(shù)值來分析評定其承載力。這一評定標準結(jié)合了理論計算、現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測試結(jié)果和實際工程實踐等方面的內(nèi)容，經(jīng)過完善，該法已經(jīng)被推廣到橋梁評估的各個領(lǐng)域。
規(guī)范檢算方法通過考慮橋梁的實際狀況，并結(jié)合橋梁原有的設(shè)計、施工、養(yǎng)護及現(xiàn)場檢測資料，基于規(guī)范理論，運用計算分析的方法來對橋梁當(dāng)前的運營狀況作出評判。該方法采用理論計算公式對橋梁的實際承載能力和運營狀況進行定量化分析，能夠得到相對準確的評估結(jié)論。采用檢算，不僅可以鑒別橋梁能否滿足現(xiàn)有荷載狀態(tài)的承載力要求，并且還可以對橋梁的潛在承載力性能作出辨別。但該方法在實際操作過程中一些系數(shù)的取值存在一定的主觀性，與實際的橋梁狀態(tài)有偏差，故而在計算過程當(dāng)中必須對橋梁的設(shè)計標準、安全修正系數(shù)、構(gòu)件損壞狀況的確定、結(jié)構(gòu)分析模型的選取等進行深入討論。
4.可靠度分析方法
在工程領(lǐng)域中，通常用結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠度指標來判斷其安全狀態(tài)。該方法以統(tǒng)計學(xué)概率理論為基礎(chǔ)，根據(jù)實測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算分析結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠度指標，可以處理隨機變化的荷載及抗力因素對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性的影響。因此，該理論已經(jīng)逐漸成為結(jié)構(gòu)安全評估的理論基礎(chǔ)。
基于統(tǒng)計概率理論的橋梁結(jié)構(gòu)可靠度分析方法，最顯著的優(yōu)點是能夠量化分析橋梁構(gòu)件或系統(tǒng)中存在的不確定因素，并將這些因素作為隨機變量而建立概率可靠指標模型，使恢復(fù)橋梁構(gòu)件及系統(tǒng)的固有自然特征，并通過對現(xiàn)場測試結(jié)果的處理分析得到這種客觀存在的變異性。因此，該方法作為橋梁安全性能評估的科學(xué)理論支撐，已被應(yīng)用到評估規(guī)范的制定當(dāng)中。但基于概率可靠度的評估方法本身需要大量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，并且對于一些材料的失效模式、退化機理研究還不夠充分，在評估橋梁適用性和耐久性方面涉及的干擾因素也十分復(fù)雜，很多指標含有人為主觀假設(shè)因素，很難對其統(tǒng)一量化。
影響準確性的因素
圍繞公路橋梁承載能力評估結(jié)果影響因素，主要進行以下幾個方面的討論：
1.時變性對評估結(jié)果的影響
公路橋梁通常在設(shè)計階段，不考慮荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)強度的時變性，而公路橋梁在實際運營階段，伴隨服役時間增加，荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力都隨時間變化，導(dǎo)致評估結(jié)果可靠性降低。
圖2 時變性對評估結(jié)果的影響
2.美國AASHTO規(guī)范的特點
美國AASHTO規(guī)范與我國規(guī)范顯著的區(qū)別在于，美國規(guī)范規(guī)定了“三荷載類別、兩安全等級”。三荷載類別即：設(shè)計荷載、法定荷載、允許荷載。兩安全等級即：交付鑒定安全等級（β= 3.5）；運營安全等級（β= 2.5）。
圖3 美國AASHTO規(guī)范規(guī)定的橋梁承載能力評定技術(shù)路線
3.設(shè)計和運營階段的不確定性
在公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計階段,通過采用普適性較強的相關(guān)規(guī)范對荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力進行考量，與橋梁真實運營環(huán)境相比,其結(jié)構(gòu)和作用荷載的不確定性較高；而在運營階段，一般針對特定的結(jié)構(gòu)個體和時間窗口，不確定性較低。
圖4 設(shè)計和運營階段荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力的不確定性
4.提高承載能力評估可靠性的途徑
“瘦身法”，為提高承載能力評估可靠性的主要方式，它能減小結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力概率分布曲線的不確定性。其包括以下三種途徑：
（1）提高無損檢測技術(shù)的可靠性和精準度，減少承力構(gòu)件及其材質(zhì)物化性能的不確定性；
（2）利用荷載試驗或模型修正技術(shù)，減少理論模型的不確定性；
（3）利用動態(tài)稱重(WIM)建立車輛荷載譜，減少活載分布的不確定性。
圖5 “瘦身法”提高承載能力評估的可靠性
橋梁承載能力檢測評估是保障橋梁安全運營的重要支撐，也是危舊橋梁加固改造工作的技術(shù)基礎(chǔ)。目前基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的橋梁承載能力檢測評估技術(shù)發(fā)展相對成熟，對常規(guī)結(jié)構(gòu)普遍適用，但針對新材料、新體系、新工藝的現(xiàn)代橋梁工程尚存技術(shù)空白?，F(xiàn)代無損檢測和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，對降低橋梁承載能力評估的不確定性、間接提高橋梁結(jié)構(gòu)安全運營的可靠度具有重大意義。
本文刊載 / 《大橋養(yǎng)護與運營》雜志
2021年 第2期 總第14期
作者 / 劉昊 張二華 吳滌
作者單位 / 四川省公路規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司
