服役橋梁可靠度研究現(xiàn)狀淺析
2016-12-05 
   1、前言

   在我國沿海及西部地區(qū),隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,近20年來新建了一大批RC及PC橋梁,投資巨大,其安全性、耐久性、使用壽命等問題均引起各方的高度關(guān)注。本文就橋梁的可靠度研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要的綜述,以期起到一定的借鑒作用。

   2、服役RC橋梁可靠度研究方面

   RC橋梁可靠度研究開展較早,目前的研究成果較豐富,主要體現(xiàn)在考慮材料性退化的可靠度研究方面。

  ?。?)抗力影響因素

   1)砼褪化

   砼褪化包括兩方面的問題:其一是指砼中性化的過程,導(dǎo)致砼對鋼筋的保護(hù)作用逐漸被削減,影響因素主要有碳化與氯離子侵蝕;其二為砼強(qiáng)度的時(shí)變性能,直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)抗力的時(shí)變規(guī)律。

   2)鋼筋銹蝕

   鋼筋銹蝕后最直接的結(jié)果就是其面積的損失,通常以銹蝕鋼筋截面損失率來反映其受損程度,這也是確定RC橋梁構(gòu)件抗力的主要參數(shù)之一。

   從現(xiàn)有的鋼筋銹蝕建模方式看,可將其計(jì)算模型劃分為兩類,即:理論模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。理論模型基于電化學(xué)反應(yīng)的原理建立計(jì)算式,適用于理想狀況下的銹蝕量計(jì)算,其中個(gè)別參數(shù)的取值較難獲取從而影響其實(shí)用性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛡?cè)重實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證,各個(gè)模型的側(cè)重點(diǎn)不同使得模型之間存在差異,但通過實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H銹蝕樣本得到的分階段計(jì)算模型獲得了一致認(rèn)可。

  ?。?)抗力模型

   1)評估模型

   抗力評估模型是針對當(dāng)前時(shí)刻的服役狀態(tài),通過實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何尺寸及材料強(qiáng)度檢測得到隨機(jī)樣本,考慮到檢測參數(shù)的變異性,將樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸后給出其分布函數(shù)及分布參數(shù),進(jìn)而對抗力函數(shù)進(jìn)行修正。

   抗力評估模型的建立需要實(shí)測或分析結(jié)構(gòu)當(dāng)前時(shí)刻的砼強(qiáng)度、鋼筋截面銹蝕率、銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度降低系數(shù)以及銹蝕鋼筋-砼協(xié)同工作系數(shù)。

   2)預(yù)測模型

   抗力預(yù)測模型也即時(shí)變抗力模型,主要機(jī)理是利用耐久性相關(guān)參數(shù)的研究成果構(gòu)建抗力模型,預(yù)測模型同樣需要考慮砼強(qiáng)度、鋼筋面積、鋼筋屈服強(qiáng)度以及鋼筋一砼協(xié)同工作系數(shù)隨的時(shí)變規(guī)律。

   RC橋梁可靠度研究重點(diǎn)目前仍集中在抗力概率模型的研究方面,雖然可供借鑒的耐久性修正參數(shù)的模型較多,但大多均來自工業(yè)或民用建筑領(lǐng)域,有些模型的應(yīng)用有非常嚴(yán)格的適用條件,對于服役環(huán)境不定性影響因素較大的橋梁結(jié)構(gòu)而言,能否直接引用需要進(jìn)一步研究。

   另一方面,關(guān)于砼結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度的研究今年來成為研究的熱點(diǎn),除了考慮評估時(shí)結(jié)構(gòu)材料劣化程度的問題,還要對今后一段時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)性能的衰減規(guī)律進(jìn)行預(yù)測,這就要求結(jié)構(gòu)抗力概率模型的建立要考慮材料時(shí)變規(guī)律的影響,也就是基于當(dāng)前耐久性參數(shù)實(shí)測值的可靠度預(yù)測問題。

   3、服役PC橋梁可靠度方面

   相對于RC橋梁,PC橋梁可靠度的研究開展較少,其主要難度是預(yù)應(yīng)力鋼束受波紋管保護(hù)且保護(hù)層較厚,其服役狀況難于獲得,國內(nèi)外很多學(xué)者就預(yù)應(yīng)力束的無損檢測方法進(jìn)行過很多研究,但至今無法取得能夠面向工程應(yīng)用的、切實(shí)可行的測試手段。因此,關(guān)于PC橋梁可靠度的研究仍處于探索階段,設(shè)計(jì)方法上的研究多采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同參數(shù)的模型梁進(jìn)行敏感性參數(shù)研究,實(shí)際工程中為了保證精度,作為權(quán)宜之計(jì),預(yù)應(yīng)力束的服役狀況必須進(jìn)行破損檢測。以下內(nèi)容針對考慮PC橋梁耐久性與否兩方面因素進(jìn)行說明。

   首先,Tabsh和Al-harthy針對PC橋梁進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束面積、鋼束的極限應(yīng)力及其有效高度對構(gòu)件可靠度有較大影響。國內(nèi)學(xué)者杜進(jìn)生針對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行研究,結(jié)果表明無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件鋼束截面積沿程分布特性對可靠度影響較大,將該類構(gòu)件的設(shè)計(jì)安全度提高15%較合理。

   其次,現(xiàn)役PC橋梁性能評估受耐久性影響較大,且鋼束銹蝕及預(yù)應(yīng)力有效值的衰減為關(guān)鍵參數(shù),檢測方法的缺少是阻礙此類橋梁評估的主要困難。長安大學(xué)近年來就該問題進(jìn)行了探索研究,收集了服役PC橋梁鋼束銹蝕的資料,統(tǒng)計(jì)表明,相同條件下有波紋管保護(hù)的鋼束銹蝕后銹坑分布較少,經(jīng)打磨仍可見金屬光澤或灰黑色質(zhì)地,破壞張拉試驗(yàn)時(shí)各絲受力均勻,齊斷狀況較多;缺少波紋管保護(hù)時(shí)鋼束的銹蝕速率較大,銹坑連續(xù)且分布較多,單絲依次斷裂較普遍。

   4、加固后可靠度研究

   由于加固技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間并不長,對很多加固方法特別是較新型的加固方法缺少必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),因此,加固后結(jié)構(gòu)可靠度可借鑒的研究資料很少,對加固后的硅結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行系統(tǒng)分析研究進(jìn)行的更少。在加固設(shè)計(jì)中現(xiàn)有的加固設(shè)計(jì)方法基本上是在各自的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)半理論方法,不能與現(xiàn)行的可靠度設(shè)計(jì)要求相協(xié)調(diào),也無法與整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的可靠度相一致,局部加固后對構(gòu)件整體及結(jié)構(gòu)體系的整體可靠度的影響等問題有待深入的研究。

   目前,加固后構(gòu)件可靠度的研究建筑領(lǐng)域涉及較多,橋梁結(jié)構(gòu)加固后的可靠度研究較少。橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固前后,其抗力發(fā)生了變化,對加固后的構(gòu)件可靠度進(jìn)行分析,需要綜合考慮加固類型、加固效率,建立結(jié)構(gòu)功能函數(shù)。目前對于粘貼片材加固鋼筋砼構(gòu)件的計(jì)算和理論己經(jīng)日趨成熟,但現(xiàn)有的橋梁加固規(guī)范是基于片材容許應(yīng)力法的,需要通過概率極限狀態(tài)來完善其設(shè)計(jì)及評估過程。對于加固后的橋梁使用性能和可靠度評估目前處于起步階段,有待深入研究。

   5、結(jié)構(gòu)性能評估及評估荷載的選取

   結(jié)構(gòu)性能的評估方法主要有:變權(quán)綜合評定法、分析計(jì)算評估方法、荷載試驗(yàn)評定法和可靠性評價(jià)方法。變權(quán)綜合評定法和分析計(jì)算評估方法理論框架體系較為完善,在公路舊橋結(jié)構(gòu)性能評估中己有廣泛應(yīng)用,但為確定性評估方法,在目前檢測儀器相對不夠先進(jìn)、測試手段相對不夠完善條件下有其不足之處;荷載試驗(yàn)評定法可信度較高,應(yīng)用也很廣泛,但是采用校驗(yàn)系數(shù)、動力響應(yīng)和模態(tài)參數(shù)等評定橋梁結(jié)構(gòu)性能的精度不高,另外該方法費(fèi)用較高,試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)也較大;可靠性評價(jià)方法中的隨機(jī)可靠度方法尚處在應(yīng)用研究階段,可較好的反映橋梁結(jié)構(gòu)損傷、測試方法等方面的不定性,在有限測試精度條件下可達(dá)到較好的評價(jià)效果,且該方法能與現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相協(xié)調(diào)。

   然而,無論何種評估方法其本質(zhì)是針對抗力與荷載效應(yīng)之間的"供需"關(guān)系展開的,確定性荷載的選用無法反應(yīng)結(jié)構(gòu)真實(shí)的服役荷載,河南省地方標(biāo)準(zhǔn)己明確規(guī)定在高速公路和特大橋梁、特殊橋梁的車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值 ,集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值 和車輛荷載按公路-Ⅰ級的1.3倍設(shè)計(jì)。目前基于"等超概率準(zhǔn)則"的橋梁評估荷載的修正較合理,其原理是根據(jù)"當(dāng)前服役荷載的水平超越設(shè)計(jì)荷載的概率等于評估荷載水平超越當(dāng)前荷載的概率"的原則來確定的,但如何利用現(xiàn)有的方法獲取當(dāng)前的服役荷載水平仍需通過隨機(jī)車流模擬的方法,利用MATLAB模擬服役橋梁當(dāng)前的荷載水平是解決這一問題的有效途徑。

   6、結(jié)論

   無論基于何種可靠度理論,對現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估時(shí),參數(shù)眾多、步驟復(fù)雜、計(jì)算難度大,實(shí)用性較差,且敏感性參數(shù)的選取對評估結(jié)果影響較大,因此急需利用己有的可靠度評估理論開發(fā)出易于操作的評估系統(tǒng)。

   參考文獻(xiàn):

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   [3]張宇,李思明.粘鋼加固鋼筋砼梁可靠性分析.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2005,32(6),11-14

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   作者簡介:張紅春,1984-12年出生,內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教。
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