鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁安全性能評(píng)估方法研究

姬兵亮

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景[1]

據(jù)橋梁現(xiàn)代管理方法的需要，山西省交通科學(xué)研究院進(jìn)行了“山西省橋梁健康動(dòng)態(tài)管理與診斷系統(tǒng)”課題的立項(xiàng)研究。系統(tǒng)對(duì)橋梁安全性能評(píng)估進(jìn)行了深入研究，建立了評(píng)估模型及方法，提出了評(píng)估指標(biāo)，確定了評(píng)估參數(shù)、制定了評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁為例，本文對(duì)橋梁安全性能評(píng)估方法進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2 橋梁安全性能評(píng)估模型

橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由很多構(gòu)件組成，每個(gè)構(gòu)件的安全性受多個(gè)因素綜合制約和影響，而要準(zhǔn)確確定橋梁的整體安全性則異常困難。

橋梁分為：上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系和附屬設(shè)施等部件。其中上部及下部結(jié)構(gòu)是橋梁的主要承重部件，二者主要決定了橋梁的整體安全性能。橋梁其他構(gòu)件的病害存在也對(duì)橋梁整體安全性能產(chǎn)生影響，如護(hù)欄破損和缺失會(huì)給過(guò)往行人和車輛帶來(lái)很大墜橋風(fēng)險(xiǎn)；橋面破損和伸縮縫的破損等其對(duì)橋梁整體安全承載影響程度有限，但卻會(huì)給通行車輛帶來(lái)很大的危險(xiǎn)，如爆胎、車輪壓碎橋面板等，其嚴(yán)重破損時(shí)也會(huì)降低橋梁的承載力儲(chǔ)備等。因此在橋梁安全性能評(píng)估時(shí)不能忽視這些構(gòu)件的影響。本方法在進(jìn)行橋梁安全性能評(píng)估時(shí)重點(diǎn)考慮上下部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也考慮橋面鋪裝、伸縮縫及人行道和護(hù)欄對(duì)橋梁安全性能的影響。

評(píng)價(jià)時(shí)基于橋梁定期檢查或特殊檢查關(guān)鍵病害信息，分層次進(jìn)行評(píng)價(jià)，先局部后整體逐步確定橋梁整體安全性指標(biāo)評(píng)分值。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁評(píng)估模型見(jiàn)圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁安全性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁安全性能評(píng)價(jià)[2]

3.1 上部結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

3.1.1 主要承重部件

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)影響鋼筋混凝土上部主要承重構(gòu)件安全性的因素主要有兩個(gè)方面：構(gòu)件截面變化及鋼筋與混凝土共同工作性能變化。因此主要承重部件評(píng)價(jià)時(shí)主要考慮這兩個(gè)參數(shù)的影響。定義上部主要承重構(gòu)件的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

其中：k1、k2取值及計(jì)算見(jiàn)式（1）及表1、表2所示。

式中：A1為鋼筋（預(yù)應(yīng)力筋）銹蝕后截面面積；A0為鋼筋（預(yù)應(yīng)力筋）設(shè)計(jì)截面面積。不能準(zhǔn)確量取鋼筋直徑的按表1定性法確定k1取值。

表1 k1系數(shù)取值范圍

表2 k2系數(shù)取值范圍

3.1.2 橫向聯(lián)系

橫向聯(lián)系主要功能是連接主要承重構(gòu)件以呈整體共同受力，傳遞和分布荷載。而其病害存在則降低其荷載傳遞和分布的性能，進(jìn)而降低整體承載能力，根據(jù)其病害程度，定義評(píng)價(jià)指標(biāo)kSEI及制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3所示。

表3 橫向聯(lián)系安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.3 上部結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)價(jià)

采用加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算，參考其他資料確定權(quán)重，計(jì)算式為：

3.2 下部結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

3.2.1 墩臺(tái)評(píng)價(jià)

采用上部結(jié)構(gòu)主要承重部件評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)定義墩臺(tái)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)kPAI對(duì)墩臺(tái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2.2 基礎(chǔ)評(píng)價(jià)

影響基礎(chǔ)安全性的因素為基礎(chǔ)的承載力和地基穩(wěn)定性。當(dāng)基礎(chǔ)存在沖刷、外露、凍融、腐蝕、缺損等病害后，會(huì)降低或失去承載力及地基穩(wěn)定性。根據(jù)其病害程度，定義評(píng)價(jià)指標(biāo)kFEI及制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4所示。

表4 基礎(chǔ)安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.3 支座評(píng)價(jià)

同樣根據(jù)其病害程度，定義評(píng)價(jià)指標(biāo)kPEI及制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5所示。

表5 支座安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.4下部結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

采用加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算，同樣參考其他相關(guān)資料確定權(quán)重，計(jì)算式為：

3.3 其他部件評(píng)價(jià)

僅考慮橋面鋪裝、伸縮縫、人行道及護(hù)欄對(duì)橋梁安全性的影響。根據(jù)其病害程度，分別定義評(píng)價(jià)指標(biāo)kBEI、kEEI及kGSEI并制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6～表8所示。

表6 橋面鋪裝安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表7 伸縮縫安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表8 人行道及護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算其他部件安全性能指標(biāo)分值，參考其他相關(guān)資料確定權(quán)重，計(jì)算式為：

3.4 橋梁整體安全性能評(píng)價(jià)

橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)構(gòu)成了橋梁結(jié)構(gòu)的最主要承重體系，二者功能缺一不可，根據(jù)木桶原理橋梁的安全性能主要取決于二者的短板，而橋梁其他部件的安全性能在橋梁安全性能的所占比重較小，且其基本上處于同上下部結(jié)構(gòu)平行的位置（即當(dāng)其失效時(shí)不能引起橋梁主體立即失效），是橋梁安全性能的重要后備力量，因此橋梁安全性評(píng)價(jià)時(shí)為了確保評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和有效性，保守起見(jiàn)采用取上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)評(píng)分最小值（也即其二者不利值）同橋梁其他重要部件加權(quán)平均的方法二者最不利值，即取二者評(píng)分較低值。計(jì)算式為：

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)或下部結(jié)構(gòu)評(píng)分按照表9評(píng)價(jià)安全性等級(jí)為三級(jí)及以上是可按照最差部件評(píng)分值直接確定全橋安全性等級(jí)，以利于安全和及時(shí)處治。

3.5 橋梁安全性能評(píng)分、等級(jí)劃分及對(duì)策

根據(jù)橋梁部件、整體安全性能評(píng)分可對(duì)安全性能劃分等級(jí)并給出處置對(duì)策，見(jiàn)表9所示。

表9 橋梁安全性整體評(píng)價(jià)

4 總結(jié)及建議

a）在對(duì)安全性評(píng)價(jià)前，可先進(jìn)行缺損狀況評(píng)價(jià)，如果缺損狀況評(píng)價(jià)等級(jí)為一類及二類，則不必進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

b）根據(jù)木桶原理，對(duì)橋梁安全性評(píng)價(jià)時(shí)，可選取病害最為嚴(yán)重的橋跨進(jìn)行評(píng)價(jià)，以其安全性評(píng)估等級(jí)作為全橋的安全性等級(jí)。

c）按此方法安全性評(píng)價(jià)等級(jí)在三級(jí)及以上的橋梁，建議進(jìn)行特殊檢查如荷載試驗(yàn)等，準(zhǔn)確確定橋梁的承載能力，及時(shí)采取限行、維修加固等措施，以保證橋梁結(jié)構(gòu)和通行車輛人員安全。