石拱橋安全使用壽命與可靠度的初探

賀國銀

摘要：本文敘述了橋梁安全性使用評價模式與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系，根據(jù)橋梁基于疲勞與損傷的以及可靠度原理等方面提出了橋梁的可靠模式和等級，據(jù)此針對于石拱橋提出了一種以裂縫為判斷原則劃分橋梁的安全等級的方法。

關(guān)鍵詞：可靠度；安全性；疲勞與損傷；評價模式

一、引言

縣鄉(xiāng)公路上的大中小橋有數(shù)以萬座。這些橋梁是促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力保障，是縣鄉(xiāng)人民脫貧致富、奔小康的希望之橋、幸福之橋。由于橋梁修建時技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，加之交通量的迅猛增長，橋梁建設(shè)質(zhì)量存在問題材料與結(jié)構(gòu)自然老化，使用環(huán)境的變化，以及超重、超限車輛的破壞作用，導(dǎo)致現(xiàn)在許多橋梁都出現(xiàn)了承載力不足的現(xiàn)象。然而隨著社會主義經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各個市區(qū)路網(wǎng)將提前完善，面對交通量的驟增，縣鄉(xiāng)公路橋梁安全問題將面臨嚴(yán)峻的考驗。因此基于可靠度的理論對于這些橋梁的使用壽命的研究具有重大的實用價值和深遠(yuǎn)的意義。

二、橋梁安全性使用評價模式及其與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系

1、橋梁評估模式的發(fā)展水平

對于現(xiàn)有橋梁的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)來說，橋梁的安全性評估方法是一個重要的問題。人們在橋梁安全性評估方面已進(jìn)行了大量的研究，并取得不同程度的進(jìn)展。安全評估是通過獲得的檢測數(shù)據(jù)，計算結(jié)論得到對結(jié)構(gòu)安全性能的整體評價。安全評估不但可以科學(xué)的給出結(jié)構(gòu)的可靠性評價，還是制定養(yǎng)護(hù)和維修計劃的重要參考。

2、梁橋安全使用與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系

結(jié)構(gòu)的安全使用壽命是指結(jié)構(gòu)由于外界環(huán)境腐蝕和老化因素的影響，使其耐久性受到損傷，當(dāng)結(jié)構(gòu)可靠度降低到某一預(yù)先規(guī)定值時所經(jīng)歷的時間。要確定結(jié)構(gòu)的安全使用壽命，必須首先確定一個可以接受的可靠度水平。橋梁結(jié)構(gòu)安全使用壽命與橋梁重要性等級有關(guān)。對于所屬等級為一級的重要橋梁，結(jié)構(gòu)初始可靠度一般較高，可靠度水平隨時間的衰減速度相對較慢，安全使用壽命較長 ；反之，使用壽命必然很短，因此適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)初始可靠度，是延長結(jié)構(gòu)安全使用壽命的有效措施。

3、橋梁承載力評價技術(shù)

橋梁承載力評價技術(shù)方面，目前常用技術(shù)主要有三種，即系數(shù)折減法、類比法和荷載試驗法。

三、橋梁使用壽命的可靠性評價

1、可靠性原理

結(jié)構(gòu)可靠度定義為：“工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率?！彼^的：“規(guī)定時間”指的是結(jié)合結(jié)構(gòu)使用期，考慮各種基本變量與時間的關(guān)系所取用的分析時間；“規(guī)定的條件”是指結(jié)構(gòu)正常設(shè)計、正常施工和正常使用的條件，即不考慮人為過失的影響；“預(yù)定功能”是指結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性。[1]

結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)定義為：“整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一個特定狀態(tài)就不能夠滿足設(shè)計規(guī)定的某一個功能要求，此特定的狀態(tài)稱之為該功能的極限狀態(tài)?！睒O限狀態(tài)實際上就是結(jié)構(gòu)可靠（有效）或不可靠（失效）的界限。

將作用方面的基本變量組合成綜合作用效應(yīng)S，抗力方面的基本變量組合成綜合抗力R。從而結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為 。對于 ，存在以下三種情況：

表明結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

表明結(jié)構(gòu)已失效或破壞；

表明結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

對于抗力及抗力參數(shù)的獲取我們采用的是間接的方法，即就是先對影響抗力的各種主要因素分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定其抗力參數(shù)，然后通過抗力與有關(guān)因素間的函數(shù)關(guān)系，來推求抗力統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型。通過橋梁承載能力方法我們計算出S和R，這樣我就可以用可靠度的功能函數(shù)來進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)處于那種狀態(tài)。

2、 基于疲勞損傷的評價方法

常規(guī)的評價以結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度為主，以結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為評判依據(jù)，忽略了橋梁的活荷載，即不能考慮橋梁的可靠度和使用壽命，研究表明致使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的形式往往是結(jié)構(gòu)的疲勞破損。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某部位發(fā)生疲勞損傷時，應(yīng)采取何種對策以及對策的緊迫性進(jìn)行判斷的過程，判斷項目有：（1）疲勞的累積損傷度；（2）疲勞損傷的發(fā)展速率；（3）構(gòu)件的冗余度；（4）劣化狀態(tài)對結(jié)構(gòu)機(jī)能的影響程度。由于每個項目都是根據(jù)某一功能疲勞極限狀態(tài)評定，因此，項目的評定等級是結(jié)構(gòu)構(gòu)件能否滿足某項功能要求的評定結(jié)果，并以相關(guān)等級來表示。

疲勞損傷的發(fā)展速率可判斷劣化狀態(tài)的發(fā)展的快慢。對裂紋擴(kuò)展速度的定量研究，一般是用斷裂力學(xué)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析。構(gòu)件的冗余度：當(dāng)構(gòu)件或接頭處產(chǎn)生的疲勞損傷連續(xù)發(fā)展時，需要判斷結(jié)構(gòu)是否會明顯地喪失強(qiáng)度和機(jī)能（構(gòu)件破壞除外），如果結(jié)構(gòu)會喪失強(qiáng)度和機(jī)能，則稱其沒有冗余度。判斷的目標(biāo)之一就是結(jié)構(gòu)是靜定的還是超靜定的，發(fā)生損傷的構(gòu)件是主要構(gòu)件還是次要構(gòu)件，以次要構(gòu)件裂紋的發(fā)展對主要構(gòu)件是否有很大影響。

3、石拱橋的破壞機(jī)理評價模式

當(dāng)一個無鉸拱橋達(dá)到了三個塑性鉸的時候我們稱之為靜定的結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)了第四個塑性鉸的時候我們就稱它為靜不定結(jié)構(gòu)，也就是由一個結(jié)構(gòu)變成了機(jī)構(gòu)，也就是在這個時候發(fā)生拱橋的破壞。對于石拱橋來說，主要的承重的結(jié)構(gòu)就是主拱圈，所以對于主拱圈的研究就顯的尤為重要！其破壞的最明顯的標(biāo)志就是裂縫，筆者據(jù)此通過對裂縫的出現(xiàn)以及發(fā)展來研究其破壞模式。

通過用斷裂力學(xué)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析，作者考慮提出一個判斷截面安全的判據(jù)a，來判斷這個截面的安全度。由于開裂韌性越小，說明這個截面的安全度越高，如果開裂韌性值達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)值，這個截面就是不安全的，也就是a值達(dá)到了最大值。從理論上講，這樣的截面出現(xiàn)4個，這個主拱圈就將最終破壞。另外裂縫的走向、長度和裂縫密集度等對 具體的a也會有影響，表達(dá)式如下：

式中： 、 、 、 、——表示裂縫長度、裂縫位置、裂縫走向、裂縫密集度對a的修正值。

式中： ——表示應(yīng)力

、 、 、 、 ——表示材料參數(shù)，可以通過試驗得出。

我們通過收集資料，算出部分橋的 ，對 進(jìn)行分級。

安全級 ≤1.0 普通級 1.0< ≤1.5

隱患級 1.5< ≤2 .0 危險級 >2.0

其中：

安全級——代表橋梁基本無影響主拱圈受力的病害；

普通級——雖然有些病害，但短時間內(nèi)可以繼續(xù)使用；

隱患級——病害影響了橋梁的正常承載，需要進(jìn)行檢測；

危險級——病害非常嚴(yán)重，需要盡快對該橋進(jìn)行加固。

四、結(jié)語

在常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評價基礎(chǔ)上，引入了影響可靠度和安全使用壽命的主要指標(biāo)，建立了結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全使用壽命評價模型，提出構(gòu)件結(jié)構(gòu)可靠度評價標(biāo)準(zhǔn)。尤其對石拱橋提出了靜不定破壞，以及對石拱橋評價等級根據(jù) 進(jìn)行了重新的分類。也為以后石拱橋安全評價提供了一個新思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄒天一，李楊航.結(jié)構(gòu)可靠度.北京：人民交通出版社，1998.

[2] 趙國藩.工程結(jié)構(gòu)可靠性理論與應(yīng)用.大連：大連理工大學(xué)出版社，1996.

[3] 楊偉軍，趙傳軍.土木工程結(jié)構(gòu)可靠度理論與設(shè)計.北京：人民交通出版社，1998.

[4] 陳萬春，馬建秦.既有橋梁可靠度與安全使用壽命的綜合評估.公路交通科技，2006.

[5] 工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB 50513—92）。北京：中國計劃出版社，1992.