PC变截面空心板桥承载力评估及寿命预测

2010-04-17徐祖恩张志却

山西建筑 2010年30期

关键词：寿命桥梁荷载

徐祖恩张志却

桥梁承载能力是结构承受荷载的能力,它反映的是结构抗力效应和作用效应的关系。

结构抗力是一个会随时间变化而发生变化的量,其变化规律复杂。作用效应是指外界对结构施加的外力作用,它也是随着时间变化而变化的量,如汽车荷载、人群荷载以及其他偶然荷载等。

因此,对旧桥进行承载能力评估即是通过技术手段获得当前在结构实际运营状态下,桥梁可能承担的最大荷载以及在该荷载作用下所表现的各项性能指标,从中了解结构目前的使用安全储备。

1 旧桥承载力评估传统方法

对桥梁承载能力进行评估是非常有必要的。在下列任一情况发生时应对桥梁承载能力进行评定。

1)结构内部存在缺陷。这种缺陷或者是固有的,或者是结构随时间而发展的恶化、损坏;2)外界因素的改变,如车辆荷载的增加或不利的环境影响等;3)新建桥梁的验收工作;4)旧桥实施加固、拓宽等修建工程前后;5)为设计规范的修订和完善提供依据;6)为了合理的分配养护维修资金;7)决定特殊荷载是否可以通行。

目前常用的桥梁结构承载力评定方法包括:旧桥检验系数法、实桥调查与结构分析综合法以及静、动荷载试验评定法等。

2 旧桥承载能力模糊贴近度综合评判模型

2.1 影响桥梁承载能力的因素

影响在役桥梁承载能力的因素很多。总的来说可以归纳为四类:设计和施工因素、建材性能因素、荷载因素以及环境影响因素。要进行桥梁承载能力的评定,如果要每一个细节都考虑到,既不现实,也无必要,因此,剔除次要因素,保留主要因素,确定如下所示的因素集:

1)使用因素。从使用因素的角度来考虑对承载能力的影响,主要是荷载对结构的影响,荷载是对结构的安全和使用性能有直接影响的一种最主要的因素,特别是目前公路运输行业的蒸蒸日上,交通流的日益增大使得桥梁承受的荷载压力增大。加上桥梁超载超限情况严重,不安全的行驶造成桥梁存在了各种各样影响承载能力的损伤和缺陷。特别是累积损伤的后果使得桥梁结构抗力加速劣化,从而使桥梁承载能力降低。此外,还有桥梁结构自身的恒载以及自然环境对其施加的荷载,如温度,冻融等。从一般情况出发,结合目前出现较多的超载超限现象考虑荷载因素对桥梁结构承载能力的影响。

2)结构因素。结构在使用过程中出现偏离最初设计状态的现象对桥梁承载能力的影响也是不可忽视的,主梁/主拱圈变形过大、墩台变位过大以及存在超过规范范围内的裂缝,这些不仅仅影响到桥梁的承载能力,当情况严重时更是直接影响到了桥梁的正常使用,必要时需要封闭桥梁。

3)养护因素。对桥梁进行及时的养护是保证桥梁正常使用的有效手段,但是实际情况中,桥梁数目的众多,养护维修资金的有限,使得在桥梁养护工作实施过程中很难及时的落实到每一座桥梁,因此,根据养护情况的不一样,在使用中,桥梁也会出现不同的状况,对桥梁承载能力的影响也不一样。

综上,建立影响桥梁承载能力的因素集如下:

U={U1U2U3}{使用因素,结构因素,养护因素}。

其中,U1=使用因素={超载情况,车流量};U2=结构因素={主梁/主拱圈受力变形,墩台变位,受力裂缝};U3=养护因素={保养情况,结果损伤状况}。

2.2 等级评定

1)单因素隶属度评定原则。考虑影响桥梁承载能力的各个因素,其中有可以通过定量方式确定隶属度的,如车流量等,也有非定量的因素,如结构损伤状况、保养情况等。为了便于能够在一个量度上进行隶属度的评定,本项目拟采用类比法结合专家意见评定各个因素的隶属度。

采用反映各个单因素影响桥梁承载能力程度的一级～五级模糊语言,各级取值范围将(0,1)区间划分为0.90～1,0.75～0.90,0.60～0.75,0.45～0.60,0～0.45。由此可以建立各个因素相对等级(一级～五级)的单因素评价模糊集。如:桥梁出现了轻微的缺损状况,但基本对承载能力没有影响,对照评价标准可取评价模糊集u=(u1,u2,u3,u4,u5)=(0.35,0.65,0,0,0),表示不能完全达到一级水平,能够满足二级水平,不符合三级～五级。

2)承载能力等级评定。结合桥梁承载能力衰减规律和对应采用的维修加固工作将桥梁承载能力等级按照满足目前使用要求的程度划分为五级,即“完全足够”“足够”“临界”“不足”“严重不足”,对该5个语义进行量化,各自取值范围分别为0.90～1,0.75～0.90,0.60～0.75,0.45～0.60,0～0.45。每一级的具体对应情况描述如下:a.完全足够。桥梁只存在轻微缺损,其程度对桥梁承载能力不产生任何的影响,完全满足目前使用要求。b.足够。桥梁存在的缺损状况对桥梁承载能力几乎不会产生任何影响,承载能力能够满足当前的使用要求,不需要特别进行维修加固工作。c.临界。桥梁出现了少量影响到承载能力和威胁桥梁正常使用的缺陷和破损,应考虑采用适当的措施控制这种缺陷和破损的开展。d.不足。桥梁已出现严重威胁桥梁正常使用的结构性缺损,承载能力因此降低,需要考虑采取维修加固措施。e.严重不足。桥梁存在的严重缺陷已经不能保证桥梁正常使用,承载能力急剧降低,桥梁已经不适宜继续使用,应考虑规模较大的加固措施或重建,否则应立即中断交通。

3 PC变截面空心板桥剩余寿命预测的回归法

桥梁结构和人一样,也有其寿命,即使寿命在其使用寿命期间,它也会“生病”。由于各种外力(即荷载)的作用,尤其是我国部分地区行车辆严重超载等各种因素,桥梁结构会产生一定的损伤,甚至发生倒塌事故。随着时间的推移,损伤不断累积,再加上材料的不断老化(如钢筋锈蚀、混凝土碳化等),强度不断降低,最终使桥梁结构发生局部破坏,乃至整体破坏,使得结构不能再承受荷载的作用,此时,结构即完成了它的历史使命,失去了其使用价值,达到了它使用寿命的终点。若能准确预测在役公路桥梁的剩余寿命,就能进行合理的投资,采取有效的加固改造措施。本项目拟采用回归预测分析法对桥梁剩余寿命进行预测,为公路桥梁维护管理部门的桥梁养护工作提供可行办法。其中,回归预测模型的建立方法如下:

回归预测模型就是利用桥梁在t0时刻前各个检测时刻的实际检测资料与分析结果,通过回归分析,建立桥梁结构损伤与使用时间的关系,以此作为对桥梁结构寿命进行预报的根据。

其基本过程为:设Dt为结构t时刻的总损伤系数,Dt=0表示结构完好无损伤;Dt=Df表示结构使用的寿命终结;Dt=1.0表示结构完全破坏。

Dt是一个综合指标,应考虑桥梁的损伤状态、结构的重要性、结构维修费用等因素。经综合分析确定,也可采用桥梁损伤指数 BDI表示,桥梁损伤指数BDI(Bridge Damage Index)表示桥梁损伤程度,其取值范围为[0.0,1.0]。当BDI=0时,表示桥梁无损伤;当BDI=1时,表示桥梁处于极度危险状态。以BDI表示的损伤等级区间如下:

0.0 ≤BDI＜0.2,无损伤;0.2≤BDI＜0.4,轻微损伤;0.4≤BDI＜0.6,中等损伤;0.6≤BDI＜0.8,严重损伤;0.8≤BDI＜1.0,破坏性损伤。

Df可由专家根据工程经验给出(暂假定Df=0.8)。这样,Dt与使用时间的函数关系可表示为: