在役公路桥梁寿命评估与预测分析

王 旭，管锡琨，黄桂林

(1.黑龙江省交通科学研究所;2.东北林业大学)

在役公路桥梁寿命评估与预测分析

王 旭1，管锡琨2，黄桂林2

(1.黑龙江省交通科学研究所;2.东北林业大学)

大量在役桥梁承载能力不足、老化、破损使得在役桥梁的技术状况预测和寿命预测成为国内外十分关注的课题。因此，在建立在役桥梁抗力衰减模型及荷载模型的基础上，引入时变可靠度理论，建立桥梁极限状态方程。利用Jc法计算桥梁结构时变可靠度指标。引入桥梁工程中的0.85β0这个系数来预测混凝土桥梁的剩余使用寿命。并编制计算混凝土桥梁剩余使用寿命的计算程序，可为同类工程提供参考。

在役桥梁;寿命;预测;可靠度

1 引言

随着我国经济的发展，交通运输事业取得长足的进步，具体表现为交通量猛增，载重量增大。由于设计标准的改变，载重能力的提高，使得许多在役桥梁的承载力变得偏低，桥面偏窄，线型不良。

我国在役混凝土桥梁存在大量的问题。根据有关部门统计，仅公路桥梁就有5 000多座危桥，铁路桥梁有病害桥6 137座，占桥梁总数的18.8%，其中混凝土桥为2 675座，混凝土裂损722座。随着混凝土桥梁使用年限的增长，旧桥老化日益严重，在我国近20年来，公路交通量和车辆载重不断增加，公路桥梁负荷日趋加重，这就必然加剧既有桥梁的损伤。而如何预测混凝土桥梁的使用寿命以及采取何种有效的预防措施成为一个迫切需要解决的课题。

混凝土的使用寿命是一个与时间有关的过程。Rostam认为，几乎所有的混凝土的劣化都经过两个阶段:初始阶段和扩展阶段。在初始阶段，没有明显的材料弱化或结构功能退化等现象出现，但保护层被某些侵蚀介质破坏;扩展阶段，将出现主动性的损伤并加速发展。Geiker等人将使用寿命定义为三部分时间的和，即t=t1+t2+t3，其中:t1为达到稳定状态所需要的时间;t2为暴露的混凝土中钢筋处的氯离子达到临界浓度所需要的时间;t3为达到必须修补状态所需时间。

2 预测方法

目前桥梁使用寿命预测的方法有:基于经验的预测、性能相似对照法的预测、加速试验法的预测、数学模型法的预测、随机方法的预测。

2.1 基于经验的预测

这是一种基于实验室、现场设定以及经验知识来预测混凝土服役寿命的方法。这种是在经验知识的前提下进行直观推断。这种方法假定，如果混凝土是遵循标准化生产原则，它必然会有使用寿命期限。此方法担供了一种假定的混凝土服役寿命预测方法，尤其是当设计年限很短或者混凝土在非严酷的环境中工作时，在使用期内混凝土能充分地满足性能要求。但这个理论使用时有如下一些局限性。

(1)要预测的混凝土服役期大于已有期限内混凝土的经验知识时。

(2)遇到新的环境或存在侵蚀性的环境时。

(3)应用全新的混凝土材料时。

对混凝土使用寿命进行半定量预测的常用方法是基于试验或由具有丰富现场经验的专家判断。只要按照标准设计与施工，则混凝土应该具有所需要的寿命。这一方法的缺点是:当所需预测的混凝土寿命超过专家经验、应用于新的环境或使用新型混凝土材料时容易产生失误。而且研究实例表明，对混凝土耐久性的经验性或者定性评论仅仅是一种预测，尚不能形成有效预测服役寿命的基础，认为根据经验或定性估计不能作为使用寿命预测的可靠基础。

2.2 性能相似对照法的预测

这种预测方法尚未普遍应用。但其应用会随着老化混凝土结构的增加而增长。用这种相似对照材料性能的方法假定，如果混凝土在确认时间内是可靠的，则处于相似环境内的类似混凝土也应具有相同的可靠期。此方法存在的问题是任何混凝土结构由于材料、尺寸、施工情况、所处工作环境与施加荷载的不同都具有唯一性;而且多年来混凝土材料的性能也发生了改变。而且不同的微气候(混凝土表面的环境)会对混凝土耐久性造成不可预测的影响。相对应的是化学和矿物外加剂的发展也促进了高耐久性的高性能混凝土的应用，而且外加剂、掺合料也在变化，所以，即使所处环境是基本一致，相似对照法比较新旧混凝土之间的耐久性也相当困难，且存在着相当大的局限性，所以预测混凝土的寿命仍然不能一击而中。

2.3 加速实验法的预测

混凝土的耐久性与渗透性联系密切，因此国内外学者对混凝土的渗透性能进行了大量研究工作并提出了相应的测试方法，有透水法、透气法、混凝土氯离子渗透性测试法。

目前，普遍认为混凝土的渗透性能可以由氯离子的传输性来体现，而且只要钢筋周围的氯离子达到一定的浓度，而且其他条件同时具备就会发生钢筋锈蚀。此时即可认为结构寿命达到终结。因此，可以将混凝土中氯离子达到临界浓度的时间看作混凝土结构的使用寿命。

上述桥梁使用寿命预测方法只注重一个老化、劣化过程，然而多个损伤进程会同时发生，或者存在环境与荷载的交互作用，都会导致劣化。在役桥梁因导致劣化的因素难以识别，这种交互作用效应使寿命预测复杂化。制约钢筋混凝土结构的服役寿命的主要因素包括:氯离子侵蚀、碳化作用、化学物质(酸性物质和硫酸盐)侵蚀、冻融循环、荷载(疲劳、振动、局部超载)。特殊情况下，只考虑一个主要制约因素的作用并据此进行寿命预测;当多因素作用时，因可用的交互作用影响资料有限，着重关注前述的显著环境因素的影响。因而应用概率方法进行结构的剩余使用寿命预测是非常合理的方法。

3 随机方法的预测

影响在役桥梁的使用寿命的各因素都是随机变量，甚至是随时间变化的随机过程，所以，应用随机方法进行桥梁的剩余使用寿命的预测是非常合理的。

随机方法是在建立在桥梁抗力衰减模型及荷载模型的基础上，引入时变可靠度理论，建立桥梁极限状态方程。利用Jc法计算桥梁结构时变可靠指标。引入桥梁工程中的0.85β0这个系数来预测混凝土梁桥的剩余使用寿命。并编制计算混凝土桥梁剩余使用寿命的计算程序。

(1)建立在役桥梁的抗力模型

首先考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀、钢筋强度、混凝土强度等因素对桥梁结构的抗力衰减的影响，建立结构的抗力衰减模型。

(2)建立在役桥梁的荷载模型

公路桥梁的荷载模型主要由活载和恒载组成，活载效应取决于车辆荷载、轴重、轴的类型、桥上的车辆数、路面状况及结构构件的刚度等。这些参数在整个服役过程中都是随时间变化的随机变量。对于在役桥梁结构，应尽量使用现场检测、调查得到的数据来估计及修正荷载效应模型。

(3)进行寿命预测

①建立可靠度极限状态方程

②计算结构的时变可靠度指标

根据结构可靠度的定义，结构服役过程中的动态可靠度可定义为

式中:R(t)为结构抗力随机过程;S(t)为作用效应随机过程;t为结构使用寿命。

结构动态可靠指标可以表示为

可靠指标是结构服役时间t的函数。

利用Jc法求解可靠度指标迭代计算可知β值的一般式为

③以0.85β0为准则，编制计算程序，预测在役桥梁在一定可靠度水平下的使用寿命。

4 工程实例

4.1 工程概况

某大桥位于绥北公路海伦至北安段，建于1993年，桥跨布置为10×20 m钢筋混凝土T形梁桥。设计荷载为汽车－20级;挂车－100。桥面铺装为8 cm厚沥青混凝土。墩台采用桩柱式桥台，桩柱式桥墩，钻孔桩基础。桥面宽为净－10 m+2×1 m防撞护栏。

4.2 寿命预测

本桥梁的荷载横向分布系数采用刚接横梁法计算，经过计算得出1#梁荷载横向分布系数为0.507，2#梁荷载横向分布系数为0.432，3#梁荷载横向分布系数为0.407。由于进行桥梁剩余使用寿命预测时，将该桥的七片T梁看作是串连系统，若任何一片梁失效将导致整座桥梁失效，因1#梁的荷载恒向分布系数最大，故以1号梁为受力最不利梁来计算桥梁的使用寿命。

首先写出耐久性极限状态方程，即

考虑按弯矩失效模式取值，即

式中各个参数的意义如下

b为受压区梁宽，为常量;h0为梁的实际有效高度;fy(t)为钢筋抗拉强度随时间变化的函数，正态变量;Ra(t)为混凝土抗压强度随时间变化的函数，正态变量;As(t)为钢筋截面面积随时间变化的函数;SG为恒载效应值;S1QK为标准车辆荷载计算的效应值;KSQ为荷载效应比。

在本案例中，经计算

钢筋截面面积平均值取76 cm2，钢筋截面面积标准差取3 cm2;钢筋强度平均值取为360 MPa，钢筋强度标准差为21.4 MPa;混凝土强度的平均值为14.3 MPa，混凝土强度的标准差为0.78 MPa;其余各值根据前面所列表格的内容取值。然后把这些数据输入到桥梁剩余使用寿命预测程序中。

取目标可靠指标β0=4.2，对桥梁剩余使用寿命进行预测，首先输入各参数到程序界面。

图1 数据输入图

点击结果输出，输出如下结果。

图2 结果输入图

由程序输出结果可知，该桥梁在已经使用17年后，剩余使用寿命为38年。

5 结论

(1)在役桥梁是社会的宝贵财产，是保证交通安全畅通的关键。但大量在役桥梁承载能力不足、老化、破损己成为世界性的问题。在役桥梁技术状况预测和寿命预测，己成为国内外十分关注的课题。

(2)基于经验的预测法仅仅是一种预测，尚不能形成有效的预测服役寿命的基础;相似对照法比较新旧混凝土之间的耐久性相当困难，且存在着相当大的局限性，所以预测混凝土的寿命仍然不能一击而中;而加速实验可操作性差、实验年限过长;而影响在役桥梁的使用寿命的各因素都是随机变量，甚至是随时间变化的随机过程，所以，应用随机方法进行桥梁的剩余使用寿命的预测是非常合理的。

(3)建立在役桥梁抗力衰减模型及荷载模型的基础上，引入时变可靠度理论，建立桥梁极限状态方程。利用Jc法计算桥梁结构时变可靠指标。引入桥梁工程中的0.85β0这个系数来预测混凝土梁桥的剩余使用寿命。并编制计算混凝土桥梁剩余使用寿命的计算程序，可为同类工程提供参考。

［1］王有志等.桥梁的可靠性评估与加固［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［2］徐海军.混凝土耐久寿命预测的研究方法综述［J］.广州建筑，2006，(1).

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1008－3383(2011)12－0067－03

2011－10－11