浅谈国外桥梁评估规范现状

陈晓宇

（中机中联工程有限公司，重庆市 400039）

0 引言

目前用于新桥设计的规范主要是通过结构所承受的荷载所产生的荷载效应来进行评定。尽管这些规范为现目前的桥梁基础设施提供了一种较好的理论基础，但它们可能还无法对现有桥梁进行一个有效安全的评估。事实上，随着桥梁服役年限的增加，其承载能力会减小，一些桥梁管理者为了方便，保守的采用设计标准来评估现有桥梁的安全性，结果可能表明需加固或者更换。但是，桥梁的维修加固或更换的成本常常较高，这就造成桥梁的维修成本高昂。因此，在评估现有桥梁的安全性时，不再适合采用设计标准来评定，甚至可能需要降低安全评估的标准。这就需要：降低现有桥梁的目标可靠性水平；应用先进的结构分析和评估方法；根据现场桥梁实测数据和服役时间的增加来更新活荷载模型；通过非破坏性测试，将现场与结构材料特性和所受荷载相关的检测监测数据纳入到桥梁评估中；进行桥梁验证荷载试验，以更好地评估桥梁的承载能力。通过加入这些先进技术的评估，之前按传统评估方法不满足设计安全标准的结构实际上是安全可靠的[1]。基于此，在过去的一段时间，欧洲和北美开展了大量的研究工作，研究新的桥梁评估、维修、管理方法技术。这些研究成果已经体现在目前英国，丹麦，瑞士，加拿大和美国现有的桥梁评估新规范中[2]，本论文旨在总结目前各个国家在桥梁评估中运用的新技术、新方法，为国内桥梁评估方法提供一定的参考。

1 桥梁多级评估方法

桥梁多级评估方法主要是通过评估现有桥梁的承载能力以评估其安全性，评估其继续承受不断增加荷载的能力以及其服役寿命的长短，从而让桥梁工程师对桥梁构件现目前以及未来的状况有一个清晰的了解[3]。

在评估初始阶段，常常采用近似于设计标准的评估方法来进行评估；如果桥梁通过了初级评估阶段，则不需进一步的评估和分析，桥梁可以照常服役。若未能通过初级评估，则需对桥梁进行下一步的评估，该评估可以采用以下一些方法：

对可能的材料属性进行现场测试以获得更好的构件强度估算；

采用车辆称重系统（WIM）数据来获得改进后的荷载估计值；

采用更精细化的结构分析模型或现场实测来获得桥梁对施加荷载响应的更好估计。

在大多数情况下，通过中级评估就足以验证或反驳初始级别评估的结果。由于在采取中级评估需要更高级的检测成本，因此，是否需要收集额外的检测数据来对桥梁进行中级评估取决于桥梁的重要成度以及在维修更换桥梁构件所产生的直接间接成本。然而往往根据新的检测数据所提供的预期信息，仍无法确定桥梁是否应该采取下一步评估。其决定因素包含以下工具和技术的组合：

直接应用可靠性分析方法；

考虑系统安全性，冗余性和鲁棒性的标准；

特定活载；

材料特性荷载试验；

荷载试验。

以下部分将讨论如何运用这些技术来评估现有桥梁的安全状况。

2 基于概率论的桥梁评估和目标可靠性水平

现有桥梁设计规范，包括欧洲规范[4]，都是基于极限状方程并采用安全系数法（PSFM）来对桥梁进行评估。目前欧洲设计规范中使用的安全系数法是基于过去的经验和基于可靠性的校准过程而建立的[5]。在评估现有桥梁安全的因子中也应该使用基于概率的方法来进行校准，而且桥梁评估过程也应该基于相同的PSFM形式，可以用以下通用公式表示：

式中：Pk是被评估的横截面的特征抗力；Gk,j是第j个恒载的效应特征值；P是预应力作用效应值；Qk,i是第i种可变荷载的效应特征值；γR是抗力效应系数（考虑到横断面抗力的材料，几何参数的不确定性以及抗力效应模型本身的不确定性）；γG，是第j种永久荷载的安全系数；γP是预应力的安全系数；γQ,i是第i个可变荷载的安全系数。

式（1）中的抗力因子通常针对不同的可靠性指数值进行正常校准，这取决于反映延展性水平的极限状态以及部件在结构系统上的失效的结果。

尽管在校准设计方程和评估现有桥梁的承载能力时用的是同样的方法，但是在实际运用过程中所采用的安全因子和可变荷载的模型是不一样的，因为在评估过程中通常会加入特定的可靠性水平和服役阶段。根据成本效益分析，这种差异是合理的，因此新桥的可靠性水平基本上只需要更高的建筑材料成本，而其他大部分成本（包括设计和施工成本）基本上不会影响。另一方面，现有桥梁的可靠性水平较高的话，将会使得许多现有桥梁，除了物质和建筑成本之外，还需要大量的拆除和与拆除相关的直接成本，并且在大多数情况下由于交通中断和拥堵造成的经济损失和环境影响也会增加。只有在保持定期的桥梁检查和维护时间表的情况下，以及只有在使用受到较低可靠性目标评级的桥梁的历史性表现支持才能得到较低的可靠性水平和服役期。

3 基于概率论的评估

在桥梁未能通过使用PSFM进行的初步评估的情况下，可以应用直接概率方法来确保桥梁构件的可靠性指标满足特定标准：

βTARGET是目标可靠度，可以从成本效益分析或相关规范或指南中获得，具体取决于所研究的极限状态以及构件破坏对整个系统完整性的影响，是标准正态概率分布反函数，而Pf是超过极限状态函数（通常称为失效概率）的概率，定义如下：

式中：Z是极限状态函数；R和S分别是广义抗力效应和荷载效应。

可靠性指数β可以采用常用的计算可靠度的方法来计算，例如一次二阶矩法（FORM）或蒙特卡罗模拟法。当R和S可以被假定为服从正态分布或对数正态分布的独立的随机变量，那可靠度指标β可以使用简化方法如平均荷载法轻松计算。使用直接可靠性分析的好处在于，可以直接将得到的可靠度指标同规范中提供的目标可靠度进行比较来确定评定结果达到或超过目标可靠性水平。另一方面，直接可靠性分析可以验证特定的桥梁结构在特定的条件和材料特性下，是否将满足适当的目标。

在使用可靠性分析评估桥梁的安全性时要记住的一个重要事项是可靠性指标β取决于关于抗力荷载的概率分布函数的假设。此外，由于大多数常用的可靠性分析方法只给出近似解，可靠性指数β也可能取决于极限状态函数的复杂性和采用的可靠性分析方法。因此，不应该将其视为绝对的可靠性指标，而应该将被评估的桥梁的安全水平同可接受的基准值进行比较。此外，可靠性评估应该仅由在这种分析中经历过的工程师进行。

4 目标可靠度水平

一般来说，对于评估过程中所选取的目标可靠度指标应考虑被评估桥梁的具体条件，包括失效的原因和方式、失效的后果，以及降低失效发生风险所需要的成本。风险以及经济，另外还有社会和环境条件的影响。

但是，考虑所有这些因素是一个非常复杂的过程。因此，对于常规桥梁，应根据桥梁工程专家的经验对这些因素进行预定义，比如桥梁管理者的政治，社会和经济制约因素，该地区的施工质量情况，环境因素和加载条件对桥梁劣化的影响，以及桥梁之前的服役状况。由于现有桥梁评估失败所产生的成本同新设计的成本相当，而现有结构的所增加的相对成本要高于新设计，因此在评估过程中所采用的目标安全指数应该要低于设计所采用的目标安全指数。此外，由于结构安全性与由相互连接的部件和构件组成的结构系统的整体性能相关，而安全检查过程基于构件安全检查，构件的目标可靠性指数应考虑结构冗余的固有水平，这取决于桥梁组成构件及其相应的延展性。

以上所提出的现代桥梁评估的概念也成为了《加拿大公路桥梁设计规范》的一部分内容，专用于现有桥梁的安全评估。在《加拿大公路桥梁设计规范》中，推荐的评估程序开始于识别最可能的失效模式并确定与每个模式相对应的适当的目标可靠性指标，并综合考虑结构系统和构件的安全状况。建议的目标可靠性见表1、表2。然而，《加拿大公路桥梁设计规范》首先建议根据目标可靠性水平调整部分安全系数，而不是建议在所有情况下进行直接可靠性检查。因此，在为每个失效模式选择可靠性指标后，确定相应的部分安全系数的集合，见表3。具体评估公式如下：

式中：Rr是抗力；D是永久荷载；A是第A种可变荷载；L是主要活荷（例如车辆荷载）；I是动力放大因子；U是抗力修正因子（AF），并且是活载的相应部分安全系数。

表1 根据极限状态方程得到的目标可靠性指标

抗力AF、U由不同的结构参数和极限状态方程所得到的。它考虑了构件的实际抗力和使用简化方法所计算得到的抗力之间的变化。

抗力因子是采用图纸或历史资料中查阅的名义材料强度参数进行计算的，这些参数与设计中使用的材料系数相同。根据《加拿大公路桥梁设计规范》，当应用式（4）算得结构承载能力不足时，可以采用平均荷载法来简化概率评估。AASHTO荷载和抗力因子评估（LRFR）规范采用了类似的基于可靠性的评估原则和荷载等级评估程序。荷载评定是基于较低的活载系数和一系列“标准车辆”，比设计新桥时使用的保守性要低。对构件承载能力的评估必须要考虑到桥梁的强度会随着时间的增加而降低。根据桥梁检测人员所确定的损坏程度，AASHTO采用较低的抗力系数。如果桥被分类为非冗余，则还有可能低于1.0的系统因子。AASHTO桥梁评估过程中的评级因素（RF）等效于式（2） 中的活荷载乘数 F如式（4）。AASHTO规范已经过校准，以便满足评级标准中的现有桥梁在5 a评估期内将达到相应的目标可靠性指标βTARGET=2.5。

表2 在一般活载下的目标可靠度指标

表3 在最大恒载和活载作用下的效应因子

5 冗余和延展性标准

桥梁通常由相互联系的构件组成，若采用线弹性分析方法来评定关键构件的可靠性（如传统方法）可能无法对桥梁结构系统的实际安全性提供准确的评估。结构系统在其某一构件失效后继续承受荷载的能力称为冗余性度或鲁棒性。冗余度水平只能通过非线性结构分析来评估，该分析考虑结构部分或整体进入非线性范围时，桥梁组成构件和整个结构体系的荷载会发生重分布。

对于新结构的传统设计大多是在构件层面上进行的，并进行了一定的简化，其中也未充分考虑冗余性。但是，在评估现有桥梁的安全性时，若完全根据构件的安全评估标准可能会出现不太准备的结构，因为在荷载作用下，当某一薄弱构件受荷达到非线性阶段后，会将自身的部分荷载重新分配给其他受力构件。

在《加拿大公路桥梁设计规范》中，针对不同的桥梁构件和失效模式，桥梁系统的冗余度和被评估构件的延展性均使用了不同的目标可靠性指标以及相应的安全系数。这种简单的方法利用了冗余结构系统中存在的储备强度。此外，从实际角度来看，重要的是，其应用不涉及任何超出标准评估程序适用范围的额外工作。然而，这种方法是相当保守的，并且基于桥梁构件失效的判断而不是评估桥系统的实际冗余度。

丹麦和瑞士的规范也使用相同的基本原则，并针对不同类型的失效分配不同的目标可靠性指标。但是，即使建议对冗余进行定性评估，但它们并未根据系统的冗余来指定不同的可靠性指标。

AASHTO LRFR规范提供了一组系统因子，可用于要求非冗余系统的构件具有比冗余系统更高的安全系数。目的是为了保持统一的系统可靠性水平，而不是统一构件的可靠性。LRFR中的系统因子为在标准桥梁设计规范中使用主观分配的荷载修正因子提供了更客观的选择。

除了《加拿大公路桥梁设计规范》中提出的简化方法以及AASHTO LRFR建议的系统因子之外，还有其他几种替代方法可用来解释桥梁评估过程中的结构冗余水平。在实际应用中，桥梁系统的安全评估可以使用确定性直接系统分析方法进行。确定性方法的标准是基于对数百种典型桥梁配置的可靠性分析进行校准的。直接冗余分析标准的校准基于确保系统的可靠性指数与最关键构件的可靠性指数相比在指定范围内。如果不符合系统可靠性冗余度，则系统被认为是非冗余的，并且构件将不得不满足用于冗余系统成员的可靠性指标目标。与《加拿大公路桥梁设计规范》中提出的方法相比，使用系统可靠性标准的优点是系统可靠性标准提供了非主观方法来评估系统的冗余水平，根据工程师的主观判断确定目标可靠性。

6 结论及展望

本文回顾了目前加拿大，美国以及英国，丹麦和瑞士现有桥梁评估和荷载评级的实践情况。它还回顾了最近的研究，该研究确立了在诊断负荷和材料测试，验证负荷测试，特定场地负荷数据以及评估现有桥梁结构安全性的概率框架中的冗余效果等先进工艺。在国家，欧洲和国际层面进行多年的研究，以及在特定项目中实践这些概念的实践证明了将这些概念纳入桥梁评估代码的好处。主张对综合这些概念的现有桥梁进行评估并鼓励工程师在桥梁安全评估过程中使用先进技术。预计开发桥梁评估欧洲规范将有助于改进我们的估算。

欧洲桥梁的使用寿命，并避免更换可能不满足现有设计标准的桥梁，这些桥梁基于抵制和荷载的保守仿制模型，但其具体信息和行为可能会影响到它们具有高度的安全性和可靠性。