桥梁评估与加固理论2019年度研究进展

张方，黄俊豪，金聪鹤，徐望喜，龚婉婷，钱永久

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031; 2. 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

近年来，中国桥梁建设成绩斐然。随着2018年港珠澳大桥建成通车，一批举世瞩目的特大桥梁，如武汉杨泗港长江大桥、广东虎门二桥坭洲水道桥、福建平潭海峡公铁两用大桥也相继建成通车，2020年江苏五峰山长江大桥、江苏沪通长江大桥等还将通车。回望改革开放四十余年，中国桥梁事业取得了突飞猛进的发展。截至2018年底，中国共有公路桥梁85.15万座，其中特大桥梁4 000余座，估计未来每年还将新增2～3万座；铁路桥梁6.5万座，其中高速铁路桥梁建设成就特别突出；市政桥梁与特种桥梁也有快速的发展，城市立交桥与人行桥梁的建设日新月异。在桥梁建设取得巨大成就的同时，大量的既有桥梁既是巨大的固定资产和社会财富，同时，为保证桥梁运行安全和合理的使用寿命，每年的检测、监测、评估、维护和加固需要消耗大量的人力、物力。该领域的工作既是复杂的技术问题，也是影响经济发展和人民生活的社会问题。

影响既有桥梁安全和合理使用的主要因素包括：桥梁的老化问题，相对于中国桥梁的一般设计年限(公路50或100年，铁路100年)，相当一部分桥梁已进入老化期，较多的桥梁表现出耐久性不足的问题；日益增长的交通运输量使桥梁安全问题日益凸显；普遍存在的超载现象加剧了桥梁的损伤和安全隐患；大量的桥梁带病工作，承载力不足的桥梁或危桥的数量逐年上升；各类自然与人为灾害对桥梁造成的伤害危及桥梁的正常使用安全；现代交通系统的升级改造对既有桥梁的长期使用提出了新的要求。针对上述问题开展桥梁结构评估和加固维修理论与技术研究是目前研究的热点之一，具有重要的理论研究前景和应用价值。

1 基于时变理论的既有桥梁可靠性评估方法

既有结构在剩余服役期内的安全性不仅与结构自身状态有关，还与结构所处于的服役环境、管养维护条件、经受荷载特性有关。一般不宜直接采用现行的设计准则对既有结构进行评估。既有结构与拟建结构的区别主要体现在以下几个方面：

1)既有结构已在一定荷载作用下服役了一段时间。“一定荷载”表明结构抗力进行了荷载的验证作用，减少了抗力的随机性；“一段时间”表明结构评估基准期与设计基准期不同。评估基准期的确定与结构当前特性、环境条件以及预期的使用要求有关。

2)既有结构为一客观实体，可通过科学的方法或先进的测量仪器来减少因材料不确定性、尺寸不确定性、认识模糊性而引起当前结构抗力的随机性。

3)既有结构会发生随时间变化的损伤和性能衰退，影响结构的可靠性。

围绕结构抗力和作用的研究是桥梁结构状态评估的关键所在。抗力和作用均具有时随性，采用随机过程理论来对结构进行可靠性分析符合客观规律。由于随机过程理论的复杂性，不便于实际应用，工程上往往采用给定一时间域，将荷载与抗力的随机过程在时间域内转化为随机变量进行简化处理。

常用的荷载随机过程有平稳二项分布、滤过泊松过程、滤过威布尔随机过程等。Wang等[1]研究表明，现有在役桥梁抗力采用随机过程进行描述时，均假定抗力随机过程模型为不相关或者全相关模型，这与客观实际差距较大，故提出了基于Gamma随机过程、考虑抗力衰减相关性的抗力模型。叶新一等[2]采用Taylor级数展开了由Mori-Ellingwood等提出的时变可靠度公式，取其一阶矩进行可靠度计算，将可靠度积分简化为代数方法，提升了效率。潘晨等[3]基于全寿命周期的成本最小准则不能反应决策者主观风险态度不足的特性，采用效应理论模型探讨主观态度对地震风险决策的影响，并计算了地震保险费受人类主观因素的决定作用。刘强等[4]采用等效线性化与随机平均方法，推导出了首次超越破坏时间的结构失效概率分布函数，对结构非线性动力系统的首次超越破坏问题进行了研究。文献[5-6]基于Monte-Carlo伪随机试验方法，采用Copula函数，考虑失效模式相关性，进行系统时变可靠度分析。另有樊学平等[7]基于健康监测时间序列数据，采用贝叶斯动态线性模型为粒子滤波器提供随时间更新的动态建议分布，提出了桥梁动态可靠度指标的改进粒子滤波预测方法。

2 结合工程应用的可靠度计算方法

结合工程应用的可靠度计算方法研究比理论研究多。从考虑的因素看，涵盖了时变效应、徐变效应、锈蚀、荷载裂缝、碳化等桥梁结构性能劣化的主要因素，并针对混凝土桥、钢桥、加固加宽后桥梁结构等结构形式研究了基于实际工程的可靠度计算方法。

彭建新等[15]考虑氯盐环境、混凝土时变效应、腐蚀电流密度及氯离子侵蚀过程等因素的不确定性，建立了预应力混凝土箱梁桥的时变可靠度模型，研究了时间、腐蚀电流密度及保护层厚度等参数对结构承载力的影响，计算了该梁桥在100年设计期内的失效概率，并开展了参数敏感性分析。徐卫敏等[16]考虑钢板锈蚀对水工钢闸门结构抗力和刚度退化的影响，采用Gamma随机过程提出了考虑锈蚀因素的可靠度分析方法。赵阳阳等[17]基于多级荷载作用下的剩余强度模型，建立了时变疲劳可靠度极限状态函数，并基于Monte Carlo方法给出了正交异性钢板的疲劳时变可靠度模拟方法。陈龙等[18]基于Bayesian理论，采用Poisson随机过程描述车载效应，得出了退化数据集的联合分布，并依据先验分布为正态分布的假设，给出了混凝土梁桥动态可靠度的预测方法。郭弘原等[19]基于概率密度演化算法，提出了锈蚀钢筋混凝土梁极限状态函数的建立方法，并预测其时变可靠度。文献[20-21]分别采用Monte-Carlo方法和支持向量机法，对加宽混凝土梁桥的时变可靠度进行了研究。张凯健等[22]基于再生骨料变异性强的特点，通过时变可靠度理论对再生混凝土梁进行了可靠度分析，并对再生混凝土梁的配筋率进行了讨论。刘威等[23]基于大气锈蚀模型和简支檩条的屈曲计算理论，提出了台风作用引起的檩条锈蚀时变可靠度计算方法。邹红等[24]基于钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范，考虑箱梁的徐变效应，提出了预应力箱梁跨中截面拱变形功能函数，并以此开发了基于三阶矩法的箱梁上拱变形时变可靠度计算方法。杨思昭等[25]分别基于一般大气环境下锈蚀钢筋界面损失的时变模型，以及抗剪、抗弯承载力退化模型，建立了考虑其随机性的极限状态方程，引入边界吸收条件，提出了退化钢筋混凝土梁的时变可靠度算法。杨慧等[26]分析了碳化混凝土表面的氯离子累积效应、荷载裂缝及其对氯离子侵蚀的加速作用，根据Fick定律得到了不同服役期对应抗力的概率密度函数，采用Monte Carlo方法对钢筋混凝土梁提出了考虑碳化和氯离子累积共同作用的时变可靠度算法。

随着AI技术进入新的发展时期，智能评估获得了推动。计算机视觉技术与远程摄像机和无人机采集结合的非接触式解决方案因深度学习带来了技术核心上的突破而获得了较快的发展[27]。检查类的应用涵盖了环境识别[28]、构件特征及损伤识别[29-30]；监测应用包括应变和位移的静态变化和用于模态分析的位移动态变化[31]。研究集中于将基于视觉方法取得的特征和信号转换为可操作的数据，从而成为快速决策的基础。张清华等[32]提出了基于等效结构应力的正交异性钢桥面板多尺度疲劳损伤评估方法，建立了考虑随机因素的结构体系实时疲劳损伤评估及剩余寿命预测方法，构建了正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统，基于实际桥梁结构的交通量和结构响应监测信息，对所建立的正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统进行了验证。吴焜[33]以桥梁BIM模型为平台结合数据库技术将桥梁检测全过程相关信息在BIM模型中集成，为桥梁评估提供了解决方案。

3 维修加固策略

从物质和资金的角度看，在役桥梁的评定最终是为维修、加固及拆除重建提供决策依据。而这实际上已经远不只是一个工程技术问题，或者一个经济问题，这是一个复杂的社会问题。怎样建立具有中国市场经济特征的桥梁维修、加固及拆除重建的技术经济分析模型，合理利用有限养护资金，综合考虑近、远期经济效益和社会效益，已成为困扰桥梁管理养护部门的技术难题[34]。在役桥梁维修优化理论研究的目的是协调结构安全性与经济性的矛盾，以保证结构在全寿命周期内达到投资效益最佳。

Frangopol等[35]认为，桥梁管理的目的是有效利用有限的资金在全寿命成本和全寿命可靠度之间达到平衡。Liu等[36-37]基于遗传算法，进行了同时最小化桥面板前侧维护成本和劣化成本的多目标优化研究，并运用于交通网络中多座桥梁的桥面板维护优化中。Kim等[38]考虑结构检测维护中的不确定性，以最大化结构使用寿命以及最小检测维护成本为目标函数，优化计算得到结构的检测维护时间以及维护措施。桥梁的维修检测模型被认为是多目标优化，实际上，这些目标一般都是相互制约，甚至相互矛盾[39]。Horn提出了基于Pareto概念的对比选择方法——小生境Pareto遗传算法，综合运用联赛选择和共享函数的思想来选择当前种群中的优良个体遗传到下一代种群中，实现了多个目标无偏好优化。边晶梅[40]提出了一种基于交互式多目标遗传算法的桥面板维修优化方法，能在有限的桥梁维修资源和良好的维修效果之间进行折衷，不仅获得比较理想的维修方法组合，降低了维修策略的选择难度。随着时间的不断增加，在荷载和环境因素耦合作用下，桥梁结构的使用性能不断退化[41-42]。加上荷载与环境因素的不确定性，考虑这种不确定性及退化过程对于桥梁的决策具有重要意义。在役桥梁结构检测维护模型具有时变特性，结构抗力的退化模型也成为了检测维护优化模型的基础。周浩[43]基于Gamma随机过程描述钢筋锈蚀变化过程，建立了以桥梁使用寿命以及维护成本为目标函数，以检测维护时间、检测方法以及维护措施决策准则为优设计变量的桥梁检测维护策略优化模型，采用多目标遗传算法计算得到设计变量的Pareto解集，为检测维护策略提供依据。黄天立等[44]基于Gamma随机过程和Matlab遗传算法工具箱，提出锈蚀钢筋混凝土桥梁结构检查养护策略优化分析方法，并得到可提供在不同结构使用寿命期望和检查养护成本预算下收益最大的检查养护策略和Pareto优化解集。

传统的维修方式多以定期维修和事后维修为主，主要具有管理简单、便于实施的特点。但也容易造成维修过剩与维修不足的后果[45]。近年来，孙马等[46]提出了以桥梁预防性养护经济性、安全性及耐久性为目标的层次评价分析模型，建立了关于桥梁预防性养护的模糊综合评价体系。预防性概念在提出来以后，在道路的路面养护上得到了应用[47-50]。颜全哲等[51]以桥梁寿命养护活动总成本最小为优化目标，结合遗传算法研究混凝土梁桥的养护优化策略，得到混凝土梁桥寿命周期内在结构性能指标接近最低限值时进行纠正性养护，可使寿命周期成本显著减少。

4 桥梁加固理论与方法

从桥梁加固行业来讲，混凝土桥加固占比最大，其中又以纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构为最多，研究的热点亦是如此。

4.1 抗弯加固研究进展

陈绪军等[52]在BFRP/CFRP两种材料加固RC梁的静载抗弯试验中研究多因素对试验梁短期挠度和刚度的影响；基于刚度解析法，将FRP片材截面积折算为纵筋面积，建立了FRP片材加固RC梁短期抗弯刚度计算公式。方圣恩等[53]考虑受压区混凝土非线性应力变化，选取Hognestand本构模型以推导FRP加固RC梁受压混凝土等效应力和受压区高度各自相对应比值，进而得到不同破坏模式下的梁正截面极限抗弯承载力计算公式。Zawam等[54]制作12根GFRP预应力混凝土梁使用杠杆悬重方法进行长期持荷试验，研究不同因素对梁的长期力学性能的影响。

4.2 抗剪加固研究进展

付一小等[55]采用CFRP混合粘贴(HB-FRP)加固钢筋混凝土T梁抗剪试验，发现混合(HB-FRP)加固技术提高单根CFRP布抗剪贡献并延缓其剥离过程，在挠度变形、混凝土裂缝抑制、箍筋受力改善和CFRP材料利用率等方面均优于传统外贴(EB-FRP)加固方式。

4.3 粘结界面问题研究进展

4.4 环境因素影响的加固研究进展

4.5 新技术、新材料及相近领域研究进展

4.6 纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构发展展望

多位学者[75-80]对目前FRP加固RC结构的研究现状进行综述性总结，认为下一步的研究方向应倾向于FRP加固RC梁的抗扭性能领域；多环境因素耦合效应对加固结构的力学性能影响；预应力FRP加固RC梁的研究领域；更精确的有限元数值模拟技术开发；特殊形式的混凝土结构，如：深梁、混凝土墙的轴向加固等；综合考虑加固量、二次受力、预损伤等因素对于加固结构的长期性能影响机理；力学性能更好的复合材料和加固效果更好的新技术的研究；新技术(如传感装置)在FRP加固RC结构的长期行为研究。

4.7 其他加固方法的研究

毛德均等[82]对《混凝土结构加固设计规范》GB 50367—2013和GB 50367—2006的承载力计算方法进行了研究，将试件承载力计算值与实测值进行对比，发现两部规范的承载力计算结果比较接近，但计算结果的整体准确性都不够好、偏于不安全，尤其对大偏压柱的承载力计算较不安全。根据加固柱的受力破坏特性，定义了3种破坏极限状态，基于3种极限状态下的截面应变分布分析，建立了加固柱的承载力计算公式，验证表明，该公式的计算结果与试验结果吻合较好，且偏于安全。

5 钢筋混凝土墩柱的抗震性能及其抗震加固

5.1 预应力CFRP加固混凝土柱的研究

5.2 钢筋混凝土柱滞回模型研究

5.3 约束钢筋混凝土柱本构模型研究

5.4 FRP加固钢筋混凝土柱塑性铰研究

王震等[88]对48根弯曲破坏的矩形空心墩拟静力试验结果进行分析，考虑剪切变形引入空心率的影响，提出了矩形空心墩等效塑性铰的建议模型。张艳青[94]通过截面分析从理论上分别确定了弯曲、弯剪破坏形态的钢筋混凝土柱塑性铰模型。邵长江等[95]基于试验和既有研究结果，以轴压比、剪跨比、纵筋及混凝土强度、配筋率及延性系数等位参数回归得到不同类墩柱塑性铰区约束箍筋用量的简化公式。

6 结论与展望

总体而言，在既有桥梁的评估和加固领域已从理论到工程实践逐步建立了科学体系和技术方法系统。但是，随着基本建设阶段性发展形势的不断变化，该领域仍前路崎岖。中国在该领域的研究者应该站在巨人的肩膀上，紧紧抓住交通强国战略和中国大力推进桥梁评估、智能维护的历史机遇，引入数学、力学、理论分析、试验检测技术、加工制造技术和人工智能等领域的最新成果，在基础理论和重大工程应用两方面继续努力，进一步深化对既有结构性能衰变的认识，发展新的理论与方法，根据实际需求拓展新的研究领域，通过创新性成果为桥梁的可持续发展建立更为完备的保障体系。以下几个方面的研究对于深化既有桥梁的评估和加固问题具有重要的推动作用，是下一阶段的研究重点。

6.1 桥梁结构全生命周期性能演变理论

既有桥梁在其服役的长期过程中性能会发生不同程度的衰退。衰退的成因主要包括：结构本身的时变效应、材料的时变效应、环境对结构或材料的影响、长期荷载和交变荷载对结构的影响、结构的损伤及演变等，如何针对不同的成因开展理论与实验研究，建立相应的计算分析模型，还有许多工作有待完成。

6.2 基于可靠度的桥梁加固设计理论

桥梁加固设计理论与新建桥梁设计理论最本质的不同是拟加固的桥梁包含有新材料与老材料(组合结构体系)、老结构因经历长期的使用而承受了不同等级荷载的检验(影响结构的失效概率)、既有结构已完成了一定的服役期(影响加固结构的设计寿命)、既有结构或材料含有不同程度的损伤或性能衰变(影响结构的安全)。综合考虑上述因素建立相应的桥梁加固设计理论需要开展大量的基础研究。

概略地说，该领域的研究未来可分为两个层次，第1个层次是结合现阶段可靠性设计理论的发展水平和设计规范现状，建立可供未来修订桥梁加固设计规范使用的基于可靠性的桥梁加固设计理论；第2个层次是综合考虑结构损伤演变的基于可靠性的全寿命桥梁加固设计理论，该方面的研究相对会困难一些。

6.3 加固桥梁的时变效应及分析方法

由于加固桥梁通常含有新旧两种材料，在组成新结构并共同受力的过程中，新材料与老材料的性能均会随时间发生变化。时变效应产生的主要原因包括新的结构材料与粘结材料本身所具有的时变效应、加固方式引起既有结构性能的改变、加固后新结构性能演变规律。目前在该领域的研究还很不充分。

6.4 既有桥梁全寿命周期大数据库与基于人工智能的管理专家系统

该方面的研究主要包括建立一套开放性的、可升级的、可扩展的数据管理与数据分析系统，制定数据采样、采集和质量保证的标准，将国家按地域分区，收集不同区域的桥梁的科学数据，实时建立桥梁健康数据库，通过区域分工，对桥梁进行周期性的详细检查、监测和评估，同时，建立基于人工智能的桥梁评估与管理的专家系统，通过实时数据得出桥梁的评估结论与管理建议。该方面的研究量大面广，需要国家层面的支持。

6.5 重大桥梁结构预防性养护维修策略研究

目前，中国桥梁养护维修的现状还基本是头痛医头、脚痛医脚的方式，即发现桥梁出现了较严重的问题后，开始进行桥梁的检测与维修加固工作，此时桥梁的损伤通常已较严重，维修与加固的费用也相对较高，桥梁的安全程度也会不同程度地降低。若在早期能够及时发现可能存在的隐患，并及时加以处理，就可以避免出现类似情况，这类似人类的平时保健与病重就医的情形。目前在该领域的理论与试验研究均还较少，相应地，也缺乏对工程实践的有效指导。