桥梁结构可靠性评估及其方法

摘 要：桥梁系统作为基础设施中的重要部分，影响社会各个方面的发展，因此对其结构进行可靠性评估是非常重要的。本文主要介绍了桥梁可靠性评估的定义以及如何对其进行评估，主要包括安全性、适用性、耐久性等方面。

关键词：桥梁结构，可靠性评估，承载能力

1 引言

桥梁系统是国家重要的基础设施投资项目，同时也是生命线工程的重要组成部分。桥梁建成通车以后，随着时间的推移，由于环境腐蚀、车辆载重及交通流量的增加等种种因素会使桥梁可靠度有所下降，结构功能不足以致于严重损伤，甚至影响车辆运营的安全。

2 桥梁结构可靠性评估定义

根据文献《公路工程结构可靠度设计统一标准》[1](以下简称《统一标准》)可知：桥梁结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三个方面，三者相互关联且各有重点。桥梁结构状态评估通常即指对桥梁结构可靠性的评估，通过对桥梁结构的可靠性进行全面、综合的评估，并为了使桥梁保持一定水平的可靠性而相应作出科学管理、维修养护等工程决策的过程。桥梁可靠性评估即由安全性评估、适用性评估和耐久性评估构成，对于大型桥梁来说，还应当确定桥梁总体可靠性即对桥梁总体综合性状态进行评估。

3 安全性评估及评估方法

安全性评估即承载能力评估，对应《统一标准》它表示符合"在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用"以及"在预计的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性"的功能要求。承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性能等方面有关，其评估的目的是要弄清楚结构的实际安全储备，以避免桥梁日常使用中发生灾难性的后果。目前，桥梁承载能力评估方法主要有如下几种：

(l)根据外观调查进行评定的方法，也称人工巡检法或近似估算法:通过有经验的桥梁技术人员对桥梁进行全面检测，根据用文字描述的定性和定量检测结果对桥梁质量进行分类、评分。

(2)理论分析计算法:包括经验系数折算法和理论计算法。经验系数法是以桥梁原有设计荷载等级为基础，同时考虑结构损伤程度、材料老化程度、桥面行驶条件、实际交通情况、桥梁使用年限等因素折算求出桥梁安全承载力的方法;理论计算法是先通过检查得到桥梁的几何数据、材料力学性质、原设计资料、构件损坏程度等，然后根据钢筋混凝土构件计算理论和桥梁结构计算理论，分别计算钢筋混凝土裸梁可承受外力和在拟定荷载等级荷载及恒载作用下的内力，通过两者的比值确定桥梁承载力[2]。

(3)基于规范的评估方法:桥梁设计规范是指导桥梁设计的标准，这一标准基于工程力学、结构试验和工程经验，且不断充实和完善。因此利用桥规的计算理论来分析既有桥梁承载能力的方法，具有坚实的理论基础并得到广泛应用。

(4)荷载试验法:通过现场试验对桥梁结构进行评估的方法，是目前最成熟可靠的方法。根据试验目的，荷载试验可分为结构行为试验、应力历程试验、诊断试验、验证试验和破坏试验等，与桥梁承载能力评估相关的试验主要是后两种[3]。

(5)基于结构可靠度理论的方法:随着结构可靠度概念在桥梁工程中的应用，人们也逐渐把可靠度理论引入桥梁评估中，即寻找结构承载能力极限状态，通过可靠度计算获得失效概率弓或可靠指标刀来衡量结构的可靠性水平。该方法理论本身是先进的，以概率统计为基础，可以处理荷载效应和抗力的不确定性，尤其是可以反映这些不确定性的变化对结构可靠度的影响。

4 适用性评估及评估方法

适用性评估是指对结构的运营极限状态的评估，对应《统一标准》它表示符合"在正常使用时，具有良好的工作性能"的功能要求。适用性评估与结构和构件在日常荷载作用下的变形、裂缝及振动等有关，主要对桥面平整度、裂缝宽度、主梁挠度等进行分析，从而为结构是否能正常使用提供依据。适用性评估的结果对确定结构工作条件和指导日常养护维修等十分重要，其评估方法主要包括：

(1)人工巡检法：主要针对桥面平整度、裂缝宽度和深度等进行人工观察、检测。(2)荷载试验法：同样分为静载和动载不同试验，主要对主梁挠度或振动频率等动力特性进行测试。(3)实时监测数据评定法：基于桥梁结构健康监测系统获得静力或动力测试数据的方法。(4)可靠度理论评定法：建立正常使用极限状态方程，并基于可靠度理论计算方法，可以获得失效概率或可靠度指标，从而进行评估。适用性评估的指标直接来源于相关的设计及养护规范，如《公路桥涵设计通用规范》、、《公路养护技术规范》等。目前相比于可靠性评估的其它内容，适用性评估的研究得到的重视相对较少，更有待加强。

5 耐久性评估及评估方法

耐久性评估主要指通过对材料强度和结构损伤的评估得出结构的疲劳损伤度和剩余寿命，对应《统一标准》它表示符合"在正常维护下，具有足够的耐久性能"的功能要求，其结果为安全性、适用性评估提供重要信息。桥梁结构的耐久性主要是由桥梁关键构件腐蚀、开裂、老化及疲劳程度所决定的，耐久性评估主要根据材料老化机理对构件或结构作出合理的耐久性评价，涉及的内容有混凝土构件耐久性性能的检测，构件耐久性性能的评定，结构耐久性等级评定及结构剩余寿命的预测等[4]。耐久性具体评估指标同混凝土保护层碳化程度、裂缝深度、混凝土中钢筋锈蚀程度、钢构件的腐蚀、磨损和疲劳累积损伤程度等因素有关。通常工程师们通过劣化分析和累积应力分析来确定结构失效机理，掌握结构抗力响应和材料性能等大量信息，并基于通用的设计规范，在综合考虑多种因素的基础上对桥梁构件及结构的耐久性进行评定，其相应的耐久性等级划分方法也不同，主要包括：

(1)层次分析法：层次分析法是satty教授于20世纪70年代提出的，它最初是应用于社会经济发展和管理规划问题的，它对于评价结构耐久性是十分有效的。(2)基于剩余使用寿命的评定方法：设定构件耐久性损伤限值为寿命终点，定义耐久性系数为剩余使用年限与目标使用年限的比值，再根据耐久性系数确定耐久性等级的划分。(3)模糊综合评判法：采用层次分析法时，确定权重分配时，用模糊数学建立评价因子隶属函数，确定评价因子权重集，计算构件耐久性模糊综合评价值，并据此划分耐久性等级。(4)灰色理论综合评判法：采用层次分析法时，确定权重分配时，运用不确定性数学方法如灰色理论来软处理边界也是比较合理的。

7 结论

桥梁综合评估的不同方法之间存在着一定的区别和联系，且各有所长。但是由于桥梁结构是一个复杂的系统，其所处的环境和自身的特点各异，影响结构实际工作状态的因素众多，状态综合评估是一个相当复杂的问题，因此目前还没有适用于各种桥梁公认的比较好的统一方法。在实际桥梁评估时，应根据具体结构的特点和要达到的评估目的而选用不同的评估方法，必要时可以综合利用多种评估方法。

参考文献：

[1]GBT50283-1999. 公路工程结构可靠度设计统一标准. [S]

[2]王春发等. 对公路《旧桥承载力鉴定方法》的几点建议. [C]. 中国公路学会桥梁和结构工程学会论文集. 北京, 人民交通出版社，1994:527-531

[3]李亚东. 既有桥梁评估方法研究. [J]. 铁道学报, 1997, (6): 109-115

[4]James R.Cltfion. Predicting the Sevrice Lief of Concrete. [J]. ACI Materials Jounral, 1993, 90(6): 544-552

作者简介：项丽，1983-8出生， 内蒙古交通职业技术学院助教。