桥梁结构安全性评估方法简介

郑立飞 韩忠磊

摘要：桥梁安全性评估工作已有30多年的历史，现在已经发展出了许多的桥梁评估方法，这些方法对桥梁的养护维修、鉴定评估和改造加固，都产生了积极的作用。本文对现有的桥梁安全性评估方法进行了总结和概括，对于今后评估方法的研究也具有积极的意义。

1引言

桥梁结构的安全性评估研究，是近几十年来随着结构工程研究理论的不断发展和工程实际需要而提出的新课题。安全性评估是通过获得的检测数据和计算结论，获得结构安全性能的整体评价。安全性评估不但可以科学的给出结构的可靠性，还是制定养护和维修计划的重要参考。

2 基于外观检查评定法

2.1 评分系统

这一方法最早用于建筑结构损伤程度的评估，并逐步发展成为一种量化的评分系统。评分标准及损伤程度分类需要根据调查统计和试验分析结果预先制定。在应用时，由有经验的工程师对既有桥梁进行检查评分，并依据对材料质量、损伤程度等进行评价。

我国的《公路养护技术规范》（JTJ073-96）中桥梁的综合评定结果共分为四类[1]：一类需要进行正常保养；二类则需要进行小修；三类需要进行中、大修或加固；四类需通过桥梁检验（荷载试验）确定加固或改建。

此法的特点是应用简单，主要用于对桥梁运营状态的评估，其结论的可信程度基于评估者的工程经验和判断能力。

2.2 经验系数

该方法是依据广泛的调查研究，确定若干影响承载能力的系数及其取值范围，对桥梁承载能力进行评估的方法。例如，被评估桥梁的承载能力[2]P可表示为：P=P0·K1·K2·K3·K4

式中：P0为原设计承载能力；K1为残存承载能力系数（依结构损伤、材料老化程度而定）；K2为反映桥面条件的系数；K3为反映实际交通情况的系数；K4为桥梁建造使用年限系数。

此方法的特点是应用简便，各系数由评估者根据现场情况决定。但由于这种研究工作做的不多，系数的确定比较困难（尤其是K1），其适用性有所限制，计算结果较为粗糙。因此没有得到广泛应用。

3 基于设计规范的方法

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。

采用以分析计算为主的评定方法，仍然是首先通过对实际桥梁进行详尽的外观调查，然后将调查到的资料，根据桥梁结构理论加以分析和计算，以其结果对旧桥结构进行评定。这是目前在桥梁结构评定中运用较多的一种方法。

4 荷载试验评定法

这是通过现场试验对桥梁结构进行评估的方法。根据荷载作用在桥上的性质，试验可分为静载试验和动载试验。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。与桥梁承载能力评估相关的试验主要是后两种。验证试验的目的是确定桥梁的容许荷载，试验荷载通常等于设计荷载；破坏试验可确定桥梁的实际承载能力，通常用于证实解析研究的结果。

5 专家经验评定法

5.1 桥梁评估专家系统

与设计相比，桥梁评估要复杂得多。一般而言，评估是一个考虑结构损伤和运营状态，并以整个结构体系为对象，对桥梁的安全性进行分析评价并做出决策的过程。另一方面，评估与人的工程经验有着密切的联系。这也使得评估中包含了许多不定因素。对如此复杂的评估问题，不可能建立一个完善的数学模型进行精确定量的描述，却适于采用人工智能技术（如专家系统）加以处理。这是因为专家系统具有知识处理、表达、利用和推理的能力，这种能力尤为适用于对复杂问题的模糊处理。

5.2 专家意见调查

专家意见调查，是指直接收集、分析、归纳专家意见，对某一事件的可能结果做出评估的方法。在国外，这一方法已在军事、医学、气象预测、经济、工程等诸方面应用了多年。在我国，对某些问题也常常采用“专家论证”的方式加以解决。

无疑，调查中存在着偏差。这种偏差可分成动机偏差和认识偏差。前者是专家对被调查的事物有抵触，或关心自己的意见是否能被采纳，在提供意见时有意产生的偏差。后者则是在形成意见中无意产生的偏差，来源于过于自信、个人知识的局限性以及其它认识上的习惯。

6 基于结构可靠度理论的方法

结构的可靠度与失效概率是结构可靠性理论中的两个重要概念，在实践中它们又是可靠性的重要指标。

结构可靠度的定义是：结构在规定时间和规定条件下，完成规定的概率，以Pr表示。而结构不能完成规定功能的概率，成为失效概率，以Pf表示。Pr与Pf都能用来度量结构的可靠性，但习惯选用Pf度量。Pf大，可靠性低；Pf小，可靠性高。

结构可靠性理论采用失效概率Pf或可靠指标β来衡量结构的安全水平。这一理论已在结构工程的各个领域得到广泛应用。在修订桥规方面，该理论被用于结构可靠度分析和分项安全系数的选择。由于以概率统计为基础，该理论可以处理荷载和抗力的不确定性，尤其是可以处理这些不定性的变化对结构可靠度的影响。

7 蒙特卡罗方法

蒙特卡罗法（Monte Carlo method）也是结构可靠度分析的基本方法之一。该方法的特点是，模拟的收敛速度与基本随机变量的维数无关，极限状态函数的复杂程度与模拟过程无关，计算中无须将状态函数线性化和随机变量当量正态化，具有直接解决问题的能力，这些优点决定了蒙特卡罗法将会在可靠度分析中发挥更大的作用。

Monte Carlo方法可以解决各种类型的问题可以分为两类：

第一类是确定性的数学问题。用Monte Carlo方法求解这类问题的方法是，首先建立一个与所求解有关的概率模型，所求的解就是我们所建立模型的概率分布或数学期望；然后对这个模型进行随机抽样观察，即产生随机变量；最后用其算术平均值作为所求解的近似估计值。

第二类是随机性问题。例如中子在介质中的扩散等问题[4]就属于随机性问题，这是因为中子在介质内部不仅受到某些确定性的影响，而且更多的是受到随机性的影响。对于这类问题。虽然有时可表示为多重积分或某些函数方程，并进而可考虑用随机抽样方法求解，然而一般情况下都不采用这种间接模拟方法，而是采用直接模拟方法，即根据实际物理情况的概率法则，用电子计算机进行抽样试验。

8 承载能力的计算机有限元模拟

以钢筋混凝土非线性有限元分析为基础的计算机方法近年来有所发展，这类方法一般把一座由若干片梁组成的结构先简化为一片梁，在求出一片梁的承载能力之后，再按照荷载横向分布系数求出整座桥的承载能力，其关键是如何用有限元来模拟结构真实的状况。目前，这方面的研究多集中于中小桥梁，该方法[5]还有许多问题需要解决：

除上述常用的评估方法外，还有模糊综合评估方法、灰色关联度评估法、人工神经网络法等。

9 总结

现阶段，各国对桥梁安全性评估的方法侧重点有所不同，并且各种评估方法都未很好地解决既有桥梁结构的评估问题。如何建立适合中国桥梁实际情况的评估方法，是今后广大桥梁理论学者和工程建设者研究的重点。

参考文献：

[1] 中华人民共和国交通部.公路养护技术规范.1996.

[2] 杨文渊，徐犇.桥梁维修加固.人民交通出版社.1989.

[3] 郝伟.桥梁承载力评定与技术改造研究：硕士学位论文.重庆：重庆交通学院，1998.