基于风险分析的钢筋混凝土梁养护方法

张 立,涂明琛

(1.咸宁市公路管理局,湖北咸宁 437000；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430079)

基于风险分析的钢筋混凝土梁养护方法

张 立1,涂明琛2

(1.咸宁市公路管理局,湖北咸宁 437000；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430079)

针对目前桥梁养护评估体系难以量化的现状,结合当前风险分析的最新进展,从适用于工程养护实际的角度出发,结合某钢筋混凝土梁实例工程介绍了基于风险分析的桥梁养护方法。通过分析风险因素,评估失效的钢筋混凝土梁的风险值,将养护后风险减少量和养护成本作为评价指标,通过效益-成本分析确定钢筋混凝土梁的最优养护方案。基于风险分析的养护方法为桥梁养护的量化分析和最优养护方案的确定提供了便利。

钢筋混凝土梁；风险分析；风险评估；养护方法

0 引言

桥梁工程是国家经济建设的一项重要基础设施,随着交通事业的发展,桥梁结构发挥着越来越重要的作用［1］。桥梁结构在承受交通荷载反复作用的同时,还受到气候环境等因素的影响,导致一些桥梁的品质逐年下降,出现大量的破损和病害,不得不进行大范围维修［2］。但目前实际的改造项目往往是重加固改造轻养护,且目前的桥梁养护研究往往是定性研究,难以量化分析。近年来,如何进行养护来预防和延缓桥梁病害的出现,以及怎样量化养护指标的研究引起众多研究人员的高度重视［3-5］。本文以某钢筋混凝土简支梁为例介绍基于风险分析的养护方法,首先建立桥梁工程风险评估体系,然后分析可能存在的风险因素并划分类别,进而评估桥梁构件风险值,在此基础上将养护后风险减少量和养护成本作为评价指标,通过效益-成本分析确定桥梁的最优养护方案。

1 风险分析

基于风险分析的养护方法主要包括风险识别、风险评估和桥梁养护等三个步骤。

1.1 风险识别

风险识别首先要求评估人员广泛收集数据,征求各方意见,在此基础上详细、透彻地分析可能存在的风险因素,进行风险类别划分,清理各风险因素及其相互关系［6］；然后确定桥梁构件的计量单位和量；最后通过检查人员检查得到桥梁构件的状态和状态分布情况。

钢筋混凝土梁的失效模式主要包括弯曲失效和剪切失效两种,本文主要讨论弯曲失效模式。钢筋混凝土梁的状况可由一系列状态描述得到,状态分布由检查人员通过实地外观检查确定,检查者权重相同。

1.2 风险评估

风险评估用来确定桥梁构件的失效模式,估计失效概率和计算失效后果［7］。其结果为构件在不同状态下的风险和数量分布,为评估构件风险和风险预测奠定基础。

风险评估首先需要确定构件的失效模式,然后计算桥梁构件的失效概率,随后确定桥梁构件的失效后果,最后通过失效概率和失效后果得到构件的风险值。

对于钢筋混凝土梁,其名义抗弯强度［8］为：

式中：Mn——主梁名义抗弯强度；

fsd——纵向钢筋抗拉强度设计值；

As——纵向钢筋截面面积；

d——截面有效高度；

a——计算受压区高度。

根据钢筋混凝土梁名义抗弯强度的偏差系数λR和变异系数VR,可计算出钢筋混凝土梁名义抗弯强度的平均值μR和标准差σR：

荷载作用矩为恒载(DL)、活载(LL)和冲击荷载(IL)三种荷载组合下的弯矩,当目标可靠指标βT= 3.5时,可根据下式求解得到荷载变量L。

在得到荷载变量L后,可利用其偏差系数γLq和变异系数VLq计算得到弯曲失效模式下荷载作用矩的平均值和标准差：

将钢筋混凝土梁的名义抗弯强度和荷载作用矩的平均值和标准差带入公式(4)即可得到各种状态下的可靠性指标。随之可以求出五种状态下的失效概率：

桥梁构件的失效后果包括构件失效、桥梁性能损害、交通延误、事故损害、健康和安全损害、环境损害、对附近商家的损害和对公众的影响等八种情况。通过对各项后果的成本简单求和得到失效总后果CF：

其中,Ce为构件失效后果；Cb为桥梁性能损害后果；Cu为交通延误后果；Ca为事故损害后果；Ch为健康和安全损害后果；Cenv为环境损害后果；Cnb为对附近商家的损害后果；Cp为对公众的影响后果。

桥梁构件的风险值可以根据失效概率和失效后果估计：

根据风险识别中确定的钢筋混凝土梁的总量,进一步可以求得主梁失效的单位风险值。

1.3 桥梁养护

桥梁养护评估体系难以量化,目前大多数研究只是定性研究。利用前文得到的桥梁构件风险值,可将桥梁构件养护后风险减少量和养护成本作为评价指标,通过效益-成本分析确定桥梁的最优养护方案,主要计算流程如图1所示。

图1 最优养护方案确定流程图

对于需要养护的桥梁构件,确定n种预选养护方案,分别计算养护后的总风险Ri(i=1,2,…n)和不进行任何养护的总风险R0。则第i(i=1,2,…n)种养护方案的风险减少量为：

根据养护方案确定第i种养护方案的成本Ci,然后利用效益-成本分析研究不同养护方案的经济效益指标比较养护方案的优劣。效益-成本分析指标主要包括效益-成本比BCRi、净现值NPVi、效益-成本可靠性指标βi和效益-成本失效概率Pf，i：

利用效益-成本分析指标可对养护方案量化分析,同时具有高效益-成本比,高净现值,高效益-成本可靠性指标和低效益-成本失效概率的桥梁构件养护方案,即为最优桥梁构件养护方案。基于风险分析的钢筋混凝土梁养护的具体步骤在以下实例中详细说明。

2 实例分析

本文以某钢筋混凝土简支梁为例,详细阐述基于风险分析的桥梁构件养护的具体步骤。钢筋混凝土梁纵向长度为10 m,截面尺寸为1 000 mm× 250 mm,混凝土采用C45混凝土,抗压强度设计值fcd=20.5 MPa；钢筋为HRB440钢筋,抗拉强度设计值fsd=330 MPa,直径D=20 mm,保护层c=40 mm。钢筋混凝土梁截面的具体参数如图2所示。

图2 钢筋混凝土梁截面图(单位:mm)

2.1 钢筋混凝土梁状态分布

钢筋混凝土梁失效模式主要考虑弯曲失效,通过钢筋混凝土梁抗弯能力的减少量来计算构件的失效概率。钢筋混凝土梁的状况由五种状态描述,状态的分布由五位检查者通过检查确定。同时确定钢筋混凝土梁的量为S=10×1=10(m2)。假定弯曲失效时,五种状态分别为钢筋直径减少1%, 2%,5%,10%,20%的状态,则可通过检查人员的检查结果计算得出钢筋混凝土梁五种状态的分布(见表1)。

表1 钢筋混凝土梁各状态面积的分布表

2.2 钢筋混凝土梁失效概率计算

钢筋混凝土梁的名义抗弯强度可根据公式(1)得到。根据文献［9］,钢筋混凝土梁抗弯强度的偏差系数和变异系数分别为1.14和0.13,由公式(2)和(3)可计算出名义抗弯强度的平均值和标准差。具体计算如表2所列。

表2 钢筋混凝土梁名义抗弯强度计算表

根据公式(4)可以得到荷载变量。根据文献［9］,活载(LL)和冲击荷载(IL)的和为恒载(DL)的三倍,荷载作用时偏差系数λLq和VLq变异系数为：恒载组合1.03和0.08,活载和冲击荷载组合1.2和0.18。通过式(5)和式(6)可以计算弯曲失效模式下荷载作用矩的平均值μLq和标准差σLq,计算结果如表3所列。

得到荷载作用矩和五种状态下抗弯强度的平均值和标准差后,可利用式(4)计算得到五种状态下的可靠性指标,计算结果见表4所列。

通过失效概率计算公式(7)可以求出五种状态下的失效概率,表5列出了五种状态下的失效概率及其与设计状态的失效概率比。

从计算结果可以看出,状态1的失效概率是设计状态的1.39倍,状态5的失效概率是设计状态的817.61倍。随着钢筋直径的减少,钢筋混凝土梁的失效概率急剧增大。

表3 钢筋混凝土梁荷载作用矩计算表

表4 梁弯曲失效可靠性指标计算表

表5 钢筋混凝土梁弯曲失效概率计算表

2.3 失效后果计算

表6列出了各自领域专家得出的主梁弯曲失效的各种后果成本上限值和下限值。通过各项后果的成本上限值和下限值可以计算得到各项后果的平均值和标准差。

表6 失效后果的上下限值及均值和标准差一览表

2.4 风险评估

钢筋混凝土梁的风险值可以根据失效概率和失效后果估计(式9),进一步可以求得失效的单位风险值(见表7)。

表7 弯曲失效的总风险值和单位风险值一览表

利用主梁的状态分布和各种失效状态的单位风险值,可计算得到主梁的风险分布和失效风险(见表8)。

表8 钢筋混凝土梁失效风险计算表

2.5 桥梁养护方案确定

对于需要养护的钢筋混凝土梁,确定n种预选养护方案,分别计算养护后的总风险Ri=(i=1，2，…n)和不进行任何养护的总风险R0。通过式(10)可得到第i(i=1，2，…n)种养护方案的风险减少量。随后可通过养护方案确定养护成本。

在得到养护方案的风险减少量和养护成本后,利用公式(11)～式(14)中四个效益-成本分析指标,可对养护方案量化分析,从而得到具有高效益-成本比、高净现值、高效益-成本可靠性指标和低效益-成本失效概率的钢筋混凝土养护方案,即为最优养护方案。

3 结语

通过计算桥梁构件养护方案风险减少量和养护方案成本,可以得到桥梁构件养护方案的评价指标。效益-成本分析为桥梁构件养护的量化分析和最优养护方案的确定提供了便利。最优养护方案具有高效益-成本比,高净现值,高效益-成本可靠性指标和低效益-成本失效概率。

本文详细说明了钢筋混凝土梁失效风险的计算步骤和最优养护方案的确定方法。对于其他桥梁构件亦可以根据以上步骤计算各自的失效风险,所有构件失效风险之和即为整桥的失效风险,通过整桥的成本-效益分析亦可确定整桥的最优养护方案。

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U445.7

B

1009-7716(2015)09-0159-04

2015-05-22

张立(1983-),男,湖北咸宁人,硕士,工程师,从事公路规划建设管理工作。