基于检测结果的简支梁桥可靠度计算模型

韩振国， 冯莹

（泰州职业技术学院建筑工程学院，江苏 泰州225300）

0 引 言

在役桥梁通常需要通过桥梁结构检测和安全性评估来确定是否需要养护和维修,正确评估桥梁结构的承载状态和安全性，鉴定和发现桥梁存在的危险隐患.根据在役桥梁结构的实际状态，相应采取恰当的维修、加固技术措施，对于有效避免发生灾难性安全事故及生命财产的损失，延长桥梁的有效使用期限是非常必要的.开展在役桥梁结构安全性评估实践性研究具有重要的现实意义.

通过桥梁结构体系的安全性评估，根据在役桥梁结构承载安全性中涉及结构承载能力、刚度和可靠度方面的影响[1]，建立在役桥梁结构的实际承载能力状态数据.按照规范开展相关的评定，通过各部分状态模型分析基础上的综合模拟，最终完成整体桥梁结构实际工作状态评定.为在役桥梁结构正常使用状态下的日常维修管理提供指导，通过全面精心照顾来确保各项安全.因此，研究在役桥梁结构的可靠度评定理论和方法将会在桥梁工程应用方面产生重大的影响，进而为桥梁加固和维修提供重要的科学指导，产生经济、社会和生态方面的共赢局面.

针对桥梁结构安全性评估的现状，结合现役桥梁实桥检测的相关资料与可靠度计算的分析应用，提出桥梁结构状态安全性综合评估方法.建立现役桥梁结构状态安全性综合评估模型，现场对桥梁进行调查与检测.获得桥梁结构状态的技术信息（例如混凝土的裂缝、局部破损及钢筋锈蚀的程度等），确定综合评估模型中各计算公式的时变技术参数，利用相关电算化软件得到桥梁结构状态安全性综合评估结论.

1 安全性评估综合模型

桥梁结构承载状态安全性综合评估模型是以承载力计算模型、刚度计算模型、时变可靠度计算模型为基础建立的综合模型[2].基于三个结构模型计算，对比桥梁结构的设计结果，结合在役桥梁构现状参数进行在役桥梁的综合评定与评估.

1.1 承载力计算模型

承载力计算模型是桥梁结构状态安全综合评估方法的重要核心之一，是综合评估结论的关键理论依据.本模型以桥规所依据的钢筋混凝土结构计算理论为基础，考虑在役桥梁结构在运营使用中出现的各种损伤对桥梁结构承载力的影响，可采用修正有关参数后的在役桥梁结构承载力计算公式.在役桥梁结构承载力可用式（1）计算：

式（1）中：γ0为结构重要性系数，按结构的安全等级选用；Sd为作用效应的组合设计值；γG、Gk为永久作用系数和永久作用标准值；γQ、Qk为可变作用系数和可变作用标准值；Z为桥梁结构承载状态综合修正系数；Rt为现役结构或结构构件的抗力函数；fcd,t为结构混凝土实际强度值；fsd,t为钢筋实际可利用强度值；As,t为钢筋实际可利用的等效面积.

1.2 刚度计算模型

考虑在役桥梁结构在运营使用中出现的各种损伤、钢筋锈蚀对桥梁结构刚度的影响，建立在役桥梁刚度计算公式.桥规中正常使用极限状态下的钢筋混凝土开裂构件等效截面抗弯刚度可用式（2）计算.

式（2）中：B0为全截面抗弯刚度；I0为全截面换算截面惯性矩；Bcr为开裂截面抗弯刚度；Icr为开裂截面换算惯性矩；Mcr为开裂弯矩值；Ms为作用于截面的弯矩值；γ为构件受拉区混凝土塑性影响系数；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值；S0为全截面换算截面重心轴以上 (或以下)部分面积对重心轴的面积距；W0为换算截面抗裂边缘的弹性抵抗矩.

1.3 结构可靠度计算模型

JC法(验算点法)计算实际可靠度，具备计算量较小，过程相对简单，无需使用者具备较高的计算机及软件操作能力，得出的结论与工程实例相比较具有较高的可信度.蒙特卡罗法在结构可靠度达标时无法给出可靠度指标的具体数值，JC法可以计算出结构在各个时期的可靠度指标具体数值.实际在役桥梁综合模型构建中采用JC法对桥梁结构状态的可靠度进行评估分析并预估结构有效使用年限[3]，再利用蒙特卡罗法予以验算，以证明计算结果的可靠度.

2 安全性评估流程

桥梁结构状态安全性综合评估模型的功能是根据基本理论模型的计算结果，结合桥梁结构现状参数对现役桥梁结构进行综合评定与评估，最终给出在役桥梁结构安全性综合评估结论.

1）桥梁结构调查与现场检测

收集被评估桥梁的各种信息与资料，为后续计算提供基本数据，获取桥梁结构现状信息参数.需要收集包括两部分的信息和资料：①在役桥梁的现有资料，如设计用于施工阶段的图纸、监理现场管理过程中记录、桥梁运营过程中养护及维修记录、围绕施工开展的各项试验报告书等；②在役桥梁现场检测资料，如现场测定的有关混凝土结构发生开裂或局部破损面、现状混凝土强度、出现碳化程度及氯离子含量；有关钢筋保护层及布置情况，现状钢筋锈蚀状况[4](钢筋锈蚀截面损失率，锈胀裂缝、锈蚀导致的混凝土保护层剥落及钢筋与混凝土粘结性能的下降).

2）桥梁结构控制截面承载力和刚度计算中修正参数的获取

对桥梁结构调查和现场检测获得的信息和资料进行技术处理，获得桥梁结构状态安全性综合评估后续计算所需要的桥梁结构时变修正系数[5]，包括计算各控制截面的混凝土截面尺寸修正系数、钢筋截面尺寸修正系数、混凝土强度修正系数和钢筋强度修正系数、钢筋与混凝土协同工作系数.

3）桥梁结构控制截面的承载力和刚度计算

计算在役桥梁结构各控制截面的实际承载力和实际刚度[6]，具体可以利用桥梁结构时变修正系数和结构实际承载力计算模型、实际刚度计算模型来实现.

4）桥梁结构可靠度分析计算

计算桥梁结构的实际抗力时，主要利用可靠度计算的相关方法[7]，运用设计基准期下的最大荷载效应计算结构可靠性指标.

5）获得桥梁结构状态安全性综合评估结论

通过综合分析在役桥梁结构时变修正系数、承载力计算结果、刚度计算结果以及可靠度计算结果，最终可以获得桥梁结构状态安全性综合评估的结论[8].

3 在役桥梁实桥算例

在役桥梁结构承载安全性评估过程中，运用有限元软件对在役钢筋混凝土桥梁T梁进行模拟分析[9]，可用于验证在役钢筋混凝土梁桥承载安全性评估方法的有效性.

3.1 实桥基本技术参数

该桥已服役50年，上部为1孔装配式钢筋混凝土T梁，下部结构为双柱式钢筋混凝土灌注桩，桥梁全长24.04 m，计算跨径19.5 m.桥面宽度为净7 m+2×0.75 m，上部结构布置见图1.

3.2 桥梁运营现状

1）桥面系

桥面铺装有沿桥纵向长约10 m的车辙，局部骨料外露，并有大面积的龟裂.人行道横梁表观混凝土疏松，部分人行道横梁已经断裂，见图2（a）.

2）上部结构

T梁腹板下部混凝土疏松，钢筋锈蚀，混凝土胀裂，严重的混凝土大块脱离，露筋并锈蚀，纵向钢筋锈蚀率δs=11.3%，箍筋锈蚀率为δsv=14.7%.T梁腹板受雨水侵蚀、泛白.由于雨水侵蚀，部分钢板支座锈蚀严重，钢板丧失铰接功能，梁腹板部位开裂，裂缝宽度最大已达0.39 mm，已经超过了规范允许值 0.25 mm，见图 2（b），图 2（c）.

图1 横向布置图（单位：cm）

图2 桥梁典型病害

3）下部结构

由于桥面排水不良，桥台表面混凝土受水侵蚀风化严重，造成表面混凝土疏松.桥台浆砌块石护坡，砌缝由于桥面排水不良，台后填料渗入水，并长期淤积，导致填料膨胀，造成砌体沿砌缝开裂[10].

4）基于《公路养护技术规范》的桥梁使用功能评价Dr=59.8，技术状况评定等级为三类，通过桥梁的静动载实验表明该桥已经不能满足正常使用的要求.

3.3 桥梁结构状态安全性综合评估

建立该在役桥梁的有限元模型，采用混凝土材料本构关系为Jeeho Lee的混凝土塑性损伤模型.混凝土损伤塑性模型使用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性模式来表示混凝土的非弹性行为.采用三维实体非线性有限元方法对简支T形梁桥在静力荷载作用下的响应进行仿真计算[11]，将结果与试验数据进行比较分析，对模型的可靠度进行验证.T形梁桥建模情况见图3～图6.

1）挠度计算结果分析

试验荷载作用下的三维非线性实体有限元挠度计算结果见图7，表1为简支T形梁桥挠度计算值与实测值的比较，可以得出两者吻合较好.

图3 横断面有限元模型

图4 全桥有限元模型

图5 钢筋骨架模型

图6 模拟车辆加载

图7 荷载工况下的变形

表1 荷载工况下各梁的挠度实测值与计算值

校验系数ξ为试验荷载作用下实测值与理论计算值的比值，是结构评定的重要指标[12].按照荷载影响分布情况设定T梁板测点位置，得出荷载工况下各梁的挠度实测值与计算值[13]，由表1可见在试验荷载下该桥的挠度的校验系数在0.85～0.91之间，均小于1，说明结构刚度尚有一定的安全储备，但部分梁片挠度的校验系数已接近常规钢筋混凝土梁桥的校验系数0.55～0.90的范围的上限，说明其安全储备已很小，ξft=4.48/32.5=0.14.

2）应力分析

试验荷载作用下的三维非线性实体有限元应力计算结果见图8～图9.图8中所示的是简支梁桥的纵向应力云图，图9中所示的是简支梁桥的主应力云图，表2中所示的是简支梁桥混凝土最大拉应变实测值与计算值比较.

由图9和表2可知，各梁在试验荷载下混凝土最大拉应变 （应力）大于理论计算值，校验系数为ξ=1.04～1.21，超出公路钢筋混凝土结构校验系数的常规值0.40～0.80的范围，说明结构应力已无安全储备.

图8 荷载工况下的纵向应力云图

图9 荷载工况下的主应力图

表2 各梁跨中截面最大拉应变实测值与计算值

3）可靠度分析

通过电算化程序使用JC法对该桥梁的结构可靠度进行分析计算得到β=3.36，说明结构已经失效.运用ANSYS软件使用蒙特卡罗法计算的结果见图 10～图 11：

从图10中可以判定结构变形仍然满足要求，故变形是可靠的；从图11中可以看出结构最大应力值已经超限，故受力情况已经不能满足可靠度的要求.综合以上结构可靠度分析计算的结论（见表3），该桥梁结构在50年时结构可靠度已经失效，不能满足正常的使用需要，必须进行加固处理.

4 结 论

图10 dmax抽样过程

图11 smax抽样过程

表3 桥梁结构安全性综合评估汇总表

以现行规范理论与结构可靠度理论为基础，借助电算化程序对现役桥梁结构参数、各个计算模型进行程序编写，运用在役桥梁结构时变修正参数，建立适用于在役桥梁承载安全性评估的结构实际承载力计算模型、实际刚度计算模型和可靠度计算模型，并用该模型计算现役桥梁的实际承载力、实际刚度、实际可靠指标，且计算结果与桥梁设计结果相对比，桥梁结构状态安全性综合评估的结果与实桥的检验结果保持一致，通过结构可靠度的验证，两者的计算结果能够较好的吻合，说明该安全性综合评估模型能够较好的反映桥梁结构的实际运行情况，证明此方法合理有效，适用于钢筋混凝土桥梁结构的安全性评估.

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