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基于可靠度理論的混凝土橋梁安全性評估方法研究

文檔作者：李文杰1,2, 侯天宇1, 趙君黎2, 馮　苠2 文檔來源： 1. 大連理工大學(xué) 2. 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月22日
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第34 卷　第4 期
2017 年4 月
公　路　交　通　科　技
Journal of Highway and Transportation Research and Development
Vol． 34　No． 4
Apr． 2017
收稿日期: 2016 -05 -11
基金項(xiàng)目: 交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318223040; 2014318494020)
作者簡介: 李文杰(1983 - ), 男, 山東淄博人, 博士． (liwenjie@ hpdi． com． cn)
doi: 10． 3969/ j． issn． 1002 -0268． 2017． 04． 013
基于可靠度理論的混凝土橋梁安全性
評估方法研究
李文杰1,2, 侯天宇1, 趙君黎2, 馮　苠2
(1. 大連理工大學(xué)　土木工程學(xué)院, 遼寧　大連　116024; 2. 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京　100088)
摘要: 通過分析我國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范承載能力設(shè)計(jì)表達(dá)式, 提出了汽車荷載效應(yīng)調(diào)整系數(shù)和抗力調(diào)整系數(shù)的概念,
確定了不同破壞形式下在役混凝土橋梁安全性能評估表達(dá)式和目標(biāo)可靠指標(biāo), 建立了相應(yīng)的可靠度評估方法。在此
基礎(chǔ)上, 從便于工程應(yīng)用的角度出發(fā), 建立了基于不同需求的在役混凝土橋梁安全性能實(shí)用評估方法———基于“雙
控” 思想的安全性實(shí)用評估方法, 即抗力控制法和汽車荷載效應(yīng)控制法, 并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞: 橋梁工程; 混凝土橋梁; 可靠度理論; 安全性能評估; 調(diào)整系數(shù); 抗力控制法; 汽車荷載效應(yīng)控制法
中圖分類號: U446． 3 　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A　　　　　　文章編號: 1002 -0268 (2017) 04 -0087 -06
Study on Safety Evaluation Method for Concrete Bridges Based on Reliability Theory
LI Wen-jie1,2, HOU Tian-yu1, ZHAO Jun-li2, FENG Min2
(1. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China;
2. CCCC Highway Consultants Co. , Ltd. , Beijing 100088, China)
Abstract: By analyzing the bearing capacity design expressions in highway bridge design specifications of
China, the concepts of adjustment coefficients of vehicle load effect and resistance are proposed, the
expression and target reliability indexes for safety evaluation of existing concrete bridges under different failure
modes are defined, and the corresponding reliability evaluation methods are created. On this basis, a
practical safety evaluation method for existing concrete bridges for different demands and to facilitate
engineering applications is established, i． e. , a practical safety evaluation method based on the “doublecontrol”
idea which concludes resistance control method and vehicle load effect control method. An
engineering example is used to prove the applicability of the method.
Key words: bridge engineering; concrete bridge; reliability theory; safety evaluation; adjustment
coefficient; resistance control method; vehicle load effect control method
0　引言
作為一種人工構(gòu)筑物, 在環(huán)境、荷載、材料性
能退化等多重因素影響下, 公路混凝土橋梁在其全
壽命周期內(nèi)結(jié)構(gòu)材料性能是不斷退化的, 材料性能
的衰變主要表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度降低、保護(hù)層碳化、
鋼筋銹蝕等微觀性能的退化, 進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件層面出
現(xiàn)變形增大、裂縫擴(kuò)展、構(gòu)件破壞等宏觀性能退化
特征。除此之外, 作為影響中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)安全
性和耐久性的重要因素, 汽車荷載的作用加快了結(jié)
構(gòu)抗力的退化進(jìn)程, 特別是在當(dāng)前公路交通運(yùn)輸需
求不斷增長的背景下, 實(shí)際運(yùn)營車輛的數(shù)量和重量
均出現(xiàn)了大幅提高, 導(dǎo)致橋梁實(shí)際荷載水平與設(shè)計(jì)
預(yù)期荷載水平之間存在很大差異。公路交通運(yùn)輸需
萬方數(shù)據(jù)
公路交通科技第34 卷
求的增長與結(jié)構(gòu)性能衰變之間的矛盾日益突出, 加
速了公路橋梁的性能劣化。隨著大量橋梁短期內(nèi)投
入運(yùn)營, 未來一段時(shí)期將有大量的在役混凝土橋梁
發(fā)生不同程度的劣化和損傷, 需要對這些橋梁進(jìn)行
科學(xué)評估后才能明確進(jìn)一步的處置措施。顯然, 不
合理的評估結(jié)果將會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)或帶來較
大的安全隱患。因此, 如何客觀評價(jià)在役混凝土橋
梁安全性至關(guān)重要。
眾所周知, 隨著橋梁工程設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)
展, 以可靠度理論為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法
已經(jīng)成為公路橋梁結(jié)構(gòu)的主流設(shè)計(jì)方法[1 -2] 。以此
為基礎(chǔ), 公路橋梁的承載能力評定也正逐步由傳統(tǒng)
基于外觀檢查和專家經(jīng)驗(yàn)的定性評估方法逐步過渡
到以無損檢測和荷載試驗(yàn)相結(jié)合且基于概率理論的
檢測評定方法[3] 。目前公路橋梁的承載能力評定主
要通過現(xiàn)場實(shí)測, 定性與定量相結(jié)合來分析橋梁構(gòu)
件的損傷程度, 進(jìn)而確定舊橋承載能力惡化系數(shù),
并未將抗力和荷載統(tǒng)籌考慮。而橋梁的安全性是抗
力和荷載效應(yīng)的綜合反映, 因此, 利用可靠度理論
綜合考慮結(jié)構(gòu)抗力的衰減和汽車荷載效應(yīng)的增長對
橋梁安全性的影響將是公路橋梁安全性評估的主流
方法。
為獲得符合工程實(shí)際的在役混凝土橋梁安全性
評估方法, 本文引入汽車荷載效應(yīng)調(diào)整系數(shù)和抗力
調(diào)整系數(shù), 確定了在役橋梁安全性評估表達(dá)式和目
標(biāo)可靠指標(biāo), 建立了在役混凝土橋梁可靠度評估方
法, 進(jìn)而通過分析在役混凝土橋梁臨界汽車荷載效
應(yīng)調(diào)整系數(shù)與臨界抗力調(diào)整系數(shù)之間的關(guān)系, 建立
了基于“雙控” 思想的在役混凝土橋梁安全性實(shí)用
評估方法。
1　基于調(diào)整系數(shù)的在役混凝土橋梁安全性評估
1． 1　評估表達(dá)式
設(shè)計(jì)使用年限內(nèi), 隨混凝土橋梁的抗力逐漸下
降及荷載效應(yīng)的增加, 橋梁實(shí)際可靠指標(biāo)不斷下降。
當(dāng)實(shí)際可靠指標(biāo)低于在役橋梁安全性評定目標(biāo)可靠
指標(biāo)時(shí), 橋梁不滿足安全性能需求, 需采取車輛限
重或結(jié)構(gòu)加固等措施。據(jù)此, 本文引入汽車荷載調(diào)
整系數(shù)ξQ 和抗力調(diào)整系數(shù)ξR 對《公路鋼筋混凝土
及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)[4]
中規(guī)定的承載能力設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行調(diào)整, 以此反映
公路橋梁汽車荷載效應(yīng)與抗力的變化, 在役橋梁安
全性評估表達(dá)式可表示為:
γG SGk + γQ ξQ SQk ≤ ξR Rk
γR , (1)
式中, ξQ = SQr / SQk, SQr
為實(shí)際運(yùn)營汽車荷載效應(yīng);
SQk
為設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值; ξR = Rr /
Rk, Rr 為實(shí)際抗力, Rk 為根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的結(jié)構(gòu)
或構(gòu)件滿足安全性能要求的最低抗力標(biāo)準(zhǔn)值(后文
簡稱為計(jì)算抗力標(biāo)準(zhǔn)值)。應(yīng)當(dāng)明確的是, 由于許多
橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了很大的安全儲(chǔ)備, 因此, 一般
情況下Rk 與實(shí)橋抗力標(biāo)準(zhǔn)值不相等, 即初始狀態(tài)下
的抗力調(diào)整系數(shù)大于1; SGk
為設(shè)計(jì)階段實(shí)橋恒載效
應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值; γG , γQ 和γR 分別為恒載分項(xiàng)系數(shù)、汽車
荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)。本文選取軸心受壓
構(gòu)件作為脆性破壞構(gòu)件(包括軸壓構(gòu)件和受剪構(gòu)件)
的代表, 軸心受拉構(gòu)件作為延性破壞構(gòu)件(包括軸
心受拉構(gòu)件、受彎構(gòu)件和大偏心受壓構(gòu)件) 的代表,
其設(shè)計(jì)表達(dá)式的分項(xiàng)系數(shù)如表1 所示。
表1　設(shè)計(jì)表達(dá)式分項(xiàng)系數(shù)
Tab． 1　Partial factors for design expressions
構(gòu)件分類γG γQ γR
脆性破壞控制1． 2 1． 4 1． 45
延性破壞控制1． 2 1． 4 1． 2
　　根據(jù)式(1), 當(dāng)ξR < 1 時(shí), 實(shí)際抗力小于橋梁
設(shè)計(jì)時(shí)滿足安全性能要求的最低抗力標(biāo)準(zhǔn)值, 橋梁
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受損, 按照承載能力評估表達(dá)式計(jì)算出
的可靠指標(biāo)降低。當(dāng)ξQ > 1 時(shí), 實(shí)際汽車荷載效應(yīng)
大于橋梁設(shè)計(jì)時(shí)汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值, 表明實(shí)際運(yùn)
營汽車荷載效應(yīng)大于設(shè)計(jì)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng), 按照
承載能力評估表達(dá)式計(jì)算得出的可靠指標(biāo)降低。
1． 2　考慮調(diào)整系數(shù)后公路橋梁汽車荷載與抗力的統(tǒng)
計(jì)特征
　　在可靠度分析過程中, 需要確定荷載效應(yīng)和抗
力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。但由安全性評估表達(dá)式的定
義可知, 汽車荷載調(diào)整系數(shù)ξQ 和抗力調(diào)整系數(shù)ξR 反
映的是實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系。因此, 為進(jìn)行
可靠性評估, 應(yīng)分別對汽車荷載分布模型和抗力分
布模型進(jìn)行分析, 確定汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值, 和計(jì)
算抗力標(biāo)準(zhǔn)值與均值和標(biāo)準(zhǔn)差之間的關(guān)系, 進(jìn)而確
定汽車荷載調(diào)整系數(shù)ξQ 和抗力調(diào)整系數(shù)ξR 對其平均
值和標(biāo)準(zhǔn)差的影響。
(1) 汽車荷載效應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征
工程經(jīng)驗(yàn)表明, 公路橋梁汽車荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)基
準(zhǔn)期的最大值服從極值I 型分布[5] :
F(x) = exp{ - exp[ - (x - β) / α]}, (2)
88
萬方數(shù)據(jù)
　第4 期李文杰, 等: 基于可靠度理論的混凝土橋梁安全性評估方法研究
式中α 和β 為實(shí)際汽車荷載的分布參數(shù), 根據(jù)極值I
型分布的統(tǒng)計(jì)特征可知:
標(biāo)準(zhǔn)值(95% 保證率) SQk = 2． 970 20α + β
均值　μSQ = 0． 511 22α + β
標(biāo)準(zhǔn)差　σSQ = 1． 282 55α
變異系數(shù)　δSQ = σSQ / μSQ
ì
î
í 。
(3)
　　由式(3) 可得:
SQk = μSQ + 1． 865 80σSQ 。(4)
　　由此可知SQk
與μSQ和σSQ為線性關(guān)系, 假定反映
汽車荷載效應(yīng)離散程度的變異系數(shù)δSQ 不變, 可得當(dāng)
SQk
變?yōu)棣蜵 SQk
時(shí), μSQ和σSQ分別為ξQ μSQ和ξQ σSQ 。
(2) 抗力統(tǒng)計(jì)特征
工程經(jīng)驗(yàn)表明, 公路橋梁的結(jié)構(gòu)抗力服從對數(shù)
正態(tài)分布:
F(x) = 1
2πσ ∫x
0
1x e-12
Inx-μ
σ ( )2 dx, (5)
式中,
均值　μR = eμ+σ2
2
標(biāo)準(zhǔn)差　σR = μR eσ2 - 1
變異系數(shù)　δR = eσ2 - 1
ì
î
í 。(6)
　　假定不同規(guī)范計(jì)算確定的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滿足安全
性能要求的最低抗力標(biāo)準(zhǔn)值的保證率為φ, 將(1 -
φ) 代入標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表可確定參數(shù)ω(ω < 0), 使
得InRk - μ
σ = ω, 所以:
Rk = eμ+ωσ 。(7)
　　假定反映抗力離散程度的變異系數(shù)δR 保持不
變, 即σ 保持不變, 由式(6) 和式(7) 可得:
μR = eσ2
2 -ωσ Rk
σR = eσ2
2 -ωσ δR Rk
{ , (8)
所以, μR 和σR 均與Rk 成正比, 當(dāng)Rk 變?yōu)棣蜶 Rk 時(shí),
μR 和σR 分別為ξR μR 和ξR σR 。
1． 3　在役混凝土橋梁安全性評估目標(biāo)可靠指標(biāo)
《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/
T 50283—1999)[6] 中給定了公路橋梁設(shè)計(jì)階段混凝
土結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo), 如表2 所示。然而, 已有研
究指出[7] , 設(shè)計(jì)規(guī)范需保證結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役期間的
安全使用, 而對在役橋梁評估, 僅需要保證橋梁在
評估間隔時(shí)段的安全性; 從經(jīng)濟(jì)性角度, 在使用階
段和設(shè)計(jì)階段提高相同程度的橋梁承載能力時(shí), 使
用階段所需的經(jīng)費(fèi)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)階段, 且需要解決許
多的技術(shù)難題[8] , 因此有必要在設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠指標(biāo)
的基礎(chǔ)上, 通過適當(dāng)?shù)恼蹨p獲得適用于安全性評估
的目標(biāo)可靠指標(biāo)。需要指明的是, 當(dāng)降低目標(biāo)可靠
指標(biāo)時(shí), 結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險(xiǎn)也將增大。英國、荷蘭、
澳大利亞等國家對于在役結(jié)構(gòu)的可接受風(fēng)險(xiǎn)比新建
結(jié)構(gòu)高一個(gè)數(shù)量級, 由此推定在役結(jié)構(gòu)的年最大允
許失效概率也應(yīng)比新建結(jié)構(gòu)高一個(gè)數(shù)量級[9] ; 美國
規(guī)范中評估目標(biāo)可靠指標(biāo)為2． 5, 設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠指標(biāo)
為3． 5[10] , 折算成最大允許失效概率后分別為6． 2 ×
10 -3和2． 3 ×10 -4, 略大于一個(gè)數(shù)量級; 加拿大規(guī)范
中規(guī)定對于構(gòu)件失效僅會(huì)導(dǎo)致局部失效、失效前具
有明顯預(yù)兆并且評估者可以獲得充分且有效的檢查
記錄數(shù)據(jù)做出評估的結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 評估目標(biāo)可靠指標(biāo)
為2． 75, 設(shè)計(jì)階段目標(biāo)可靠指標(biāo)為3． 5, 折算成年最
大允許失效概率分別為3 ×10-3和2． 3 ×10-4, 約相差
一個(gè)數(shù)量級。因此本文首先將我國公路橋梁設(shè)計(jì)階段
混凝土結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)換算為最大允許失效概率,
通過對設(shè)計(jì)階段的最大允許失效概率提高一個(gè)數(shù)量級,
得到在役結(jié)構(gòu)最大允許失效概率, 據(jù)此推算出在役橋梁
安全性評估目標(biāo)可靠指標(biāo)如表3 所示。
表2　混凝土橋梁設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠指標(biāo)
Tab． 2　Target reliability indexes for designing concrete bridges
規(guī)范由延性破壞控制的構(gòu)件由脆性破壞控制的構(gòu)件
04 規(guī)范
三級3． 7 4． 2
二級4． 2 4． 7
一級4． 7 5． 2
表3　在役橋梁安全性評估目標(biāo)可靠指標(biāo)
Tab． 3　Target reliability indexes for safety evaluating
existing concrete bridges
規(guī)范由延性破壞控制的構(gòu)件由脆性破壞控制的構(gòu)件
04 規(guī)范
三級3． 1 3． 7
二級3． 7 4． 2
一級4． 2 4． 8
1． 4　在役混凝土橋梁可靠度評估
根據(jù)上述在役混凝土橋梁安全性評估目標(biāo)可靠
指標(biāo)和式(1), 即可利用可靠度理論確定汽車荷載
調(diào)整系數(shù)ξQ 和結(jié)構(gòu)抗力調(diào)整系數(shù)ξR 取不同值時(shí), 橋
梁是否滿足安全性能要求, 具體步驟如下:
(1) 利用已有橋梁檢測數(shù)據(jù)確定汽車荷載調(diào)整
系數(shù)ξQ 和結(jié)構(gòu)抗力調(diào)整系數(shù)ξR 的取值。
(2) 計(jì)算考慮調(diào)整系數(shù)后汽車荷載和抗力的統(tǒng)
89
萬方數(shù)據(jù)
公路交通科技第34 卷
計(jì)參數(shù)。其中, 在制訂現(xiàn)行《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度
設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/ T 50283—1999)[11] 時(shí), 通過大
量的數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析, 得出了恒載、活載和抗
力的統(tǒng)計(jì)參數(shù), 可作為橋梁初始狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。
(3) 利用式(1) 并采用JC 法計(jì)算出一般運(yùn)行
和密集運(yùn)行兩種狀態(tài)下, 不同活荷載效應(yīng)與恒荷載
效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的比值ρ 下的可靠指標(biāo), ρ 分別取0． 1,
0． 25, 0． 5, 1． 0, 1． 5 和2． 5, 取其平均值作為該荷
載和抗力調(diào)整系數(shù)情況下的可靠度代表值[12] 。
(4) 計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)可靠指標(biāo)進(jìn)行對比: 如果
計(jì)算確定的可靠度大于到評估目標(biāo)可靠指標(biāo), 則滿
足安全性能要求; 如果與計(jì)算確定的可靠度小于評
估目標(biāo)可靠指標(biāo), 則不滿足安全性能要求。
2　基于“雙控” 思想的混凝土橋梁安全性實(shí)用評估方法
2． 1　汽車荷載和抗力調(diào)整系數(shù)臨界值
由上述分析可知, 由于在役混凝土橋梁目標(biāo)可
靠指標(biāo)為定值, 為保證結(jié)構(gòu)的安全性能, ξR 和ξQ 的
臨界值之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系, 通過確定兩個(gè)臨界
值之間的關(guān)系, 即可直接對橋梁安全性能進(jìn)行評估,
這樣就避免了復(fù)雜的可靠指標(biāo)計(jì)算, 便于工程應(yīng)用。
由于安全儲(chǔ)備、舊橋加固和汽車荷載限重等因
素的影響, 存在舊橋抗力大于計(jì)算抗力標(biāo)準(zhǔn)值或汽
車荷載效應(yīng)小于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的可能。因此, 取抗
力調(diào)整系數(shù)ξR = 0． 70, 0． 75, 0． 80, 0． 85, 0． 90,
0． 95, 1． 00, 1． 05, 1． 10, 1． 15, 1． 20; 汽車荷載調(diào)
整系數(shù)ξQ 以0． 3 為起始最小值, 按照0． 1 的級差遞
增取值, 利用1． 2 節(jié)所述方法確定考慮調(diào)整系數(shù)后
的汽車荷載效應(yīng)和抗力統(tǒng)計(jì)特征, 并以此為依據(jù)計(jì)
算目標(biāo)可靠指標(biāo), 直至計(jì)算出的可靠指標(biāo)不滿足在
役橋梁的目標(biāo)可靠指標(biāo)。這樣既可確定抗力一定時(shí),
在役橋梁在滿足安全性評估目標(biāo)可靠指標(biāo)的情況下,
所能承受的最大汽車荷載效應(yīng), 可為該橋荷載管控
提供決策依據(jù), 同時(shí), 也可以確定在當(dāng)前汽車荷載
水準(zhǔn)下, 在役橋梁滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)的情況下所需
的抗力, 進(jìn)而可根據(jù)實(shí)際承載能力評定結(jié)果, 選擇
合適的處理措施(加固或不采取措施)。
根據(jù)上述分析, 可以確定抗力調(diào)整系數(shù)為ξR
時(shí), 不滿足承載能力評估目標(biāo)可靠指標(biāo)要求的汽車荷
載調(diào)整系數(shù)臨界值ξ′Q 。同時(shí), 也可確定出汽車荷載調(diào)
整系數(shù)為ξQ 時(shí), 不滿足承載能力評估目標(biāo)可靠指標(biāo)要
求的抗力調(diào)整系數(shù)臨界值ξ′R 。計(jì)算結(jié)果見表4。
表4　汽車荷載和抗力調(diào)整系數(shù)臨界值對應(yīng)關(guān)系表
Tab． 4　Corresponding relations between critical values of vehicle load adjustment coefficient and resistance adjustment coefficient
ξ′Q
ξ′R
1． 20 1． 15 1． 10 1． 05 1． 00 0． 95 0． 90 0． 85 0． 80 0． 75 0． 70
一級
延性破壞1． 8 1． 6 1． 5 1． 3 1． 2 1． 0 0． 9 0． 7 0． 6 0． 5 0． 3
脆性破壞2． 8 2． 6 2． 4 2． 2 2． 0 1． 8 1． 6 1． 4 1． 3 1． 1 0． 9
二級
延性破壞1． 7 1． 6 1． 4 1． 3 1． 1 1． 0 0． 9 0． 7 0． 5 0． 4 0． 3
脆性破壞2． 9 2． 7 2． 5 2． 3 2． 1 1． 8 1． 6 1． 4 1． 2 1． 1 0． 9
三級
延性破壞1． 7 1． 5 1． 4 1． 2 1． 1 0． 9 0． 8 0． 6 0． 5 0． 4 0． 3
脆性破壞2． 8 2． 6 2． 4 2． 2 2． 0 1． 8 1． 6 1． 4 1． 2 1． 0 0． 8
2． 2　基于“雙控” 思想的混凝土橋梁安全性實(shí)用評
估方法
　　根據(jù)上述思想, 可確定兩種在役混凝土橋梁承
載能力評估方法, 一是根據(jù)實(shí)際運(yùn)營汽車效應(yīng)確定
滿足安全性要求時(shí)的抗力, 即抗力控制法; 二是根
據(jù)抗力確定滿足安全性能要求時(shí)的最大汽車荷載效
應(yīng), 即汽車荷載效應(yīng)控制法。本文將這兩種方法統(tǒng)
稱為“雙控” (抗力和汽車荷載效應(yīng)) 評估方法。
具體實(shí)施過程如下所述:
(1) 抗力控制法
① 根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》
(JTG/ T J21—2011)[13] 中的規(guī)定選取需要檢測與評定
構(gòu)件, 利用實(shí)測汽車荷載數(shù)據(jù)計(jì)算汽車荷載效應(yīng)
SQr, 進(jìn)而確定汽車荷載調(diào)整系數(shù)ξQ (ξQ = SQrk / SQk)。
② 令ξ′Q = ξQ , 根據(jù)表4 查找對應(yīng)的臨界抗力調(diào)
整系數(shù)ξ′R 。
③計(jì)算滿足安全性能的最小抗力值R′r(R′r =
ξ′R Rk)。當(dāng)實(shí)橋抗力Rr < R′r 時(shí), 需進(jìn)行加固處理。
(2) 汽車荷載效應(yīng)控制法
① 根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》
(JTG/ T J21—2011) 中的規(guī)定選取需要的檢測與評
定構(gòu)件, 利用實(shí)橋承載能力評定結(jié)果確定橋梁抗力
值Rr, 進(jìn)而計(jì)算抗力調(diào)整系數(shù)ξR (ξR = Rr / Rk)。
② 令ξ′R = ξR , 根據(jù)表4 查找對應(yīng)的臨界汽車荷
90
萬方數(shù)據(jù)
　第4 期李文杰, 等: 基于可靠度理論的混凝土橋梁安全性評估方法研究
載效應(yīng)調(diào)整系數(shù)ξ′Q 。
③ 計(jì)算滿足安全性能的最大汽車荷載值S′Qr(S′Q r =
ξ′Q SQk)。當(dāng)實(shí)橋汽車荷載效應(yīng)SQr > S′Qr
時(shí), 需限定
過橋車輛荷載。
3　評估實(shí)例
某二級RC 簡支T 梁橋計(jì)算跨徑20 m, 橋?qū)挒?
10． 6 m, C30 混凝土, HRB335 級鋼筋, 主梁跨中截
面配筋布置分別如圖1 所示, 單片梁鋼筋數(shù)量如表5
所示。該橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載等級為公路- I 級。對當(dāng)
前實(shí)橋狀況進(jìn)行檢測, 該橋承載能力檢算系數(shù)Z1 =
1． 03, 承載能力惡化系數(shù)ξe =0． 11, 鋼筋的截面折減
系數(shù)ξs = 0． 90。由于本橋進(jìn)行了承載能力評定, 因
此, 安全性評估采用汽車荷載效應(yīng)控制法。
圖1　跨中截面配筋布置圖
Fig． 1　Reinforcement arrangement of mid-span section
表5　單片梁鋼筋數(shù)量表
Tab． 5　Reinforcement quantify of a single beam
編號直徑/ mm 長度/ mm 根數(shù)
2 ?32 2 103． 6 2
3 ?32 1 963． 4 2
4 ?32 1 673． 6 2
5 ?25 1 343． 8 2
10 ?32 1 990． 0 2
17 ?32 1 990． 0 2
11 ?8 2 000． 0 16
　　對于抗力調(diào)整系數(shù), 首先根據(jù)《公路鋼筋混凝
土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)
計(jì)算出該橋的計(jì)算抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rk 為2 275． 50 kN·m,
而設(shè)計(jì)階段實(shí)橋抗力標(biāo)準(zhǔn)值為3 495． 60 kN·m, 可
見該橋在設(shè)計(jì)階段具有很大的安全儲(chǔ)備。利用《公
路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/ T J21—2011)
中規(guī)定的在役橋梁承載能力計(jì)算方法計(jì)算當(dāng)前實(shí)際
抗力Rr 為3 162． 03 kN·m, 所以該橋抗力調(diào)整系數(shù)
ξR 為1． 389 6。令ξ′R = ξR = 1． 389 6, 根據(jù)表4, 線性
插值可得臨界汽車荷載效應(yīng)調(diào)整系數(shù)為ξ′Q≈2． 2, 即
該橋當(dāng)前所能承受的最大實(shí)際汽車荷載效應(yīng)為04 規(guī)
范汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的2． 2 倍。
對于汽車荷載效應(yīng)調(diào)整系數(shù), 首先根據(jù)《公路
橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004) 中的規(guī)定計(jì)
算出該橋汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值為670． 67 kN·m。由
于汽車荷載效應(yīng)受地域和使用時(shí)期的影響較大, 其
統(tǒng)計(jì)參數(shù)在使用階段發(fā)生了較大的變化。因此, 本
文利用該橋所在區(qū)域典型路段的WIM 實(shí)測數(shù)據(jù)對汽
車荷載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 結(jié)果表明: 一般運(yùn)行狀態(tài)下,
實(shí)際汽車荷載效應(yīng)服從極值I 型分布, 其平均值
μSQ = 543． 50 kN·m, 標(biāo)準(zhǔn)差σSQ = 74． 48 kN·m; 密
集運(yùn)行狀態(tài)下, 實(shí)際汽車荷載效應(yīng)同樣服從極值I 型
分布, 其平均值μ′SQ = 929． 65 kN·m, 標(biāo)準(zhǔn)差 σS′Q =
176． 49 kN·m。由式(4) 可得一般運(yùn)行狀態(tài)和密集
運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)際汽車荷載效應(yīng)代表值分別為
682． 46 kN·m 和1 258． 95 kN·m, 據(jù)此求得一般運(yùn)
行狀態(tài)和密集運(yùn)行狀態(tài)下汽車荷載效應(yīng)調(diào)整系數(shù)分
別為1． 1 和1． 9, 均小于臨界汽車荷載效應(yīng)調(diào)整系
數(shù), 即該橋滿足安全性要求。該計(jì)算結(jié)果當(dāng)前檢測
報(bào)告結(jié)果一致, 可見采用基于“雙控” 思想的混凝
土橋梁安全性實(shí)用評估方法進(jìn)行安全性評定是可
行的。
4　結(jié)論
本文通過研究提出了汽車荷載效應(yīng)調(diào)整系數(shù)和
抗力調(diào)整系數(shù)的概念, 確定了在役混凝土橋梁安全
性能評估表達(dá)式, 并建立了在役混凝土橋梁的可靠
度評估方法。在此基礎(chǔ)上, 提出了在役混凝土橋梁
安全性實(shí)用評估方法———基于“雙控” 思想的混凝
土橋梁安全性評估方法, 得出了以下結(jié)論:
(1) 引入調(diào)整系數(shù)的在役混凝土橋梁安全性評
估表達(dá)式可同時(shí)考慮抗力與汽車荷載效應(yīng)的影響,
更符合實(shí)際情況, 據(jù)此可得出更合理的評估結(jié)果。
(2) 根據(jù)國外相關(guān)規(guī)范, 在役橋梁最大允許失
效概率較新建橋梁高一個(gè)數(shù)量級, 由此可以確定在
役橋梁安全性評估的目標(biāo)可靠指標(biāo)。
(3) 除直接利用評估表達(dá)式對在役橋梁進(jìn)行可
靠度評估外, 可利用本文提出的基于“雙控” 思想
91
萬方數(shù)據(jù)
公路交通科技第34 卷
的混凝土橋梁安全性實(shí)用評估方法進(jìn)行安全性評估,
這樣可以避免復(fù)雜的可靠度運(yùn)算, 便于工程應(yīng)用。
實(shí)橋評估算例表明, 該實(shí)用方法簡便可行。
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92

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