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作者：張毅

  本文以武漢市公路管理處管理養(yǎng)護(hù)的部分省國道橋梁為研究對(duì)象，采用有限元與Monte-Carlo相結(jié)合的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法，考慮材料疲勞退化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度規(guī)律進(jìn)行探討。

1  時(shí)變可靠度預(yù)測(cè)模型分析方法與流程

1.1分析方法

  目前，對(duì)于退化結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度計(jì)算一般有2種方法：時(shí)間綜合法和時(shí)間離散法。由于時(shí)間離散法將復(fù)雜的時(shí)變可靠度問題轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的可靠度問題，計(jì)算更為方便，因此，本文采用時(shí)間離散法。分析時(shí)將結(jié)構(gòu)的整個(gè)服役期每5年分為1個(gè)時(shí)間段，計(jì)算各個(gè)分散時(shí)間點(diǎn)的結(jié)構(gòu)可靠度，從而得到結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度的變化規(guī)律。

1.2分析流程

  根據(jù)武漢市公路管理處管理養(yǎng)護(hù)的部分省國道橋梁特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度理論出發(fā)，采用理論與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，分析橋梁材料（主要為鋼筋與混凝土）疲勞退化規(guī)律，建立橋梁結(jié)構(gòu)抗力的退化概率模型；采用時(shí)間離散法與Monte-Carlo法，分析橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度規(guī)律，建立橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上，提出橋梁結(jié)構(gòu)剩余壽命的測(cè)方法；通過橋梁全壽命評(píng)估預(yù)測(cè)，確定橋梁的監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修時(shí)機(jī)以及橋梁的監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修方法，建立基于橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度衰變預(yù)測(cè)的普通鋼筋混凝土橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)模型。具體的分析流程見圖1。

2普通鋼筋混凝土橋梁時(shí)變可靠度分析

2.1  橋梁材料疲勞退化與參數(shù)變化

  橋梁建成投入使用后，由于材料性能老化、鋼筋銹蝕、損傷累積等因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的抗力是隨時(shí)間逐步衰減的。對(duì)于普通鋼筋混凝土橋梁而言，主要有2個(gè)方面的因素與抗力劣化關(guān)系最為密切：①鋼筋強(qiáng)度與面積；②混凝土受壓強(qiáng)度。隨著橋梁運(yùn)行時(shí)間的增長，普通鋼筋強(qiáng)度與面積、混凝土強(qiáng)度均會(huì)有不同程度減小，導(dǎo)致構(gòu)件抗力的下降。

  由于缺乏武漢市域內(nèi)橋梁的材料退化規(guī)律，本文采用目前常用的混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度，以及鋼筋面積的時(shí)變模型，得出各個(gè)階段時(shí)間點(diǎn)材料性能均值與變異系數(shù)的變化規(guī)律。見圖2，圖3。

  由圖2和圖3可見：①隨著時(shí)間的變化，混凝土強(qiáng)度的均值在前20～30年由于內(nèi)部各種反應(yīng)導(dǎo)致}昆凝土硬化，強(qiáng)度逐漸增加，之后則逐漸減小，而其變異系數(shù)則是隨時(shí)間的增長線性增大；②在鋼筋未發(fā)生銹蝕之前，鋼筋強(qiáng)度的均值基本沒有變化，隨著時(shí)間的增長，鋼筋發(fā)生銹蝕，鋼筋強(qiáng)度的均值逐漸減小，同樣，鋼筋強(qiáng)度的變異系數(shù)，銹蝕發(fā)生之前變化不大，銹蝕發(fā)生之后，則是隨時(shí)間的增長逐漸增大；③在鋼筋未發(fā)生銹蝕之前，鋼筋的面積均值基本沒有變化，隨著時(shí)間的增長，鋼筋開始銹蝕，鋼筋的面積均值逐漸減��；而鋼筋面積的變異系數(shù)則是隨時(shí)間的增長逐漸增大。

2.2  時(shí)變可靠度計(jì)算結(jié)果分析

  以20 m普通鋼筋混凝土T梁橋?yàn)槔�，依次每�?年，采用相應(yīng)的抗力概率分布參數(shù)，計(jì)算跨中正截面抗彎承載能力、支點(diǎn)斜截面抗剪承載能力，以及正常使用裂縫寬度3種失效模式的失效概率，從而得到各自相應(yīng)的可靠度。圖4為跨中正截面抗彎承載能力可靠度指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線；圖5為支點(diǎn)斜截面抗剪承載能力可靠度指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線；圖6為正常使用裂縫寬度可靠度指標(biāo)隨時(shí)闖的變化曲線。

 由圖4可見，隨著時(shí)間的增長，由于材料的疲勞退化，以及結(jié)構(gòu)抗力的衰退，跨中正截面抗彎承載能力可靠度會(huì)有所下降；計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)使用時(shí)間t=48年時(shí)，p=4.199 3<4.2，不滿足結(jié)構(gòu)承載能力目標(biāo)可靠度的最低要求，故跨中正截面抗彎承載能力可靠度指標(biāo)滿足初始設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠度要求的年限為48年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。

  由圖5可見，隨著時(shí)間的增長，起始階段，支點(diǎn)斜截面抗剪承載能力可靠度指標(biāo)變化不大，后期則下降速度較快，可見，由于材料的疲勞退化以及結(jié)構(gòu)抗力的衰退，對(duì)支點(diǎn)斜截面抗剪承載能力后期的可靠度影響更大；計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)使用時(shí)間t=79年時(shí)，p=4.632 0<4.7．不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載能力目標(biāo)可靠度的最低要求，故支點(diǎn)斜截面抗剪承載能力可靠度指標(biāo)滿足初始設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠度要求的年限為79年，小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。

  由圖6可見，由于材料的疲勞退化以及結(jié)構(gòu)抗力的衰退，正常使用裂縫寬度可靠度會(huì)有所下降；計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)使用時(shí)間t= 44年時(shí)，p=2. 286 1<2.3，不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正常使用的目標(biāo)可靠度要求，故正常使用裂縫寬度可靠度指標(biāo)滿足初始設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠度要求的年限為44年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。3橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)模型

3.1  時(shí)變可靠度預(yù)測(cè)擬合公式

  為進(jìn)一步表達(dá)結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)的變化規(guī)律，本文基于最小二乘法原理，采用多項(xiàng)式對(duì)第2節(jié)的時(shí)變可靠度指標(biāo)變化曲線進(jìn)行擬合，分別得到跨中正截面抗彎承載能力、支點(diǎn)斜截面抗剪承載能力以及正常使用裂縫寬度的時(shí)變可靠度指標(biāo)退化曲線模型及相應(yīng)的曲線方程，具體如下。

  (1)以跨中正截面抗彎為指標(biāo)的時(shí)變可靠度擬合曲線方程如下。

  (2)以支點(diǎn)斜截面抗剪為指標(biāo)的時(shí)變可靠度的擬合曲線方程如下。

  (3)以正常使用裂縫寬度為指標(biāo)的時(shí)變可靠度的擬合曲線方程如下。

3.2橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)模型

  根據(jù)式(1)～式(3)，可對(duì)在役普通鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行預(yù)測(cè)，即可計(jì)算在役各個(gè)橋梁當(dāng)前可靠度，以及各個(gè)失效模式下的預(yù)測(cè)失效年份，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)橋梁進(jìn)行科學(xué)有效的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，具體策略如下：①根據(jù)建立的時(shí)變可靠度指標(biāo)退化曲線模型及相應(yīng)的曲線方程預(yù)測(cè)各類橋梁可靠度失效年份；②在橋梁可靠度失效年份之前，可按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11- 2004)進(jìn)行常規(guī)檢查監(jiān)測(cè)，但臨近橋梁可靠度失效年份時(shí)，檢查頻率應(yīng)適當(dāng)增大，監(jiān)測(cè)力度應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)；③在臨近橋梁正常使用裂縫寬度可靠度失效年份時(shí)，應(yīng)加大橋梁裂縫寬度監(jiān)測(cè)，如裂縫寬度超過規(guī)范要求或者裂縫寬度開展速度加快，應(yīng)采取有效措施預(yù)防裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展；④在臨近橋梁極限承載能力可靠度失效年份時(shí)，應(yīng)采取有效的加固措施進(jìn)行橋梁加固，且加固后應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)估，切實(shí)保證橋梁結(jié)構(gòu)可靠度滿足要求。

4結(jié)語

本文以20 m普通鋼筋混凝土T梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用有限元與Monte-Carlo相結(jié)合的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法，考慮材料疲勞退化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度退化規(guī)律進(jìn)行探討；基于最小二乘法原理，采用多項(xiàng)式對(duì)時(shí)變可靠度指標(biāo)變化曲線進(jìn)行擬合，分別得到跨中正截面抗彎承載能力、支點(diǎn)斜截面抗剪承載能力以及正常使用裂縫寬度的時(shí)變可靠度指標(biāo)退化曲線模型及相應(yīng)的曲線方程；根據(jù)時(shí)變可靠度預(yù)測(cè)擬合公式，可以預(yù)測(cè)橋梁極限承載能力以及正常使用承載能力可靠度失效年份；并根據(jù)橋梁可靠度失效模式特點(diǎn)，提出了相應(yīng)橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略，為橋梁車輛通行管理和科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

5摘  要為探討普通鋼筋混凝土橋梁時(shí)變可靠度的衰變規(guī)律，建立普通鋼筋混凝土橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)模型。以武漢市公路管理處管理養(yǎng)護(hù)的部分省國道橋梁為研究對(duì)象，采用有限元與Monte-Carlo相結(jié)合的結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度分析方法，考慮混凝土、鋼筋等材料的疲勞退化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度規(guī)律進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上，建立了基于結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度衰變預(yù)測(cè)的普通鋼筋混凝土橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)模型。