一种基于时变可靠度衰变预测的普通钢筋混凝土桥梁预防性养护新模型

作者：张毅

  本文以武汉市公路管理处管理养护的部分省国道桥梁为研究对象，采用有限元与Monte-Carlo相结合的结构可靠度分析方法，考虑材料疲劳退化，对桥梁结构时变可靠度规律进行探讨。

1  时变可靠度预测模型分析方法与流程

1.1分析方法

  目前，对于退化结构时变可靠度计算一般有2种方法：时间综合法和时间离散法。由于时间离散法将复杂的时变可靠度问题转化为传统的可靠度问题，计算更为方便，因此，本文采用时间离散法。分析时将结构的整个服役期每5年分为1个时间段，计算各个分散时间点的结构可靠度，从而得到结构时变可靠度的变化规律。

1.2分析流程

  根据武汉市公路管理处管理养护的部分省国道桥梁特点，从结构时变可靠度理论出发，采用理论与现场测试相结合的方法，分析桥梁材料（主要为钢筋与混凝土）疲劳退化规律，建立桥梁结构抗力的退化概率模型；采用时间离散法与Monte-Carlo法，分析桥梁结构时变可靠度规律，建立桥梁结构时变可靠度预测模型，在此基础上，提出桥梁结构剩余寿命的测方法；通过桥梁全寿命评估预测，确定桥梁的监测、养护与维修时机以及桥梁的监测、养护与维修方法，建立基于桥梁结构时变可靠度衰变预测的普通钢筋混凝土桥梁预防性养护模型。具体的分析流程见图1。

2普通钢筋混凝土桥梁时变可靠度分析

2.1  桥梁材料疲劳退化与参数变化

  桥梁建成投入使用后，由于材料性能老化、钢筋锈蚀、损伤累积等因素的影响，桥梁结构的抗力是随时间逐步衰减的。对于普通钢筋混凝土桥梁而言，主要有2个方面的因素与抗力劣化关系最为密切：①钢筋强度与面积；②混凝土受压强度。随着桥梁运行时间的增长，普通钢筋强度与面积、混凝土强度均会有不同程度减小，导致构件抗力的下降。

  由于缺乏武汉市域内桥梁的材料退化规律，本文采用目前常用的混凝土强度、钢筋强度，以及钢筋面积的时变模型，得出各个阶段时间点材料性能均值与变异系数的变化规律。见图2，图3。

  由图2和图3可见：①随着时间的变化，混凝土强度的均值在前20～30年由于内部各种反应导致}昆凝土硬化，强度逐渐增加，之后则逐渐减小，而其变异系数则是随时间的增长线性增大；②在钢筋未发生锈蚀之前，钢筋强度的均值基本没有变化，随着时间的增长，钢筋发生锈蚀，钢筋强度的均值逐渐减小，同样，钢筋强度的变异系数，锈蚀发生之前变化不大，锈蚀发生之后，则是随时间的增长逐渐增大；③在钢筋未发生锈蚀之前，钢筋的面积均值基本没有变化，随着时间的增长，钢筋开始锈蚀，钢筋的面积均值逐渐减小；而钢筋面积的变异系数则是随时间的增长逐渐增大。

2.2  时变可靠度计算结果分析

  以20 m普通钢筋混凝土T梁桥为例，依次每隔5年，采用相应的抗力概率分布参数，计算跨中正截面抗弯承载能力、支点斜截面抗剪承载能力，以及正常使用裂缝宽度3种失效模式的失效概率，从而得到各自相应的可靠度。图4为跨中正截面抗弯承载能力可靠度指标随时间的变化曲线；图5为支点斜截面抗剪承载能力可靠度指标随时间的变化曲线；图6为正常使用裂缝宽度可靠度指标随时闯的变化曲线。

 由图4可见，随着时间的增长，由于材料的疲劳退化，以及结构抗力的衰退，跨中正截面抗弯承载能力可靠度会有所下降；计算结果表明，当使用时间t=48年时，p=4.199 3<4.2，不满足结构承载能力目标可靠度的最低要求，故跨中正截面抗弯承载能力可靠度指标满足初始设计目标可靠度要求的年限为48年，远远小于结构设计基准期100年。

  由图5可见，随着时间的增长，起始阶段，支点斜截面抗剪承载能力可靠度指标变化不大，后期则下降速度较快，可见，由于材料的疲劳退化以及结构抗力的衰退，对支点斜截面抗剪承载能力后期的可靠度影响更大；计算结果表明，当使用时间t=79年时，p=4.632 0<4.7．不满足结构设计承载能力目标可靠度的最低要求，故支点斜截面抗剪承载能力可靠度指标满足初始设计目标可靠度要求的年限为79年，小于结构设计基准期100年。

  由图6可见，由于材料的疲劳退化以及结构抗力的衰退，正常使用裂缝宽度可靠度会有所下降；计算结果表明，当使用时间t= 44年时，p=2. 286 1<2.3，不满足结构设计正常使用的目标可靠度要求，故正常使用裂缝宽度可靠度指标满足初始设计目标可靠度要求的年限为44年，远远小于结构设计基准期100年。3桥梁预防性养护模型

3.1  时变可靠度预测拟合公式

  为进一步表达结构可靠度指标的变化规律，本文基于最小二乘法原理，采用多项式对第2节的时变可靠度指标变化曲线进行拟合，分别得到跨中正截面抗弯承载能力、支点斜截面抗剪承载能力以及正常使用裂缝宽度的时变可靠度指标退化曲线模型及相应的曲线方程，具体如下。

  (1)以跨中正截面抗弯为指标的时变可靠度拟合曲线方程如下。

  (2)以支点斜截面抗剪为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下。

  (3)以正常使用裂缝宽度为指标的时变可靠度的拟合曲线方程如下。

3.2桥梁预防性养护模型

  根据式(1)～式(3)，可对在役普通钢筋混凝土桥梁结构可靠度进行预测，即可计算在役各个桥梁当前可靠度，以及各个失效模式下的预测失效年份，并根据预测结果对桥梁进行科学有效的预防性养护，具体策略如下：①根据建立的时变可靠度指标退化曲线模型及相应的曲线方程预测各类桥梁可靠度失效年份；②在桥梁可靠度失效年份之前，可按照《公路桥涵养护规范》(JTG H11- 2004)进行常规检查监测，但临近桥梁可靠度失效年份时，检查频率应适当增大，监测力度应适当加强；③在临近桥梁正常使用裂缝宽度可靠度失效年份时，应加大桥梁裂缝宽度监测，如裂缝宽度超过规范要求或者裂缝宽度开展速度加快，应采取有效措施预防裂缝进一步扩展；④在临近桥梁极限承载能力可靠度失效年份时，应采取有效的加固措施进行桥梁加固，且加固后应对桥梁结构性能进行评估，切实保证桥梁结构可靠度满足要求。

4结语

本文以20 m普通钢筋混凝土T梁桥为研究对象，采用有限元与Monte-Carlo相结合的结构可靠度分析方法，考虑材料疲劳退化，对桥梁结构时变可靠度退化规律进行探讨；基于最小二乘法原理，采用多项式对时变可靠度指标变化曲线进行拟合，分别得到跨中正截面抗弯承载能力、支点斜截面抗剪承载能力以及正常使用裂缝宽度的时变可靠度指标退化曲线模型及相应的曲线方程；根据时变可靠度预测拟合公式，可以预测桥梁极限承载能力以及正常使用承载能力可靠度失效年份；并根据桥梁可靠度失效模式特点，提出了相应桥梁的预防性养护策略，为桥梁车辆通行管理和科学养护提供理论依据。

5摘  要为探讨普通钢筋混凝土桥梁时变可靠度的衰变规律，建立普通钢筋混凝土桥梁的预防性养护模型。以武汉市公路管理处管理养护的部分省国道桥梁为研究对象，采用有限元与Monte-Carlo相结合的结构时变可靠度分析方法，考虑混凝土、钢筋等材料的疲劳退化，对桥梁结构时变可靠度规律进行了探讨，在此基础上，建立了基于结构时变可靠度衰变预测的普通钢筋混凝土桥梁预防性养护模型。