海外高速铁路既有框架结构物评估

聂明皓

(中铁第四勘察设计集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

由于结构自然老化、不利环境影响以及养护维修欠缺,部分桥梁必然会出现各种各样的结构损伤,这将导致结构承载能力和耐久性降低。这些桥梁的健康状况存在差异,有的可以正常使用,有的需要维修加固,而有的则要拆除重建。为了保证线路的安全畅通,有必要对既有桥梁进行可靠性评估,根据评估结果采取有针对性的管理养护、加固改造措施。

目前既有桥梁承载能力的评估越来越受到世界性范围的关注。在一些工业发达国家,桥梁工程的重点已逐步转移到养护维修、鉴定评估和加固改造方面,并已取得长足的进步。与世界先进水平相比,我国铁路桥梁方面的工作还存在一定的差距。主要表现在：评估理论还不够先进,评估体系还不够健全,评估方法还有待完善。

2 结构评估方法概述

目前常用的桥梁评估的方法大致分为外观调查的评估方法、基于设计规范的评估方法、荷载试验、基于专家经验的评估方法和基于结构可靠性理论的评估方法；各个方法之间存在着一定的区别与联系,各有优缺点[1，2]。

2.1 基于外观调查的评估方法

基于外观调查的方法包含有评分系统和经验系数法。

评分系统标准及损伤程度分类需根据调查统计和实验分析结果预先制定。在应用时,由有经验的工程师对既有桥梁进行检查评分,并以此对材料质量、损伤程度等进行评价。

经验系数法是依据广泛的调查研究,确定若干影响承载力的系数及其取值范围,对桥梁的承载力进行评估的方法。此法的特点是应用简便,其结论的可信程度基于评估者的工程经验和判断力,且各评估系数的确定较困难,计算结果较为粗糙。

2.2 基于规范的评估方法

规范是指导桥梁设计的标准。这一标准基于工程力学、结构试验和工程经验,并且还在不断地充实和完善。因此,利用规范的计算理论来分析既有结构承载能力的方法,易为评估者接受和理解,具有坚实的理论基础并得到广泛应用。

在应用中有必要对设计准则的调整、安全系数的取值、结构损伤的确定以及结构分析方法的选择等作进一步工作。

2.3 基于荷载试验的评估方法

荷载试验是通过现场试验对结构进行评估的方法。尽管荷载试验在评估中时有采用,但是试验费用很大,周期较长,还有可能会引起结构严重损伤。

2.4 基于专家经验的评估方法

基于专家经验的评估方法包括评估专家系统和专家意见调查。其中专家意见调查是指直接收集、分析、归纳专家意见,对某一事件的可能结果做出评估的方法。

由于影响评估的因素众多,因素之间相互影响、关系复杂。另外,与评估人的工程经验、个人知识的局限以及认知过程都有着密切的联系,这也使得评估中包含了许多不定因素。目前这一方法还不成熟,对评估决策的影响往往是辅助性的。

2.5 基于结构可靠性理论的方法

结构可靠性理论采用失效概率Pf或可靠指标β来衡量结构的安全水平。这一理论已在结构工程的各个领域得到广泛应用。由于以概率统计为基础,该理论可以处理荷载和抗力的不定性,尤其是可以处理这些不定性的变化对结构可靠度的影响。因此,它可为桥梁评估提供一个合理的理论框架。此方法其面临的主要困难是：(1)难以确定结构的系统失效模式和反映损伤程度的抗力模型；(2)需要结合理论研究和工程实践合理选择β。

3 评估实例

某国的铁路项目经历了相当长的时间,大致从20世纪80年代开始,一直在断断续续地进行着。这期间有多个国家的公司参与了设计及施工,建成了一批框架桥结构。但是由于配套的路基设施没有同步进行,致使这批框架桥建成后并没有投入使用,而是长期在自然环境中任凭风吹雨打,经受二氧化碳及含硫气体等侵蚀气体所包围,缺乏必要的管理养护(图1)。在中国公司承接这个项目后,该国铁道部委托中国公司设计部门按欧洲铁路标准对这批框架桥进行评估。由于这批框架结构建成的时间较长,施工单位已无法寻觅,且业主方管理不善,致使设计资料不齐全,竣工图均遗失。这给评估带来了一定的困难。

图1 某框架桥示意

根据现场的情况,实际采用了以基于规范评估为主,辅以外观调查、经验评估的手段,对于个别结构采用实验的方法进行综合评估。本次评估采用了德国铁路规范系列,其中DIN1055—100是对既有结构物安全评估的一个规范,它通过按照分项安全系数方法隐含的将可靠指标β的预定值反映到检算过程中,检算涵盖了安全性、适用性和耐久性3个方面。规范中明确要求分别按承载能力极限状态和适用性极限状态进行检算。在承载能力的极限状态下对人员及承重结构的安全性方面进行评估,确定结构强度,结构稳定以及由疲劳引起的结构失效；在适用性的极限状态下对人员和结构健康等适用性方面进行评估,其中包括结构的变形和位移,振动,裂缝等有关方面。

通过对既有结构物进行现场勘查测量,获取既有结构物的基本情况及存在的问题：

(1)确定结构物与线路的关系,用途,结构物的实际尺寸,施工完成情况；

(2)调查结构物外观现状：包括结构物表面的防水层和伸缩缝质量、混凝土表面损伤以及施工中是否存在缺陷等；

(3)进行混凝土回弹试验,对混凝土表面裂缝较大、施工质量较差的结构物混凝土进行钻芯取样,通过实验确定混凝土的力学性能及配比等参数；

(4)使用钢筋探测仪对结构物进行钢筋探测,确定实际的配筋情况,钢筋保护层实际厚度,研究钢筋的锈蚀程度；

(5)对结构物基础进行勘察和测量,确定结构物基础的承载能力及稳定性。

整理结构物的现状数据,采用外观调查评分、经验系数以及专家意见对结构物进行初步的健康诊断。

利用现场勘测资料,根据本线的技术要求,参考相关的规范选取特性值,对各工况进行荷载组合[3-8]；按照DIN1055—100规范要求分别对结构物的各个部件选取分项安全系数。当结构物无预应力且与材料疲劳无关时；

承载能力的极限状态设计计算值的公式为

(1)

适用性极限状态设计计算值的公式为

(2)

式中Gk——独立的恒定影响；

γG——独立的恒定影响Gk的分项安全系数；

Qk,1——占主导地位的独立可变影响；

γQ,1——占主导地位的独立可变影响Qk,1的分项安全系数；

Qk,i——其他的独立可变影响；

γQ,i——其他的独立可变影响Qk,i的分项安全系数；

ψ——可变的影响代表值各自的组合系数。

工程材料性能的设计计算值

Xd=Xk/γM

(3)

式中Xd——设计计算值；

XM——产品性能特征值；

γM——工程材料的分项安全系数。

检算要求：

在承载能力极限状态下

Ed≤Rd

(4)

在适用性极限状态下

Ed≤Cd

(5)

式中Rd——承载能力的设计计算值；

Cd——适用性的设计计算值。

建立检算模型,根据各设计计算值对模型进行检算(图2、图3),检算结果中,承载力极限状态下的剪力超过承载极限,适用性极限状态下出现0.32 mm裂缝,不满足结构设计要求。承载力极限状态与适用性极限状态组合弯矩图参见图4和图5。将外观调查、结构试验以及检算结果进行相互比较、验证,形成最终的评估结论(表1)。

图2 结构荷载图

图3 结构模型

表1 评估结论

图4 承载力极限状态下组合弯矩图(单位：kN·m)

图5 适用性极限状态下组合弯矩图(单位：kN·m)

4 结论

既有结构物的评估是一个复杂的系统工程,不仅包括科学的评估理论系统,还包括多种评估方法以及评估结果的校核。

首先,结构物评估是一个涉及多门专业的边缘学科,包括损伤力学、可靠度理论、计算机仿真技术、先进检测方法和系统论等多个方面。其次,可靠度研究需要大量的现场调查和实际观测数据、细致的分析计算。影响结构可靠性的因素众多,各种因素之间的逻辑关系也非常复杂,还存在着大量的不确定性因素,依靠某一种定量分析的方法对结构的安全及健康状态进行描述是非常困难的。因此,对结构的评估需要使用多种评估方法,并对评估结果进行校正。

本次利用以德国铁路规范体系为主的多种评估方法对既有结构物进行的评估,给业主提供了客观的参考数据,便于业主及早发现问题,解决问题,在经济和安全上取得一个合适的平衡。中国公司提供的评估报告与欧洲某铁路咨询公司的评估结论基本一致。

[1] 宗兰，刘华新.混凝土结构设计原理[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 李亚东.既有桥梁评估方法研究[J].铁道学报,1997(3)：109-115.

[3] DS 804通用结构工程手册[Z].德国DB公司,2003.

[4] DIN 1055—100—2001 德国工业标准 对承重结构的影响[S].德国标准化研究所,2001.

[5] DIN 101 德国工业标准 桥梁的荷载[S].德国标准化研究所,2003.

[6] DIN 102 德国工业标准 混凝土桥[S].德国标准化研究所,2003.

[7] DIN 1045—1—2001 德国工业标准 混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土的承重结构第1部分：设计计算与结构设计[S].德国标准化研究所,2001.

[8] DIN 1045—2—2001 德国工业标准 混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土的承重结构第2部分：混凝土结构[S].德国标准化研究所,2001.