石拱桥安全使用寿命与可靠度的初探

贺国银

摘要：本文叙述了桥梁安全性使用评价模式与结构可靠度的关系，根据桥梁基于疲劳与损伤的以及可靠度原理等方面提出了桥梁的可靠模式和等级，据此针对于石拱桥提出了一种以裂缝为判断原则划分桥梁的安全等级的方法。

关键词：可靠度；安全性；疲劳与损伤；评价模式

一、引言

县乡公路上的大中小桥有数以万座。这些桥梁是促进城市经济发展的有力保障，是县乡人民脱贫致富、奔小康的希望之桥、幸福之桥。由于桥梁修建时技术标准普遍偏低，加之交通量的迅猛增长，桥梁建设质量存在问题材料与结构自然老化，使用环境的变化，以及超重、超限车辆的破坏作用，导致现在许多桥梁都出现了承载力不足的现象。然而随着社会主义经济的迅猛发展，各个市区路网将提前完善，面对交通量的骤增，县乡公路桥梁安全问题将面临严峻的考验。因此基于可靠度的理论对于这些桥梁的使用寿命的研究具有重大的实用价值和深远的意义。

二、桥梁安全性使用评价模式及其与结构可靠度的关系

1、桥梁评估模式的发展水平

对于现有桥梁的养护和修复来说，桥梁的安全性评估方法是一个重要的问题。人们在桥梁安全性评估方面已进行了大量的研究，并取得不同程度的进展。安全评估是通过获得的检测数据，计算结论得到对结构安全性能的整体评价。安全评估不但可以科学的给出结构的可靠性评价，还是制定养护和维修计划的重要参考。

2、梁桥安全使用与结构可靠度的关系

结构的安全使用寿命是指结构由于外界环境腐蚀和老化因素的影响，使其耐久性受到损伤，当结构可靠度降低到某一预先规定值时所经历的时间。要确定结构的安全使用寿命，必须首先确定一个可以接受的可靠度水平。桥梁结构安全使用寿命与桥梁重要性等级有关。对于所属等级为一级的重要桥梁，结构初始可靠度一般较高，可靠度水平随时间的衰减速度相对较慢，安全使用寿命较长 ；反之，使用寿命必然很短，因此适当提高结构初始可靠度，是延长结构安全使用寿命的有效措施。

3、桥梁承载力评价技术

桥梁承载力评价技术方面，目前常用技术主要有三种，即系数折减法、类比法和荷载试验法。

三、桥梁使用寿命的可靠性评价

1、可靠性原理

结构可靠度定义为：“工程结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。”所谓的：“规定时间”指的是结合结构使用期，考虑各种基本变量与时间的关系所取用的分析时间；“规定的条件”是指结构正常设计、正常施工和正常使用的条件，即不考虑人为过失的影响；“预定功能”是指结构的安全性、适用性、耐久性。[1]

结构功能的极限状态定义为：“整个结构或结构的一部分超过某一个特定状态就不能够满足设计规定的某一个功能要求，此特定的状态称之为该功能的极限状态。”极限状态实际上就是结构可靠（有效）或不可靠（失效）的界限。

将作用方面的基本变量组合成综合作用效应S，抗力方面的基本变量组合成综合抗力R。从而结构的功能函数为 。对于 ，存在以下三种情况：

表明结构处于可靠状态；

表明结构已失效或破坏；

表明结构处于极限状态。

对于抗力及抗力参数的获取我们采用的是间接的方法，即就是先对影响抗力的各种主要因素分别进行统计分析，确定其抗力参数，然后通过抗力与有关因素间的函数关系，来推求抗力统计参数和概率分布类型。通过桥梁承载能力方法我们计算出S和R，这样我就可以用可靠度的功能函数来进行分析结构处于那种状态。

2、 基于疲劳损伤的评价方法

常规的评价以结构的静力强度为主，以结构是否满足设计荷载标准为评判依据，忽略了桥梁的活荷载，即不能考虑桥梁的可靠度和使用寿命，研究表明致使桥梁结构发生破坏的形式往往是结构的疲劳破损。当发现某部位发生疲劳损伤时，应采取何种对策以及对策的紧迫性进行判断的过程，判断项目有：（1）疲劳的累积损伤度；（2）疲劳损伤的发展速率；（3）构件的冗余度；（4）劣化状态对结构机能的影响程度。由于每个项目都是根据某一功能疲劳极限状态评定，因此，项目的评定等级是结构构件能否满足某项功能要求的评定结果，并以相关等级来表示。

疲劳损伤的发展速率可判断劣化状态的发展的快慢。对裂纹扩展速度的定量研究，一般是用断裂力学进行裂纹扩展分析。构件的冗余度：当构件或接头处产生的疲劳损伤连续发展时，需要判断结构是否会明显地丧失强度和机能（构件破坏除外），如果结构会丧失强度和机能，则称其没有冗余度。判断的目标之一就是结构是静定的还是超静定的，发生损伤的构件是主要构件还是次要构件，以次要构件裂纹的发展对主要构件是否有很大影响。

3、石拱桥的破坏机理评价模式

当一个无铰拱桥达到了三个塑性铰的时候我们称之为静定的结构，如果出现了第四个塑性铰的时候我们就称它为静不定结构，也就是由一个结构变成了机构，也就是在这个时候发生拱桥的破坏。对于石拱桥来说，主要的承重的结构就是主拱圈，所以对于主拱圈的研究就显的尤为重要！其破坏的最明显的标志就是裂缝，笔者据此通过对裂缝的出现以及发展来研究其破坏模式。

通过用断裂力学进行裂纹扩展分析，作者考虑提出一个判断截面安全的判据a，来判断这个截面的安全度。由于开裂韧性越小，说明这个截面的安全度越高，如果开裂韧性值达到失稳状态值，这个截面就是不安全的，也就是a值达到了最大值。从理论上讲，这样的截面出现4个，这个主拱圈就将最终破坏。另外裂缝的走向、长度和裂缝密集度等对 具体的a也会有影响，表达式如下：

式中： 、 、 、 、——表示裂缝长度、裂缝位置、裂缝走向、裂缝密集度对a的修正值。

式中： ——表示应力

、 、 、 、 ——表示材料参数，可以通过试验得出。

我们通过收集资料，算出部分桥的 ，对 进行分级。

安全级 ≤1.0 普通级 1.0< ≤1.5

隐患级 1.5< ≤2 .0 危险级 >2.0

其中：

安全级——代表桥梁基本无影响主拱圈受力的病害；

普通级——虽然有些病害，但短时间内可以继续使用；

隐患级——病害影响了桥梁的正常承载，需要进行检测；

危险级——病害非常严重，需要尽快对该桥进行加固。

四、结语

在常规桥梁结构技术状况评价基础上，引入了影响可靠度和安全使用寿命的主要指标，建立了结构构件安全使用寿命评价模型，提出构件结构可靠度评价标准。尤其对石拱桥提出了静不定破坏，以及对石拱桥评价等级根据 进行了重新的分类。也为以后石拱桥安全评价提供了一个新思路和方法。

参考文献：

[1] 邹天一，李杨航.结构可靠度.北京：人民交通出版社，1998.

[2] 赵国藩.工程结构可靠性理论与应用.大连：大连理工大学出版社，1996.

[3] 杨伟军，赵传军.土木工程结构可靠度理论与设计.北京：人民交通出版社，1998.

[4] 陈万春，马建秦.既有桥梁可靠度与安全使用寿命的综合评估.公路交通科技，2006.

[5] 工程结構可靠度设计统一标准（GB 50513—92）。北京：中国计划出版社，1992.