在役公路桥梁寿命评估与预测分析

２０１１年第１２期　
（总第２１４期）　

黑龙江交通科技　

ＨＥ　ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯ　Ｇ　ＫＥＪ　
Ｎｏ．１２．２０１１　

（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２１４）　

在役公路桥梁寿命评估与预测分析　
王旭　，管锡琨２，黄桂林　
（１．黑龙江省交通科学研究所；２．东北林业大学）　

摘要：大量在役桥梁承载能力不足、老化、破损使得在役桥梁的技术状况预测和寿命预测成为国内外十分　
关注的课题。因此，在建立在役桥梁抗力衰减模型及荷载模型的基础上，引入时变可靠度理论，建立桥梁极　
限状态方程。利用Ｊｃ法计算桥梁结构时变可靠度指标。引入桥梁工程中的０．８５８。这个系数来预测混凝土　
桥梁的剩余使用寿命。并编制计算混凝土桥梁剩余使用寿命的计算程序，可为同类工程提供参考。　
关键词：在役桥梁；寿命；预测；可靠度　
中图分类号：Ｕ４４５　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１１）１２—００６７—０２　

１引　言　
随着我国经济的发展，交通运输事业取得长足的进步，　具体表现为交通量猛增，载重量增大。由于设计标准的改　变，载重能力的提高，使得许多在役桥梁的承载力变得偏低，　桥面偏窄，线型不良。　我国在役混凝土桥梁存在大量的问题。根据有关部门　统计，仅公路桥梁就有５　０００多座危桥，铁路桥梁有病害桥　６　１３７座，占桥梁总数的１８．８％，其中混凝土桥为２　６７５座，　混凝土裂损７２２座。随着混凝土桥梁使用年限的增长，旧桥　老化日益严重，在我国近２Ｏ年来，公路交通量和车辆载重不　断增加，公路桥梁负荷Ｅｌ趋加重，这就必然加剧既有桥梁的　损伤。而如何预测混凝土桥梁的使用寿命以及采取何种有　效的预防措施成为一个迫切需要解决的课题。　混凝土的使用寿命是一个与时间有关的过程。Ｒｏｓｔａｒｎ　认为，几乎所有的混凝土的劣化都经过两个阶段：初始阶段　和扩展阶段。在初始阶段，没有明显的材料弱化或结构功能　退化等现象出现，但保护层被某些侵蚀介质破坏；扩展阶段，　将出现主动性的损伤并加速发展。Ｇｅｉｋｅｒ等人将使用寿命　定义为三部分时间的和，即ｔ：ｔ。＋ｔ２＋ｔ３，其中：ｔ，为达到稳　定状态所需要的时间ｉｔ　为暴露的混凝土中钢筋处的氯离子　达到临界浓度所需要的时间ｉｔ　为达到必须修补状态所需时　间。　２预测方法　２．Ｉ基于经验的预测　（１）要预测的混凝土服役期大于已有期限内混凝土的　经验知识时。　（２）遇到新的环境或存在侵蚀性的环境时。　（３）应用全新的混凝土材料时。　对混凝土使用寿命进行半定量预测的常用方法是基于　试验或由具有丰富现场经验的专家判断。只要按照标准设　计与施工，则混凝土应该具有所需要的寿命。这一方法的缺　点是：当所需预测的混凝土寿命超过专家经验、应用于新的　环境或使用新型混凝土材料时容易产生失误。而且研究实　例表明，对混凝土耐久性的经验性或者定性评论仅仅是一种　预测，尚不能形成有效预测服役寿命的基础，认为根据经验　或定性估计不能作为使用寿命预测的可靠基础。　２．２性能相似对照法的预测　这种预测方法尚未普遍应用。但其应用会随着老化混　凝土结构的增加而增长。用这种相似对照材料性能的方法　收稿日期：２０１１—１０—１１　假定，如果混凝土在确认时间内是可靠的，则处于相似环境　内的类似混凝土也应具有相同的可靠期。此方法存在的问　
题是任何混凝土结构由于材料、尺寸、施工情况、所处工作环　
境与施加荷载的不同都具有唯一性；而且多年来混凝土材料　
的性能也发生了改变。而且不同的微气候（混凝土表面的　
环境）会对混凝土耐久性造成不可预测的影响。相对应的　
是化学和矿物外加剂的发展也促进了高耐久性的高性能混　
凝土的应用，而且外加剂、掺合料也在变化，所以，即使所处　
环境是基本一致，相似对照法比较新旧混凝土之间的耐久性　
也相当困难，且存在着相当大的局限性，所以预测混凝土的　
寿命仍然不能一击而中。　
２．３加速实验法的预测　
混凝土的耐久性与渗透性联系密切，因此国内外学者对　
混凝土的渗透性能进行了大量研究工作并提出了相应的测　
试方法，有透水法、透气法、混凝土氯离子渗透性测试法。　
目前，普遍认为混凝土的渗透性能可以由氯离子的传输　
性来体现，而且只要钢筋周围的氯离子达到一定的浓度，而　
且其他条件同时具备就会发生钢筋锈蚀。此时即可认为结　
构寿命达到终结。因此，可以将混凝土中氯离子达到临界浓　
度的时间看作混凝土结构的使用寿命。　
上述桥梁使用寿命预测方法只注重一个老化、劣化过　
程，然而多个损伤进程会同时发生，或者存在环境与荷载的　
交互作用，都会导致劣化。在役桥梁因导致劣化的因素难以　
识别，这种交互作用效应使寿命预测复杂化。制约钢筋混凝　
土结构的服役寿命的主要因素包括：氯离子侵蚀、碳化作用、　
化学物质（酸性物质和硫酸盐）侵蚀、冻融循环、荷载（疲劳、　
振动、局部超载）。特殊情况下，只考虑一个主要制约因素的　
作用并据此进行寿命预测；当多因素作用时，因可用的交互　
作用影响资料有限，着重关注前述的显著环境因素的影响。　
因而应用概率方法进行结构的剩余使用寿命预测是非常合　
理的方法。　
３随机方法的预测　
影响在役桥梁的使用寿命的各因素都是随机变量，甚至　
是随时间变化的随机过程，所以，应用随机方法进行桥梁的　
剩余使用寿命的预测是非常合理的。　
随机方法是在建立在桥梁抗力衰减模型及荷载模型的　
基础上，引入时变可靠度理论，建立桥梁极限状态方程。利　
用Ｊｃ法计算桥梁结构时变可靠指标。引入桥梁工程中的　
０．８５８￣这个系数来预测混凝土梁桥的剩余使用寿命。并编　

・
６７・　
总第２１４期　黑龙江交通科技　第１２期　
制计算混凝土桥梁剩余使用寿命的计算程序。　
（１）建立在役桥梁的抗力模型　首先考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀、钢筋强度、混凝土强度　等因素对桥梁结构的抗力衰减的影响，建立结构的抗力衰减　模型。　（２）建立在役桥梁的荷载模型　公路桥梁的荷载模型主要由活载和恒载组成，活载效应　取决于车辆荷载、轴重、轴的类型、桥上的车辆数、路面状况　及结构构件的刚度等。这些参数在整个服役过程中都是随　时间变化的随机变量。对于在役桥梁结构，应尽量使用现场　检测、调查得到的数据来估计及修正荷载效应模型。　（３）进行寿命预测　①建立可靠度极限状态方程　ｚ（ｔ）＝Ｒ（ｔ）一Ｓｃ—ＳＤ　②计算结构的时变可靠度指标　假定Ｒ和．ｓ服从正态分布，其平均值和标准差分别为　和　，则功能函数ｚ＝Ｒ—ｓ也服从正态分布，其　平均值各标准差分别为　＝　一　和　ｚ＝￣／　＋　２　，失　效概率为　－Ｐ（　７一　１　ｅ　卜　引入标准化随机变量　，即令　：孚，则　＝　＝　（１一　）　‘　：　根据结构可靠度的定义，结构服役过程中的动态可靠度　可定义为　Ｐ｜（ｔ）＝Ｐ［Ｒ（ｔ）一Ｓ（ｔ）］Ｉ＞０，ｔ∈［０，Ｔ］　式中：　（ｔ）为结构抗力随机过程；｜ｓ（ｔ）为作用效应随机过程；　ｔ为结构使用寿命。　结构动态可靠指标可以表示为　ＪＢ：　＝一　［１一ＰＪ（ｔ）］　可靠指标是结构服役时间￡的函数。　利用Ｊｃ法求解可靠度指标迭代计算可知口值的一般式　为　．．　宝警Ｉ　・（　一Ｆ）　＾　ｉ＝７１ｄ　ｌ　。　。　［　砉（　２］　③以０．８５／３ｏ为准则，编制计算程序，预测在役桥梁在一　定可靠度水平下的使用寿命。　４工程实例　４．１工程概况　某大桥位于绥北公路海伦至北安段，建于１９９３年，桥跨　布置为１０×２０　ｎｌ钢筋混凝土Ｔ形梁桥。设计荷载为汽车　一２Ｏ级；挂车一１００。桥面铺装为８　ｃｍ厚沥青混凝土。墩台　采用桩柱式桥台，桩柱式桥墩，钻孔桩基础。桥面宽为净　一１０　ｍ＋２×１　ｍ防撞护栏。　４．２寿命预测　本桥梁的荷载横向分布系数采用刚接横梁法计算，经过　计算得出ｌ　梁荷载横向分布系数为０．５０７，２　梁荷载横向分　布系数为０．４３２，３　梁荷载横向分布系数为０．４０７。由于进　行桥梁剩余使用寿命预测时，将该桥的七片Ｔ梁看作是串连　系统，若任何一片梁失效将导致整座桥梁失效，因１　梁的荷　载恒向分布系数最大，故以１号梁为受力最不利梁来计算桥　・６８・　梁的使用寿命。　首先写出耐久性极限状态方程，即　
Ｚ（ｔ）＝Ｒ（ｔ）一ＳＧ—Ｓ０（ｔ）　
又因为　
：Ｓｏ／Ｓｌ　
故　
Ｓｑ＝Ｋ　ＳｔＱＫ　
考虑按弯矩失效模式取值，即　

）（ｈｏ－　）－１．２ＳＧ－１．４　

式中各个参数的意义如下　
６为受压区梁宽，为常量；‰为梁的实际有效高度　（ｔ）　
为钢筋抗拉强度随时间变化的函数，正态变量；冗　（ｔ）为混凝　
土抗压强度随时间变化的函数，正态变量；Ａ，（ｔ）为钢筋截面　
面积随时间变化的函数；Ｓ　为恒载效应值；Ｓｌ似为标准车辆　
荷载计算的效应值；　为荷载效应比。　’　
在本案例中，经计算　
６＝１６０　ｃｍ　ｈ０＝１．１８７　ｍ　ＳＧ＝９１７．８　ｋＮ・ｍ　
．ｓ１ＱＫ＝１　２００　ｋＮ’ｍ　
钢筋截面面积平均值取７６　ｃｍ　，钢筋截面面积标准差取　
３　ｃｍ　；钢筋强度平均值取为３６０　ＭＰａ，钢筋强度标准差为　
２１．４　ＭＰａ；混凝土强度的平均值为１４．３　ＭＰａ，混凝土强度的　
标准差为０．７８　ＭＰａ；其余各值根据前面所列表格的内容取　
值。然后把这些数据输入到桥梁剩余使用寿命预测程序中。　
取目标可靠指标　＝４．２，对桥梁剩余使用寿命进行预　
测，首先输入各参数到程序界面。点击结果输出，输出如下　
结果。　
由程序输出结果可知，该桥梁在已经使用１７年后，剩余　
使用寿命为３８年。　
５结论　
（１）在役桥梁是社会的宝贵财产，是保证交通安全畅通　
的关键。但大量在役桥梁承载能力不足、老化、破损己成为　
世界性的问题。在役桥梁技术状况预测和寿命预测，己成为　
国内外十分关注的课题。　
（２）基于经验的预测法仅仅是一种预测，尚不能形成有　
效的预测服役寿命的基础；相似对照法比较新旧混凝土之问　
的耐久性相当困难，且存在着相当大的局限性，所以预测混　
凝土的寿命仍然不能一击而中；而加速实验可操作性差、实　
验年限过长；而影响在役桥梁的使用寿命的各因素都是随机　
变量，甚至是随时间变化的随机过程，所以，应用随机方法进　
行桥梁的剩余使用寿命的预测是非常合理的。　
（３）建立在役桥梁抗力衰减模型及荷载模型的基础上，引　
入时变可靠度理论，建立桥梁极限状态方程。利用Ｊｃ法计算桥　
梁结构时变可靠指标。引入桥梁工程中的０．８５＃ｏ这个系数来　
预测混凝土梁桥的剩余使用寿命。并编制计算混凝土桥梁剩余　
使用寿命的计算程序，可为同类工程提供参考。　
参考文献：　
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筑，２００６，（１）．　
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安建筑科技大学，２００４．　
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