目前,包括悬索桥、斜拉桥在内的许多大型桥梁的建成极大地促进了区域经济的发展,同时也为其养护管理工作带来了新的挑战。国外很多早期建成的大跨径桥梁在运营期间都出现过服役性能退化问题,经评估后被相关部门认为有可能发生不可预见的意外事件,并采取了相应的处置措施。我国的大型桥梁已走过三十余年的发展历程,逐步进入评估和维护的阶段。
在服役期间,桥梁将不可避免地受到环境和交通的影响,出现材料性能劣化、构件病害破损、结构功能缺陷等状况,不仅会影响其正常运营,甚至有可能改变其主体结构的总体服役性能,给桥梁结构带来安全隐患,同时又缩短了结构或构件的实际服役寿命。已有的工程实践经验表明,可以通过早期有效的评估,了解结构及构件的服役状况,避免或减少一些桥梁,突发事故带来的损失。
与中小跨径桥梁相比,大型桥梁在评估方面所面临的主要技术挑战为:全桥结构体系及关键构件形式复杂,构件的实际服役状态不明确。有鉴于此,笔者提出了大跨径桥梁构件的多维度评估方法,并通过实桥的案例分析,探讨其应用效果,为桥梁养护管理部门制定评估方法、优化养护策略提供参考。
一、长大桥梁服役性能退化的影响因素
在桥梁服役期间,随着运营时间的不断增加,结构或构件的状态将不可避免地受到各种因素的影响,使得其服役能力难以长期保持在初始的较高水平,而发生不同程度的劣化或出现一些病害。桥梁结构或构件状况的变化以及病害的演化进程,易受到各种因素的影响,涉及从设计、施工、运营到养护管理等方面,主要可以概括为下列两方面。
1.内部因素:引起桥梁劣化的内部因素主要是指设计、施工时的特点或不足。包括:
(1)桥梁的桥型、结构、构件的体系或构造不同,其受力形式和传力机理也不一致,造成易损部位和性能劣化速率的差异;
(2)桥梁耐久性设计的重视程度有待提高,防护构造设计过于简单,造成实际运营阶段较早发生劣化;
(3)桥梁施工质量存在瑕疵,例如:材料本身质量缺陷、混凝土浇筑缺陷、施工时发生的意外情况等,均为结构或构件后期发生劣化的基础。
2.外部因素:引起桥梁劣化的外部因素主要是在运营和养护管理阶段的一些原因。其中包括以下几项:
(1)服役时间。随着桥梁投入运营的时间增加,其性能必然发生衰退,例如:有调查显示悬索桥的主缆在桥梁建成通车后前10年内性能变化不大,此后以接近线性的速度开始劣化。
(2)环境的影响。桥梁运营期间所处的环境对材料的劣化速率有显著的影响。例如:当桥梁位于海域环境或工业区时,潮湿空气中存在的氯离子、硫酸盐等成分加速了钢材的腐蚀。
(3)交通量。桥梁的主要作用是承担交通功能,结构在交通荷载引起的往复应力幅值作用下会出现损伤、疲劳或缓慢的衰退,因此交通量的大小以及交通的组成影响结构或构件状况变化的进程。
(4)受力状态。构件不同的受力状态和受力特点也会对其劣化产生影响。例如:同一桥梁不同位置的斜拉索或吊索之间应力水平存在差异,荷载效应引起的结构内力无法均匀地分配到每一根索上。此外,车辆的冲击效应也会加速伸缩缝的累计位移增长和支座的磨损。
(5)养护管理策略。在桥梁运营阶段,养护指南的制定、采取不同的养护策略、养护管理者的技术水平等也会影响桥梁的劣化速率,采取合适的养护方式可以有效减缓其性能的衰退。
二、大型桥梁构件运营期的评价数据来源
桥梁运营期间存在有限元分析计算、长期监测和各类检查评估等在内的不同来源数据,相互之间可以相互印证,也可能有所冲突,共同形成了桥梁评估的数据资源和基础,对这些数据进行整合和综合分析,可以获取其中包含的关键信息,进而提升评估效率。
三、桥梁构件多维度评估实施
在充分检测和识别构件特性和病害的基础上,提出了大型桥梁构件的多维度评估方法。选取反映桥梁状态的关键构件后,针对构件性能指标的可得性或病害的特征进行分析,对于基于既有检测技术能够基本掌握的构件及其各项性能,可以直接根据检查结果,采用基于状态的评估方法;对于不确定性较高的构件性能或病害,可以综合分析不同来源的时序数据,从概率角度对其予以深度评估,作为对基于状态方法的补充和完善。
当桥梁构件因性能衰退造成使用功能受损或发生某种严重病害时,就需要采取相应的措施,包括维护、维修、加固、更换等。通过分析多维度评估的结果,可以在一定程度上了解构件在服役期间可能的性能衰退趋势或病害演化进程,为桥梁养护管理部门制定养护策略提供部分参考,实现降低桥梁维护成本和减少重大事故发生概率的目标。
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