钢筋混凝土桥梁的安全性评估Word格式.docx

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进行安全性评估准则的指标有:

（1）单一受力状态下的可靠指标：

指桥梁结构构件在弯曲、剪切、受压、受拉以及小偏心，受力五种受力状态下的可靠指标.

（2）桥梁结构构件在实际受力状态下的可靠指标：

梁、板、桥墩、支座、基础、地基稳定在各自实际受力状态下的可靠指标的计算.

（3）桥梁结构体系可靠性，在构件可靠性评估的基础上，进行结构体系的可靠性评估，计算结构体系的可靠指标。

1.1.2桥梁结构的可靠性评估模型

桥梁结构的可靠性评估模型很多，通过证明比较完善成熟的一种是分层综合结构。

它是将结构整体分割成相对独立的部分（这种分割可以按功能,也可以按结构），然后按各自的指标进行分块评估，再针对适当的标准聚合成整体的评价，其中这一过程的基本假定是整体功能结构的可分性和相对独立性。

桥梁结构具有明确的传力路径和破坏路径，对其进行安全性分析可按该路径划分上部结构、传力结构和下部结构三个部分。

首先根据具体构件的评估确定三个部分的可靠性，再依据一定的准则评价整个结构体系。

（1）上部结构

B1其承重体系的安全性取决于主梁和桥面板，对其进行安全性分析主要是建立一种方法来求解梁C11板C12在多种受力状态下的可靠指标，梁、板主要承受弯矩、剪力，梁有时也会承受扭矩作用。

（2）传力结构B2主要指桥墩C21和盖梁C22支座C23其中桥墩主要承受弯矩和压力，盖梁的可靠性分析与主梁相同，支座则按其压力和滑移两中主要破坏模式进行可靠性分析。

（3）下部结构B3其安全性主取决于基础C31和地基C32两个部分。

基础的安全性分析主要包括强度和冲切两种主要破坏模式，地基包括强度稳定，倾覆稳定，滑移稳定和沉降四种主要破坏模式。

1.1.3桥梁结构安全性指标的获得

根据结构可靠性理论,可靠指标可以通过建立功能函数来求得。

所说的功能函数是根据规范中规定的承载能力极限表达式建立的。

它以作用效应和抗力为两个基本综合变量，作用效应是指结构在荷载作用下产生的内力,它取决于结构形式、荷载作用方式及荷载大小等;

抗力是只构件截面的承载能力,它主要取决于材料性能、几何参数及计算模式.

对桥梁结构具体构件来说,只要确定其最有可能的失效模式,就能根据该模式建立功能函数求解该失效模式下的可靠指标。

而结构构件最有可能的失效模式是通过结构的受力分析得到的。

由于结构构件的破坏必然发生在受力最不利的位置上,而最不利受力位置及其上荷载作用位置可以通过影响线来确定,因此建立功能函数求解可靠指标是可能的。

1.2校准法与设计可靠指标

1.2.1可靠度校准中采用的荷载组合

公路桥梁在实际使用中，除承受永久荷载，车辆荷载，人群荷载和风荷载以外，还要受到由于自然条件变化产生的各种作用的影响。

如温度作用，地基不均匀沉降等，这些作用的出现都是随机的，其在设计基准期中同一时点以何量值相遇的概率各不相同。

现行桥梁规范的基本组合为永久荷载+汽车荷载，当参与组合作用增多时，综合作用效应的概率分布会发生变化，且该情况下各参与组合的作用均与其标准值相遇的概率极小，为使总的效应在取值上反映这一实际情况，保持结构可靠度水平的一致性，需根据各作用相遇概率的大小对参与组合的其他作用值予以折减。

其中荷载组合系数的取值原则是作用分项系娄以永久荷载和车辆荷载的简单组合情况确定，在有两种或两种以上可变作用参与组合时，可通过组合系数对可变效应标准值予以折减，从而使此时按极限状态设计表达或设计的构件具有可靠指标与仅有一种可变作用参与组合时的可靠指标具有最佳的一致性。

由此可知，在可靠度校准中可以用永久荷载和车辆荷载的基本组合进行计算，即可获得与多个荷载参与组合时相同的可靠指标。

1.3桥梁结构构件的动态可靠性

进行桥梁结构可靠性分析的目的主要有两个,其一是确定拟建桥梁的设计目标可靠指标，用以指导设计；

其二是对在用桥梁结构进行可靠性评估。

所谓动态可靠性也就是桥梁结构在具体的工作条件下，使用若干年后的可靠水平。

在进行结构可靠性设计时，我们必须加一个条件，这个条件就是正常的设计，施工和使用以及桥梁结构所处的现实环境，包括作用构成和人为因素。

1.3.1在用桥梁结构动态可靠性的分析原则

为了使桥梁结构达到在预定使用期限内完好无损。

因此我们在进行桥梁结构动态可靠性分析时必须遵循在分析的整个过程中应保持时间，功能及条件的统一。

也就是在建立功能函数，进行可靠度计算，建立作用效应及抗力的随机过程模型时必须考虑同样的时间区间遵循相同的失效准则，对于使用及维护条件也需给出同样的规定。

1.3.2在用桥梁结构动态可靠性的分析方法

1.3.2.1在用桥梁结构的荷载效应概率模型

在运用桥梁结构动态可靠性分析时，如果进行实桥检测是获得在用桥梁结构荷载信息的最有效的方法。

它不仅能获得结构受荷作用下的种种信息,也能弥补由于理论假定所带来的种种不足，还能体现出结构体系中构件的相互作用。

但是实际中进行实测有可能会引起结构的严重损伤,且耗资巨大。

因此通过总结分析在进行桥梁结构动态可靠性分析时可以通过建立桥梁结构的荷载效应概率模型进行分析。

其计算公式为:

F

其中FQTs是目标使用期中荷载效应最大值随时机变量QTs的分布函数,FQ（x）是荷载效应随机过程的截口分布，mTs为目标使用期内荷载效应的出现次数。

1.3.2.2在用桥梁结构抗力的概率模型

现代桥梁结构多为钢筋混凝土结构，其抗力主要取决于混凝土和钢筋的强度。

根据实验观察了解,混凝土强度在前两个月增长较快,之后渐缓，两年左右终止。

在建桥时如果保证了混凝土的密实性及必须的保护层厚度，就可以保证钢筋强度满足规范的要求。

但是大气中存在许多有害杂质会使混凝土出现老化与病害现象。

大气中CO2会造成混凝土的碳化,另外混凝土带裂缝工作时由于H2O和O2的侵入会导致钢筋的锈蚀,从而消减了混凝土和钢筋的强度。

因此在进行抗力分析时必须考虑大气有害杂质对钢筋混凝土强度的衰减。

根据有关资料和参考分析可以得到抗力衰减模型为：

式中:

Kp为计算模式不定性随机变量;

Ks为钢筋与混凝土协同工作系数;

R[.]为考虑时间因素的抗力计算值。

在可靠性设计中,抗力用随机变量来描述,并服从对数正态分布。

若考虑诸多因素的影响,将抗力描述为随机过程概率模型。

假设其为非平稳随机过程,并仍服从对数正态分布,则任意时点构件抗力R（t）的概率密度函数可表示为：

uRt和σRt分别为抗力的平均值函数和标准差函数。

以上两个函数是通过抗力表达式中所包含的随机过程概率模型的统计规律间接确定的。

1.4抗力影响因素的统计分析

1.4.1混凝土强度在一般大气条件下的经时变化

混凝土强度是确定钢筋混凝土构件抗力最主要的因素参数。

但是由于大气中一些有害杂质的存在使得影响了混凝土的强度。

一般大气条件下混凝土性能劣化主要是碳化腐蚀,因为碳化使混凝土失去碱性,从而逐步失去了对钢筋的保护能力;

另一方面混凝土强度随时间也会有所改变,随时间的增加其强度也将消减。

在用钢筋混凝土结构的强度时假定服从正态分布,其中平均值和标准差可表示为时间的函数,其表示如下;

（1）混凝土强度的平均值函数表示为:

式中uf0为混凝土28天强度的平均值,

（2）混凝土强度的标准差函数可表示为

式中

为混凝土28天强度的标准差

1.4.2钢筋锈蚀引起的截面损失

钢筋混凝土桥梁由于施工出现的失误,使得有些钢筋暴露以外;

或者混凝土的带裂缝工作,使得水的侵入在氧气或其他气体的作用下从而导致钢筋生锈。

钢筋锈蚀对安全性主要有两个方面:

其一是锈蚀引起的钢筋截面减小,二是因为锈蚀引起的体积增大、顺筋裂缝、保护层剥落而导致钢筋与混凝土之间的粘接力下降。

钢筋锈蚀与锈蚀开始时间有直接关系,锈蚀量随混凝土保护层的开裂而有明显变化,可将其描述为时间的分段函数,其表达式为:

其中Kc为混凝土的碳化系数，用公式计算为：

以上式中：

为混凝土的抗压强度标准值;

为地区影响系数,据调查测定北方地区为1.0南方及沿海地区为0.5-0.8;

为室内外影响系数其室外为1.0室内为1.87;

为养护时间影响系数,一般施工情况取为1.5;

tp为锈蚀开始时间;

c为混凝土保护层厚度,mm;

PRH为空气相对湿度大于65%的概率.Wcr为混凝土保护层开裂时的锈蚀量,g/mm;

；

D0为氧气在混凝土的扩散系数，

，tcr通过求解方程Wt（tcr）=Wcr得到

1.4.3钢筋锈蚀引起的力学性能改变

钢筋在锈蚀过程中,不仅受力面积有所减小,而且其力学性能也将发生改变,比如伸长率降低,屈强比增大。

钢筋塑性、伸长率均随着锈蚀量的增大而降低。

1.4.4混凝土碳化、钢筋锈蚀引起两者之间粘接能力的改变

钢筋锈蚀,受力面积减小,这样一来不可避免会影响其与混凝土之间的粘接力,因此对于锈蚀钢筋混凝土构件须考虑两种材料的协同工作。

对于损伤严重的构件需要计入由于钢筋锈损而引起的两者之间共同工作能力下降从而导致抗力的降低。

通过查阅参考资料可进行协同工作系数计算

其公式为

式中ks为协同工作系数（当有锈胀裂缝但混凝土保护层尚未脱落时,可用锈胀裂缝宽度来代替,当宽度小于2mm时,可取为1）;

w为钢筋截面的裸露周长,单位mm,d为钢筋直径单位mm.

1.5桥梁结构构件的可靠性分析

1.5.1主梁和板的可靠性分析

桥梁上部结构的承重体系包括主梁和板。

其中板有双向板和单向板之分,其中双向板因为经济性和受力性能等方面均稍差于单向板而在使用上受到一定的限制。

因此桥梁结构中的桥面板大多采用单向连续板或简支板。

在进行单向板受力计算时它与连续梁相同。

只是计算单元采用的是1m板带,桥面系的安全性评价应从主梁的安全性入手,而板的安全性可参照主梁进行。

在进行梁板,可靠性分析时。

如果对各个构件进行验算,评估则过于繁琐复杂。

经过长期的分析验算可以寻求简单的模式进行桥梁及构件的可靠性评估。

我们知道桥梁上部结构有许多构件,每个构件有无数截面构成,任意截面的破坏均会导致构件的破坏。

如果假设各个截面间相互独立,那么可以最不利受力截面的可靠指标来代替整个构件在该受力状态下的可靠指标。

但梁板构件都不可能处于单一受力状态即使对于最不利的受力截面也可能同时受到弯矩、剪力和扭矩共同作用,从而在进行评估时,需考虑构件在多种受力状态下破坏的可能。

主梁同时承受弯矩、剪力和扭矩共同作用,如果运用数学的方法进行可靠性计算存在困难,通过参考分析可以采用一种新方法,分层分析法计算脆性破坏和延性破坏两种破坏模式下不同受力情况的作用比例,即权重,再分别对同一破坏模式下,不同受力状态的可靠指标进行加权求和,并以次作为构件评估的标准,这相当于将梁作为结构体系进行可靠性分析。

权重的计算可以通过判断矩阵来实现。

以脆性破坏为例,分析判断矩阵的构成设计主梁的实际抗剪和抗扭度分别为Qs和MTs设主梁的抗剪和抗扭强度（实际最大何载作用下计算的主梁的抗力值）为Qk和MTk,为了使Qs，MTs,Qk、.MTk具有可比性,须对Qs和MTs进行标准化既无量纲化,可得一组变量：

Q1和MT1从而可建立判断矩阵

据此计算剪力和扭矩在构件发生脆性破坏中所占的权重α1，α2,则主梁发生脆性破坏的可靠指标为

β=α1β1+α2β2

式中β1β2为构件在剪力和扭矩在脆性破坏时的可靠指标。

1.5.2桥墩（刚性桥墩）的可靠性分析

桥墩它有墩柱和盖梁组成（深度除外），现行桥梁当中这种类型的桥梁比较常见。

当盖梁与墩柱的刚度比大于5时,盖梁可假定为简支于墩柱上的两端悬臂的连续梁,其可靠性分析和桥梁主梁大体相同。

不同的是荷载作用方式与主梁不同,墩柱是偏心受力构件,应根据偏心受力构件的极限状态表达式建立功能函数

表达式可列为：

为按基本组合计算的轴力值；

为混凝土抗压强度设计值；

为纵向钢筋抗压强度设计值；

为纵向钢筋面积；

b为截面宽度;

x为混凝土受压区高度h0为截面有效高度；

为受压钢筋的保护层；

e为轴向力的最大偏心距。

得出上述参数后可根据误差传递公式用验算点法求可靠指标:

可靠指标：

1.5.3支座的可靠性分析

我们以板式橡胶支座分析它的可靠性。

板式橡胶支座包括支座强度及抗滑稳定性两方面,在分析可靠性时,也必须从这两方面着手,首先假定它们互不相关。

1.5.3.1支座强度

要保证桥梁具有足够的可靠性,对支座强度的考虑是不可避免的。

我们知道支座平面尺寸的大小是通过支座与桥墩接触面的压变应力来控制的,因此以综合变量表示的极限状态方程为

其中N为作用于支座的树向力,A为支座底面积;

a×

b为支座底面的两边（短边×

长边）

[σ]为支座的平均容许应力,与支座形状系s有关.

s>

8时,[σ]=10Mpa5≤S≤8时,[σ]=7~9Mpa

t为中间层橡胶片的厚度

得到这些参数后可采用中心点法计算其可靠指标:

1.5.3.2抗滑稳定性

板式橡胶支座放置于桥墩与梁底之间,当温度发生变化它将会产生水平位移;

另外在汽车制动力的作用下,支座将承受水平力的作用,为了使支座与梁底及桥墩之间不发生相对位移,我们必须对其进行抗滑稳定性评估.由于温度的变化引起的水平位移不好获得。

我们仅列出以上综合变量表示的抗滑稳定极限方程为

NG为横载产生的支座反力,Npmin为与计算制动力相对应的汽车活载产生的最不利支座反力;

HT为由汽车制动力引起,作用于一个支座上的纵向水平力;

f为橡胶与混凝土之间的摩擦系数

可靠指标

1.6地基与基础的可靠性分析

上部结构分析完毕后;

我们还必须对下部结构进行分析。

其中下部结构包括地基与基础,在进行下部结构分析时。

首先假定基础强度与地基稳定之间不存在相关性,下部结构的可靠性不仅取决于基础本身的强度,同时也取决于地基土的稳定性能。

我们在进行地基与基础的可靠性分析时,其地基于基础难于通过实测值进行统计分析,只能利用结构设计中的各项参数,计算所能承受的实际最不利荷载。

进行可靠性分析的基本假定:

（1）基础强度与地基稳定的可靠性取决于其最不利的破坏模式；

（2）假定各种破坏模式之间不存在相关性。

1.6.1地基稳定可靠度

地基稳定破坏包括承载力破坏、倾覆破坏、滑移破坏以及不均匀沉降四种破坏模式。

1.6.1.1承载力破坏的稳定问题

建立地基稳定承载力破坏的极限状态方程

其中fμ为地基的极限承载力Nc,Nq,Np为承载力系数B,D为基础的宽度与埋深;

γ为基础底面下土的重度,γ0为基础底面以上各土层的加权平均重度;

C为粘聚力;

∑M为基础上作用的实际弯矩之和;

∑N为基础上作用的实际竖向力之和;

W为基础底面的截面抵抗矩;

k为承载力安全系数。

确定参数后可得可靠指标:

1.6.1.2倾覆破坏的稳定问题

地基如果不合适会产生倾覆破坏,地基的倾覆破坏取决于作用在其上的倾覆力矩和抗倾覆力矩。

抗倾覆力矩主要由结构的自重产生,倾覆力矩以及水平力产生

建立极限状态方程为:

Z=∑Mk-∑Mq

∑Mk为抗倾覆力矩之和;

∑Mq为倾覆力矩之和

地基稳定指标计算公式为

1.6.1.3滑动破坏的稳定问题

滑动破坏一般与地基和基础接触面的受力有关,其公式可根据下图1得到

图1滑动破坏示意图

f为基础与地基间的摩擦系数，W,E分别为由外荷载产生的竖向力和水平力

采用安全系数评价公式为

1.6.1.4不均匀沉降的稳定问题

地基基础的不均匀沉降是以其最大、最小的压应力比值来控制的.[12]

公式为

η为地基应力不均匀系数;

[η]为地基应力不均匀系数的允许值,对于砂土为1.5粘土为1.2

极限状态方程为

Z=[η]-η

用安全系数计算为K4=η/[η]

1.6.2基础抗滑强度的可靠性

要计算基础的可靠性,我们必须了解基础的破坏模式,它的破坏模式有弯曲破坏和受压破坏,假定两者相互独立,则基础的评估指标取其最小值。

了解这些可建立极限状态方程

其中Mj为基础的极限抗弯强度As为基础底版每米板宽的配筋面积;

h0为基础的有效高度,fy为钢筋的屈服强度MQ为由外荷载产生的弯矩值,

以安全系数衡量基础的抗弯承载力为K1=Mj/MQ

2钢筋混凝土桥梁的耐久性评估

混凝土是通过用水泥、砂、石子和水按照一定配合比拌制而成的。

它是现代建筑运用的一种很好的建筑材料。

它一向被认为是耐久的建筑材料,但是近年来发现的由于结构耐久性不足而产生的各种病害,以及由此而导致人民生活及工农业生产受到严重影响和结构维护加固费用的急剧增加,使得人们对混凝土耐久性的认识有了改变。

混凝土的耐久性降低一部分是因为人为的因素造成的,有的是因为周边环境恶劣或当地的自然经济条件影响的。

因此对高质混凝土的开发和利用是很有价值的。

混凝土结构的耐久性是指对气候作用、化学侵蚀、物理作用或其他破坏过程的抵抗能力。

耐久的混凝土结构暴露于使用环境时,具有保持原有形状,质量和适用性的能力,不会由于混凝土严重破坏而影响结构使用寿命。

2.1钢筋混凝土桥梁耐久的评估方法

钢筋混凝土的耐久性受气候、化学侵蚀、物理作用或其他破坏过程等因素的影响很大。

所以对钢筋混凝土的耐久性评估是一个非常复杂的问题，影响耐久性的因素自身表现出一定的随机性,在与耐久性的关系上又表现出一定的模糊性;

而且表征耐久性失效的许多信息是不清楚的,有些信息的采集也是不完整的。

经过许多人的研究和探索最终得到一种方法就是对钢筋混凝土的耐久性进行模糊评估。

模糊综合评估法是模糊集合论为理论基础,应用模糊关系合成原理,从许多个因素对评估事物隶属等级状况进行综合性评估的一种方法。

2.2钢筋混凝土桥梁耐久性的模糊综合评估

2.2.1上部钢筋混凝土承重部件的耐久性评估

对于钢筋混凝土桥梁的承重部件,影响耐久性的因素很多,在进行耐久性评估时着重考虑钢筋锈蚀,混凝土炭化,氯离子（

）侵蚀,裂缝混凝土的损伤。

混凝土的质量因素的影响。

2.2.1.1钢筋锈蚀

钢筋长时间暴露于空气中。

由于H2O及有害杂质的侵蚀它将出现锈蚀，从而使钢筋不能保证它应有的强度。

钢筋锈蚀导致钢筋混凝土结构耐久性失效和破坏的主要因素。

但钢筋锈蚀，它将会产生许多危害，主要表现在钢筋面积减小，导致承载力降低，影响结构的安全性;

钢筋锈蚀导致钢筋与混凝土之间的粘结力下降，锚固性能降低；

钢筋锈蚀后体积膨胀，导致混凝土保护层产生沿钢筋方向的纵向裂缝，严重时会造成保护层大面积剥落，不仅严重影响结构的安全性，而且还给人们的心理带来难于承受的压力；

钢筋锈蚀后会造成钢筋的延性降低，严重时会导致构件的突然断裂。

所以钢筋锈蚀，会严重影响混凝土结构的耐久性，我们必须加以重视。

由于构件中的钢筋一般出于混凝土的包裹中，在现场直接测量其锈蚀面积相当困难，因而目前采用半电池法测量钢筋的自然电位以判断钢筋的锈蚀状态。

根据所测电位，取钢筋电位水平作为钢筋锈蚀影响的分级指标，按照模糊划分的原则确定分级隶属函数如下：

2.2.1.2混凝土碳化

混凝土当中含有Ca（OH）.2的成分。

它会与空气中的CO2反应。

长期处于空气中的混凝土结构，Ca（OH）2会与渗透进混凝土中的CO2和其他酸性气体如SO2、H2S等发生化学反应过程。

碳化的实质是混凝土的中性化。

混凝土的碳化能降低混凝土的PH值，碳化后的PH值一般为８－９，这样一来混凝土将失去对钢筋的保护作用，钢筋的钝化保护膜开始锈蚀。

混凝土发生碳化后，混凝土的表面将变的疏松，强度低，其表面耐磨损性能差。

一般认为，当混凝土碳化深度超过混凝土保护层厚度时，混凝土的抗碳化能力达到极限。

取相对碳