钢筋混凝土梁桥养护决策理论研究

第1章 绪论 1.1 桥梁养护现状 构建四通八达的交通网，少不了桥梁，桥梁是交通线上必不可少的跨越障碍物的结构。桥梁结构往往造价很高，一般能占到公路总造价的15%左右，而对于山区桥梁，这个数字还远远不够。桥梁也是国家实力的一种体现，对于国家、社会和个人来说都意义重大。桥梁结构能够连接两岸各地，促进各地区的文化、经济交流，同时也能够加强国家的国防力量。 每个国家基础工程建设的历程都是相似的，国家基础建设的历程可分为三个阶段，首先是大规模建设期，其次是新建与维修养护期，*后是维修养护期。如果按照上述分类，我国目前的基础建设就处于大规模建设期的*后阶段，而且即将迈入新建与维修养护期。新中国成立以来，我国大力发展基础建设，取得了不错的成绩。单从桥梁建设而言，我国公路桥梁总数量就不少于75.71万座，总计长不少于7.89万米。 在已建桥梁中，有很大一部分桥梁已经服役了几十年，而且正在逐渐步入病害多发期。更有甚者，有些桥梁仅仅使用了十几年、二十几年便不得不面临维修，甚至大修。据不完全统计，我国公路网中，危桥数量已经不少于7.96万座，超过了已建桥梁总数的1/10。而我国发生的在役桥梁垮塌事故也是触目惊心，据相关统计，2007～2011年之间，全国至少有17座桥梁发生垮塌事故。近些年这些事故更是不少，如2015年6月19日粤赣高速广东河源城南出口的匝道桥突然垮塌，造成1死4伤的悲剧；2015年12月26日黑龙江省齐齐哈尔市富裕县塔哈河大桥坍塌，导致桥上大货车坠落到桥下的冰面上起火，如图1.1和图1.2所示。 这些桥梁坍塌事故往往是桥梁损伤退化积累到一定程度造成的，随着桥龄的增长，桥梁退化是不可避免的。除了自然因素外，还有其他方面的原因。主要有：我国经济增长过快，直接导致了交通量、车辆荷载的增加，再加上人为的超载以及原来设计的桥梁荷载标准偏低，桥梁承载能力不够，加快了桥梁的退化；还有一点是，桥梁后期的维修养护不够科学，养护资金缺乏，养护技术不够先进，以至于在役桥梁在出现病害或损伤后得不到科学及时的维修养护，造成桥梁病害越来越严重，桥梁功能逐渐下降。 图1.1 广东河源匝道桥垮塌 图1.2 黑龙江塔哈河大桥坍塌 要防止类似的惨痛经历，必须防患于未然。桥梁事故所引起的惨痛教训让工程界认识到，桥梁的安全问题已经成为全社会关注的重点问题，它不单单是建设期间的质量安全问题，更与其服役期间的养护维修管理息息相关。公路桥梁建设的首要目标是安全，其次是畅通，高效益以及低成本。要实现这一目标，就要求在桥梁建设的过程中精益求精，严把质量和安全关；在桥梁竣工服役期间，要加强桥梁的日常管理与维护，预防病害的发生，一旦发现桥梁病害或缺陷，及时加固根治，以防病害加重，保证桥梁安全有效的运营，维持桥梁自身高效的服务水平和通行能力。 桥梁维修管理规划和决策不科学，缺乏合理的规划，对桥梁结构耐久性的问题不够重视。*常见的问题是对混凝土细小裂缝，混凝土碳化和氯离子引起的钢筋锈蚀等不够重视，导致结构破坏*常见的原因就是混凝土碳化和钢筋锈蚀的积累。混凝土结构的耐久达不到预期功能，必须在后期的养护中得到重视。加强桥梁养护管理，重视结构耐久性问题，发现病害及时维修，才是科学的策略。 我国交通事业在过去发展迅猛，已建桥梁基数大，在未来亟待维修养护的桥梁数量也会不断增多。目前我国政府对于交通事业的投资，主要还是集中在新建项目上。对于已建项目的维修养护，所分得的资源相当有限，这会给桥梁维修养护工作带来巨大的压力。如何合理地利用养护资金，使有限的资源在桥梁维修管理中发挥出*大的效益；如何制定科学合理的桥梁维修养护方案，保证桥梁安全；如何降低桥梁退化速率，延长结构寿命，是桥梁养护任务的核心。 桥梁维修优化需要考虑的因素较多，如桥梁可靠度与桥梁状况指标、桥梁失效以及维修成本。鉴于在养护维修优化中各成本是互相制约的，因此在确定维修养护方案的时候要统筹考虑。随着数学、运筹学与数学建模、经济学等相关学科的快速发展，计算机技术和优化技术等的日渐完善，利用计算机技术解决各种优化问题越来越方便、快捷、可操作。桥梁维修优化涉及多个学科，因此导致其优化方法多种多样。不同的维修优化方法，其各自的侧重点不一样，优缺点也不尽相同，也都有各自的适用范围。 目前在役的桥梁普遍存在病害严重、耐久性低、使用寿命短、使用性能差等诸多问题。旧桥的维修养护、加固改造等问题已经给桥梁管理部门和桥梁养护部门带来了巨大的压力，包括沉重的工作任务以及经济负担。同时在这些旧桥的维修加固改造过程中，也难免会增加桥梁安全事故发生的风险。有可能造成财产损失，甚至危及人员安全，对社会造成不良的影响和恐慌。为了缓解旧桥维修加固改造的压力，发展和研究桥梁维修优化是很有必要的。 桥梁维修优化，是将理论研究运用到实际工程中去的问题。除了桥梁工程方面的知识外，还需要运用经济学的原理和一些计算机技术，需要统筹兼顾。研究的目的是寻求桥梁维修优化的可用方法，主要是对维修方法和时机加以优化，为合理地制定桥梁维修方案奠定基础。 1.2 可靠度分析在桥梁实际工程中的应用 混凝土桥梁是我国非常普遍的一种桥型。钢筋混凝土桥梁从属于钢筋混凝土结构的范畴，钢筋混凝土结构因其受力性能好、取材方便、耐久性好、可模性好等优点已成为土木工程桥梁中应用*广的一种结构形式。国内外已经有很多桥梁工程师和桥梁养护者对桥梁养护维修优化和桥梁全寿命养护维修优化的问题做了很多研究工作，取得了许多研究成果。目前钢筋混凝土结构是实际工程中应用*多的一种结构形式，钢筋混凝土桥梁结构便是隶属于钢筋混凝土结构。随着桥梁服役时间的不断增加，其可靠性水平会越来越低，有关其是否安全可靠，是否满足使用功能等一系列问题已经引起了世界各国的广泛关注。在可靠度、全寿命成本、桥梁维修优化等相关理论和方法的问题上许多国内外专家学者通过大量的探索和研究，取得了显著的成果。 桥梁可靠度即结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的概率。可靠度理论*早应用在电子工业。随着可靠度理论的不断发展，经典的结构可靠度理论被越来越多的工程师接受。但是，结构可靠度理论却没有在实际工程中广泛应用，这主要还是因为基于概率理论的结构设计方法比传统的确定性的设计方法要麻烦得多。为了解决这些问题，许多学者进行了大量的研究。Lind等(1964)在确定结构的安全度和造价时采用了一种迭代的过程，通过寻求荷载和抗力系数的*优值来解决结构的设计问题。Cornell(1968)将结构可靠度指标β作为结构安全度的一种定量度量，提出了中心点法并建立比较系统实用的一次二阶矩设计方法，至此结构可靠度理论成功地实现了实用的目的。 1969年召开了**届国际结构安全与可靠性会议(International Conference on Structural Safety and Reliability，ICOSSAR)，成为*具影响的国际会议之一。在二十世纪七八十年代，结构可靠度理论被各国的规范、标准相继采用。1982年创办了国际刊物Structural Safety，各国陆续以结构可靠度为理论基础对各类结构设计规范进行了修订。 20世纪80年代以后，可靠度理论在复杂结构系统中的分析和计算蓬勃发展，并成为结构工程中的热点。Hohenbichler和Rackwitz(1983)在结构系统的可靠度分析中首次给出了一阶矩概念，在研究问题时采用区间概率分析理论研究得出了结构系统失效概率的计算方法。由于结构在不同的破坏水平下其极限状态亦不同，Galambos(1990)提出了采用系统系数的系统可靠度分析和结构设计方法。Cornell(1968)等采用重要抽样技术，利用蒙特卡罗(Monte Carlo)法计算结构系统的可靠度。Engelund和Rackwitz(1993)提出了计算结构系统可靠度中条件积分的应用问题。Ditlevsen等(1990)在分析结构系统可靠度的一般界限时采用了上、下界技术。赵国藩(2004)在结构系统可靠度的计算中给出了一种新的点值估算方法。Vanmarcke(1983)在对结构系统可靠度进行分析时利用了随机有限元法和随机边界元法。 1.3 寿命成本分析在桥梁实际工程中的应用 桥梁一共需要经历三个阶段的生命周期过程：施工阶段、服役阶段和老化维修阶段，而桥梁的寿命成本则是指在桥梁的生命周期内为了建造和维护桥梁功能所需要花费的所有费用的总和。 寿命周期成本(life-cycle cost，LCC)*早是由美国军方在1965年提出，目的是用于军事器材的采办，之后才在民用企业得到广泛应用。到了20世纪80年代，寿命周期成本方法在各个领域都有了一定的研究和应用，并且在道路交通行业也开始应用，随后人们逐渐开始对建设项目的全寿命成本优化进行研究，美国率先对道路、桥梁等基础设施提出了“全寿命周期成本分析”(total life-cycle cost analysis)。进入90年代，一些国家正式将全寿命周期成本分析写入国家交通基础设施相关规范和手册中，全世界大概有20多个国家或地区运用了全寿命周期成本分析方法。 运用全寿命周期成本分析方法不仅要考虑初建成本和设计成本，还要考虑在服役期的检测、养护、维修以及改建等费用，将“未来的成本”折现成“今天的钱”，也就是桥梁在其服役阶段所需的净现值。也就是说不管是在桥梁坏了后再修还是事先就进行防御都要对其采取的措施进行经济预算和对比。为了避免因短时间的不良行为给往后的经营带来巨大的经济损失和麻烦，桥梁的建设单位必须对桥梁的全寿命周期安全负责。ISO标准将全寿命周期成本分析定义为工程项目费用的评估方法，目的在于对实现寿命目标的不同措施进行优选和对比。美国联邦公路局(Federal Highway Administration，FHWA)对全寿命周期成本分析的核心效用进行阐述，即在寿命周期之内稳定、安全使用基础上，使得综合性支出成本*小化，达到技术安全可靠，经济科学合理。 近年来，对于桥梁的全寿命周期成本分析已经有了非常多的研究，Frangopol(1999)指出桥梁寿命周期成本包括设计成本、施工成本、检测成本、预防性维护成本、完全性维护成本、改造和失效成本等，并且提出了效益桥梁管理方法，这种方法结合了可靠度和寿命周期成本方法。Kong和Frangopol(2003)在求基于寿命周期的概率维护成本时采用了改良事件树的分析方法，并在分析服役的桥梁的维护成本时提出了要同时考虑维护方案对于成本的影响以及维护成本与结构性能提高之间的关系。国家公路合作研究计划(National Cooperative Highway Research Program，NCHRP)详细地阐述了全寿命周期成本构成(包含机构成本、用户成本和第三方成本)，并对每种成本构成进行细部划分。Singh和Tiong(2005)在对全寿命周期成本构成(包括机构成本、用户成本、事故成本和其他额外成本)的分析中提出了用户成本的计算模型。日本学者Asko(2002)针对生态和环境、混凝土材料、结构耐久性设计对工程全寿命设计进行了研究，并研究了桥梁全寿命周期相应的成本优化问题。Mori和Ellingwood(1993)通过研究混凝土结构的检测维修等行为对其本身性能的影响，提出了在进行结构检测维护的方案的选择时要同时考虑可靠度不能低于限制以及寿命周期成本*小。Cady(1983)提出在研究寿命周期成本分析时要考虑折现率的影响并给出了折现率的合成模型。Wen(2001)主要对处于灾难危害下的结构进行了全寿命周期成本的优化。Hassanain和Loov(2003)对钢筋混凝土桥梁构件和体系的全寿命周期成本优化进行了详细的阐述。Liu等(1997)在对桥梁进行维修策略优化时综合考虑了寿命周期维护成本和维护桥面板性能措施的加权。Lee和Chang(2003)以桥梁全寿命周