高速公路改扩建工程中既有桥梁可用性评判方法与流程

1.本发明涉及桥梁结构延寿技术领域。更具体地说，本发明涉及一种高速公路改扩建工程中既有桥梁可用性评判方法。


背景技术：

2.随着沿线社会经济的快速发展，高速公路交通量增长迅猛，国内早期建设的部分路段已经达到或接近饱和状态，服务水平严重下降，现状通行条件无法适应其重要的路网地位及未来交通需求的发展要求，亟需进行改扩建。桥梁是交通网的关键节点，在高速公路改扩建工程中既有桥梁已服役多年，经过多年的超负荷运营，既有桥梁结构性能劣化，大量桥梁结构的服役性能和耐久性能普遍降低。由于环境因素复杂、自然灾害频发、超载超限服役、维养技术落后、早期建设技术有限等因素，大量理论上处于设计寿命中期甚至早期的桥梁结构提前“老龄化”。有些老桥虽然看起来总体技术状况表现良好，但是局部可能存在一定的安全隐患或已基本接近耐久极限状态。在有些改扩建工程中，为保障桥梁结构体系服役性能协调一致，统一对线路中老桥全部拆除重建，老桥的可持续利用价值没有得到发挥，造成重大资源浪费，不符合绿色环保发展理念。既有桥梁有很多是可以通过一些延寿措施达到与新建桥梁相一致的使用寿命的，但缺少一种合理的评判方法。还有一些改扩建工程中对表观状况较好的既有桥梁直接利用，仅以桥梁当时的表观技术状况和承载力作为依据即判断该桥梁可继续使用，但结构材料内部劣化情况不做分析，在后期却发现桥梁的劣化过程迅速，比如保护层过薄导致碳化到钢筋表面后出现大面积的腐蚀，维护成本大大增加，该情况下拆除重建比直接利用更具经济性。改扩建过程中如何采用“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念，对高速公路改扩建工程中既有桥梁的可继续使用性做出合理评判、制定延寿准则并采取针对长效的延寿措施，使其与新建桥梁具有一致的耐久性和安全性，是实施工程改扩建所面临的重要难题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种高速公路改扩建工程中既有桥梁可用性评判方法，其对桥梁耐久性提出定性(外观耐久状态)和定量(剩余耐久年限)相结合，充分考虑了桥梁当下的安全状态和将来的耐久性状况，既考虑了结构构件耐久性劣化的外观表征，又体现了结构材料内部劣化过程，标本兼具，评价内容全面，使改扩建工程中桥梁的再利用具备了更充分的安全保障，耐久性的评价可保障桥梁在后期运营中长期的安全性能。
4.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高速公路改扩建工程中既有桥梁可用性评判方法，包括：
5.步骤一、对高速公路改扩建工程中既有桥梁进行技术状况与承载能力评定，对于技术状况等级评为3类、4类和5类的桥梁，以及评为1类和2类但承载能力不满足要求的桥梁，不建议在改扩建工程中继续使用；
6.步骤二、对于评为1类和2类且承载能力评定为满足要求的桥梁，划分主体结构构
件类别，计算任一主体结构构件类别的外观耐久状态的分值，达到阈值范围则不建议在改扩建工程中继续使用。
7.优选的是，步骤二中，任一主体结构构件类别划分多个耐久性评定单元，评定每个耐久性评定单元的外观耐久状态的等级，并确定对应的外观耐久状态的分值，以获得每个主体结构构件类别的外观耐久状态的分值：
[0008][0009]
其中，a为任一主体结构构件类别的外观耐久状态的分值；
[0010]ai
为该主体结构构件类别中某一耐久性评定单元的外观耐久状态的等级对应的分值；
[0011]
ni为该主体结构构件类别中相同分值的耐久性评定单元数量；
[0012]
n为该主体结构构件类别划分的耐久性评定单元数量。
[0013]
优选的是，任一主体结构构件类别的外观耐久状态的分值未达到阈值范围时，分别评定该主体结构构件类别中每个耐久性评定单元，若该耐久性评定单元的剩余耐久年限不小于设计使用年限，则该耐久性评定单元建议在改扩建工程中继续使用。
[0014]
优选的是，计算任一主体结构构件类别的每个耐久性评定单元的寿命系数和可用寿命系数，
[0015]ky
≥1时，该耐久性评定单元在改扩建工程中可继续使用；
[0016]
时，该耐久性评定单元在改扩建工程中可延寿使用；
[0017]
时，该耐久性评定单元在改扩建工程中不宜继续使用；
[0018]
其中，ky为寿命系数，为可用寿命系数；
[0019][0020]
其中，te为耐久性评定单元的剩余耐久年限；
[0021]
t为改扩建工程的目标使用年限；
[0022][0023]
其中，t
0i
为第i类延寿技术的有效保障年限；
[0024]
mi为实施某一类维护措施的数值；
[0025]
j为改扩建工程的目标使用年限内对既有桥梁拟采取的维护措施类型的数量；
[0026]
j值和mi值应满足：
[0027][0028]
其中，c
0i
为第i种维护措施的造价；
[0029]cr
为拆除重建的造价。
[0030]
优选的是，一般大气环境下的混凝土桥梁，计算耐久性评定单元的剩余耐久年限te时，以碳化深度到达钢筋表面作为耐久性极限状态：
[0031][0032][0033]
其中，c为钢筋保护层厚度；
[0034]
t0为桥梁已运营时间；
[0035]
kc为碳化系数；
[0036]
d为混凝土碳化深度。
[0037]
优选的是，海洋环境中受氯离子侵蚀的混凝土桥梁，计算耐久性评定单元的剩余耐久年限te时，以钢筋表面氯离子浓度到达锈蚀临界值作为耐久性极限状态：
[0038][0039][0040]
其中，kd为氯离子侵蚀系数；
[0041]
d为混凝土中氯离子扩散系数；
[0042]
erf-1
为误差函数的反函数；
[0043]ccr
为氯离子临界浓度；
[0044]
γs为氯离子表面浓度系数；
[0045]cs
为表面氯离子浓度；
[0046]
d值和cs值应满足：
[0047][0048]
其中，c
x,t
为龄期t时在x深度处的氯离子浓度；
[0049]
c0为混凝土中初始氯离子浓度；
[0050]
erf为误差函数；
[0051]
x为距离结构表面的深度。
[0052]
本发明至少包括以下有益效果：
[0053]
第一、本发明在评判改扩建中既有桥梁的可用性过程中，在现有技术规范的基础上，提出了“技术状况等级”【《公路桥梁技术技术状况与承载能力评定标准》(jtg/th21-2011)】、“承载能力要求”【《公路桥梁承载能力检测评定规程》(jtg/t j21-2011)】、“耐久性状况”三层逐级评判的方法，充分考虑了桥梁当下的安全状态和将来的耐久性状况，使改扩建工程中桥梁的再利用具备了更充分的安全保障，耐久性的评价可保障桥梁在后期运营中长期的安全性能；
[0054]
第二、本发明对桥梁耐久性提出了定性(外观耐久状态)和定量(剩余耐久年限)相结合的耐久性评价方法，既考虑了结构构件耐久性劣化的外观表征，又体现了结构材料内部劣化过程，标本兼具，评价内容全面，目前与国内外现行相关评价方法相比，在评定方法
方面是非常先进的；
[0055]
第三、本发明为既有桥梁的科学合理处置提供了依据，以改扩建中既有桥梁运营安全性为前提，以既有桥梁和新建桥梁长期性能与使用寿命相一致为目标，以桥梁长期维护的经济合理性为判定标准，充分考虑经济合理性与扩大既有桥梁利用价值，以最低代价保障既有桥梁结构在改扩建以后的目标使用年限内安全合理使用，支撑保障改扩建工程的服役安全可靠性、绿色环保性和可持续发展能力，保障既有桥梁与新建桥梁长期性能与使用寿命相一致。
[0056]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
[0057]
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0058]
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0059]
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0060]
高速公路改扩建工程中既有桥梁可用性评判方法，包括：
[0061]
步骤一、根据《公路桥梁技术技术状况与承载能力评定标准》(jtg/t h21-2011)，对高速公路改扩建工程中既有桥梁进行技术状况与承载能力评定，对于评为1类和2类的桥梁，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(jtg/t j21-2011)进行桥梁承载能力评定，对于技术状况等级评为3类、4类和5类的桥梁，以及评为1类和2类但承载能力不满足要求的桥梁，不建议在改扩建工程中继续使用；
[0062]
步骤二、对于评为1类和2类且承载能力评定为满足要求的桥梁，根据构件的截面形式、受力特点和建造材料等划分主体结构构件类别，主体结构包含多个构件类别，比如桥墩结构，可以包含墩帽构件类别、墩柱构件类别等，计算任一主体结构构件类别的外观耐久状态的分值，达到阈值范围(例如大于3)则不建议在改扩建工程中继续使用。
[0063]
步骤二中，任一主体结构构件类别划分多个耐久性评定单元，根据环境条件和表观特征等划分耐久性评定单元，同一构件类别中环境作用效应、材料性能和表观特征基本一致的构件作为一个耐久性评定单元，例如，墩柱构件类别，共有5个墩柱，其中3个有锈蚀开裂，2个完好，那就可以根据表观的病害特征分成两个耐久性评定单元，对耐久性评定单元内的构件开展桥梁外观耐久状态检测，评定每个耐久性评定单元的外观耐久状态的等级，并确定对应的外观耐久状态的分值，耐久性评定单元外观耐久状态等级对应的分值应按表1的规定取值，
[0064]
表1
[0065]
外观耐久状态等级iaiiaiiiaiva
对应分值1234
[0066]
以主体结构构件类别外观耐久状态作为一级评判指标，获得每个主体结构构件类别的外观耐久状态的分值：
[0067][0068]
其中，a为任一主体结构构件类别的外观耐久状态的分值；
[0069]ai
为该主体结构构件类别中某一耐久性评定单元的外观耐久状态的等级对应的分值；
[0070]
ni为该主体结构构件类别中相同分值的耐久性评定单元数量；
[0071]
n为该主体结构构件类别划分的耐久性评定单元数量。
[0072]
任一主体结构构件类别的外观耐久状态的分值未达到阈值范围(例如小于等于3)时，该主体结构构件类别评为甲类，甲类中的构件需要进行评判是否可用，当桥梁主体结构构件类别的外观耐久状态分值达到阈值范围(例如大于3)时，该主体结构构件类别评为乙类，乙类中的构件不建议继续使用，如表2所示，甲类中的构件需要分别评定该主体结构构件类别中每个耐久性评定单元，若该耐久性评定单元的剩余耐久年限不小于设计使用年限，则该耐久性评定单元建议在改扩建工程中继续使用。
[0073]
表2
[0074]
一级指标分值≤3》3一级指标评价甲类乙类可用性说明进行二级评定不建议继续使用
[0075]
由于既有桥梁结构的实际耐久年限不仅与其本身的剩余耐久年限有关，还与其使用期间采取的维护措施有关，且剩余耐久年限是否满足要求尚与目标使用年限有关。因此，综合考虑服役期间的维护状况和目标使用年限内，引入寿命系数的概念来更好地衡量改扩建工程既有桥梁结构剩余耐久年限的可用性。
[0076]
对于甲类中的构件，其中各个耐久性评定单元需要根据剩余耐久年限和使用期间拟采取的维护方式，采用二级评价指标-寿命系数进行判定，甲类中的构件需要采用寿命系数进行评判是否可用，计算任一主体结构构件类别的每个耐久性评定单元的寿命系数和可用寿命系数，
[0077]ky
≥1时，该耐久性评定单元在改扩建工程中可继续使用；
[0078]
时，该耐久性评定单元在改扩建工程中可延寿使用；
[0079]
时，该耐久性评定单元在改扩建工程中不宜继续使用。
[0080]
其中，ky为寿命系数，为可用寿命系数；
[0081][0082]
其中，te为耐久性评定单元的剩余耐久年限，通过耐久性检测评定确定；
[0083]
t为改扩建工程的目标使用年限，可以是设计使用年限，也可以是改扩建工程管理者期望的使用年限，由改扩建工程管理者根据实际情况确定；
[0084][0085]
其中，t
0i
为第i类延寿技术的有效保障年限，根据延寿技术具体确定；
[0086]
mi为实施某一类维护措施的数值，根据维护措施实施的难易程度，按表3拟定；
[0087]
j为改扩建工程的目标使用年限内对既有桥梁拟采取的维护措施类型的数量，由改扩建工程管理者根据改扩建工程实际运营情况和技术发展水平预先拟定；
[0088]
表3
[0089][0090]
j值和mi值应满足：
[0091][0092]
其中，c
0i
为第i种维护措施的造价；
[0093]cr
为拆除重建的造价；
[0094]
通过式iv对改扩建中既有桥梁的再利用进行经济性判别与限制。
[0095]
从式iii可以看出，可用性寿命系数与下列因素有关：
[0096]
1)改扩建工程目标使用年限t：改扩建工程目标使用年限t越大，可用性寿命系数需要相应增大。即：对改扩建工程中桥梁正常使用年限要求时间越长，既有桥梁构件的可用性寿命系数就越大，既有桥梁要继续使用需具备的剩余耐久年限要求就越长。
[0097]
2)单次延寿的有效保护年限t
0i
：当单次延寿的有效保护年限t
0i
越长时，可用性寿命系数可以相应减小。即：延寿技术越有效，既有桥梁要继续对其剩余耐久年限的要求则越低，既有桥梁可用性提高。相反，可用性寿命系数则需要加大，既有桥梁可用性降低。
[0098]
3)某一类维护措施的拟实施数量mi：维护措施的拟实施数量，在满足式iv经济性要求的情况下，与其施工难易程度相关。施工包括对原结构构件的处理和维护措施的实施。如，结构表面涂层，在大气区构件维护中实施难度可认为是中等，但是对于水位变动区、浪溅区构件的实施则非常困难；第一次实施相对较为容易，第二次实施时，由于要去除掉第一次实施的失效的涂层，施工则较为困难。通常情况下，结构性和表层处置同类措施的次数不宜超过2次。
[0099]
4)改扩建工程目标使用年限内对既有桥梁拟采取的维护措施类型数量j：在目标使用年限内，在满足式iv经济性要求的情况下，可采取和拟采取的延寿技术措施越多，可用性寿命系数越小，既有桥梁要继续对其剩余耐久年限的要求则越低。
[0100]
根据当前维护技术的研究成果，分别以目标使用年限t为50年和100年为例，计算当前常用延寿方式的可用性寿命系数，见表4。新建和延寿的费用与各地的经济发展情况、
桥梁所处环境条件、桥梁结构型式等有关，实际工程判断时也可根据工程具体情况确定，按照本发明给出的评判方法进行计算寿命系数。根据现有技术水平，本发明在寿命系数计算时采用的常用延寿措施的经济造价取值如下：
[0101]
1)新建桥梁费用
[0102]
预应力小箱梁，5000元/平米；
[0103]
预应力t梁，6000元/平米；
[0104]
空心板梁，5000元/平米；
[0105]
墩柱，2000元/平米(直径2米)
[0106]
2)拆除费用：600元/平米；
[0107]
3)延寿措施费用：
[0108]
①
防护涂层，10年，第一次150元/平米，第二次起(150 150)元/平米；
[0109]
②
硅烷浸渍，15年，300元/平米；
[0110]
③
粘贴碳纤维布，20年，900元/平米；第二次起(900 900)元/平米；
[0111]
④
电化学防护 渗透型阻锈剂，20年，2000元/平米
[0112]
⑤
加大断面防护，30年，3000元/平米；
[0113]
不同延寿措施和目标使用年限对应的可用寿命系数如表4所示。
[0114]
表4
[0115]
[0116][0117]
对于可用寿命系数的选择，可采用延寿费用最小、延寿年限最长等原则。采用延寿费用最小原则时，主要受限于改扩建工程运营期间维护费用，此时对于既有结构剩余耐久年限的要求比较高；采用延寿年限最长原则，主要是考虑对既有结构进行充分利用，但是运营期间需要花费较高的维护费用、并有可能影响到结构的正常使用。
[0118]
式ii计算耐久性评定单元的剩余耐久年限te考虑两种环境下的混凝土桥梁：
[0119]
1)一般大气环境下的混凝土桥梁，计算耐久性评定单元的剩余耐久年限te时，以碳化深度到达钢筋表面作为耐久性极限状态，混凝土受空气中二氧化碳的作用而发生碳化，碳化深度与时间的0.5次方成正比，利用此规律即可求出碳化到达钢筋表面的时间：
[0120][0121][0122]
其中，c为钢筋保护层厚度；
[0123]
t0为桥梁已运营时间；
[0124]
kc为碳化系数；
[0125]
d为混凝土碳化深度。
[0126]
2)海洋环境中受氯离子侵蚀的混凝土桥梁，计算耐久性评定单元的剩余耐久年限te时，以钢筋表面氯离子浓度到达锈蚀临界值作为耐久性极限状态，海洋环境中氯离子向混凝土内扩散为非稳态扩散，扩散规律符合菲克第二定律：
[0127][0128][0129]
其中，kd为氯离子侵蚀系数
[0130]
d为混凝土中氯离子扩散系数(mm2/a)；
[0131]
erf-1
为误差函数的反函数；
[0132]ccr
为氯离子临界浓度(％，占混凝土质量)，根据钢筋实际锈蚀状况取值，浪溅区和水位变动区取0.6％，大气区取0.2％～0.45％；
[0133]
γs为氯离子表面浓度系数，角部取1.2，非角部取1.0；
[0134]cs
为表面氯离子浓度(％，占混凝土质量)；
[0135]
海洋环境中的氯离子向混凝土内的扩散可由菲克第二定律表示，对桥梁混凝土取样测得表层约10cm内的逐层氯离子含量，通过式viiii将未知系数“混凝土中氯离子扩散系数d”和“混凝土表面氯离子浓度c
s”拟合得出，d值和cs值应满足：
[0136][0137]
其中，c
x,t
为龄期t时在x深度处的氯离子浓度(％，占混凝土质量)；
[0138]
c0为混凝土中初始氯离子浓度(％，占混凝土质量)；
[0139]
erf为误差函数；
[0140]
x为距离结构表面的深度(mm)。
[0141]
以上计算过程中对“混凝土中氯离子扩散系数d”和“混凝土表面氯离子浓度c
s”的求解较为复杂，此为评估海洋环境下混凝土桥梁剩余耐久年限的关键，发明人设计了计算程序对该未知数进行求解。程序由pyhton语言编写，程序如下：
[0142]
[0143][0144]
对本技术的方法进行经济效益的验证：
[0145]
通过本发明方法对某线路改扩建工程中的一座处于一般大气环境的桥梁进行可
用性评判。
[0146]
该桥经技术状况评定【《公路桥梁技术状况评定标准》(jtg/t h21-2011)】、承载能力评定【《公路桥梁承载能力检测评定规程》(jtg/t j21-2011)】，其技术状况等级为2类，承载力满足要求。
[0147]
按照步骤二，根据构件的截面形式、受力特点和建造材料等划分主体结构构件类别，进而根据环境条件和表观特征等划分构件耐久性评定单元，同一构件类别中环境作用效应、材料性能和表观特征基本一致的构件作为一个耐久性评定单元。
[0148]
经外观耐久性检测评定，得出桥梁每个主体结构构件类别的外观耐久状态的分值均小于3，一级指标评价为甲类，进行二级评价。
[0149]
通过检测相关参数评估各耐久性评定单元的碳化剩余耐久年限。目标使用年限为50年，以此得到寿命系数k，见表5。
[0150]
表5
[0151][0152]
通过计算，在该改扩建线路该桥梁中主梁结构中中梁单元寿命系数k》1，可直接使用。其他评定单元需进行延寿处治后方方可继续使用。结合表4的延寿措施，对需延寿的单元进行延寿，可保障年限与可用寿命系数如表6所示。
[0153]
表6
[0154][0155][0156]
对于空心板梁桥，主梁结构的新建费用约为5000元/平米，墩柱结构的新建筑费用约为2000元/平米(直径2米)，拆除费用为600元/平米。经过相应延寿措施，主梁结构中边梁单元延寿费用为150元/平米，明显低于主梁结构拆除重建费用。墩柱结构中盖梁、墩柱延寿措施费用均为450元/平米，明显低于墩柱结构拆除重建费用。
[0157]
综上，在目标使用年限为50年的情况下，进行延寿处置的费用明显低于拆除重建
费用，故该桥梁建议通过采取相应延寿措施后继续使用，为给扩建中既有桥梁的处置给出了合理分析，避免了资源的浪费。
[0158]
若目标是用年限为100年，则各评定单元的寿命系数k如表7所示。以现有技术措施难以实现将可用寿命系数控制在0.3以下，且费用将大大增加，该情况下则不建议该桥梁继续使用。
[0159]
表7
[0160][0161]
以上分析为本发明的一个应用例证，用于解释说明本发明的应用分析过程以及经济合理性，其费用具体金额还需结合具体工程确定。
[0162]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0163]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。