桥梁稳健的指向标——结构鲁棒性在桥梁养护管理系统中的应用

在德国的基础设施评估中，主要结构的检测是根据损伤程度、类型，以及对稳定性、交通安全和耐久性的影响来进行评级的。桥梁结构及其构件对这些损伤的鲁棒性反应能力是衡量桥梁失效概率的一个关键指标。因此，在维护管理中，结构的鲁棒性是对合格状态评估和措施优先级的附加初始信息。将水利结构上常用的方法借鉴到桥梁结构上，可以使同类型的桥梁结构在损坏过程方面进行分类，并在结构组合中确定维修措施的优先次序。

维护交通基础设施是德国联邦交通部当前的重要任务之一。在《2030年联邦交通基础设施计划》中，动用了70%的预算资金用于维护管理，也首次认为维护比新建、扩建更重要。

维护管理的主要控制参数是状态评估和评价。但无论是联邦交通部主管领域内的公路桥梁还是市政桥梁，都应参照DIN 1076和RI-EBW-PRüF规范中的要求进行评估。虽然联邦公路的协同维护和更新计划，改善了之前有问题的结构评级方式，但公路结构的整体评级却在下降。同样的情况也发生在大约10万座市政道路桥梁上。

图1  公路桥梁的评估等级和重要指数

（图片来源WSV）

根据RI-EBW-PRüF规范，稳定性（S）、交通安全性（V）和耐久性（D）的评价通常介于0（非常好，无损坏）和4（不足，严重损坏）之间,它们共同构成了总评估等级,S值和D值对于结构维护管理特别重要,这些因素共同组成了“重要指数”。较差的结构性能指标，首先反映的是结构中短期的临界状态指标，然后作为桥梁失效概率的定性指标。

尽管政府提供了大量的财政资金，但随着结构的持续恶化，评估方面的办事员也出现短缺。为了确定维修措施的优先次序，扩展对结构本身的状态评估，并将结果纳入措施优先级中。

符合标准的桥梁结构设计，并不意味着结构在所有方面都具有高度的可持续性。相反，结构在其使用寿命期间，对不可预见的影响能够做出“良好”反应的能力，是一个具有决定性的质量特征。在这种情况下，不可预见的事件可以是一个特殊的荷载，例如事故，但也可以是由于延迟和忽视维护而导致的结构退化。

尽管目前可以有效地描述耐久性的设计概念，但使用寿命预测的分散性是相当大的。特别是老旧的桥梁结构，这些结构在建造时，如混凝土质量、混凝土覆盖层、裂缝宽度限制等，没有基于现代耐久性的概念进行测量。在结构的安全性和可使用性方面，类似的损伤影响，往往存在显著的差异。

虽然许多鲁棒性的定义集中在结构失效机制上，如稳定性问题或特殊应力，但目前的问题是需要一个定义，将结构设计与以上所有时间效应相关的损伤过程联系起来。

最初，为索结构下的鲁棒性定义是指：未受损的系统和受损系统之间的结构性能差异。同样的，适用于水利结构的BAW-TbW指南对鲁棒性的定义也与此类似，鲁棒性（损坏容忍度）是指结构能够以有针对性地方式抵抗未预见或未考虑的荷载或故障的特性。结构的鲁棒性不仅限于一个失效指标，而且还要求损坏或失效的程度与原因成比例。例如，一个结构的鲁棒性是指其中部分构件的损坏或失效不会导致整体结构的破坏。

a) 维护中常见的损坏方法

b) 鲁棒性是关于损坏等级的扩展结构性能质量

图2  将鲁棒性定义为结构性能值（图片来源WSV）

桥梁结构的鲁棒性评估，主要与主梁横断面、钢筋松弛、支座和整体结构有关。通过对比钢筋混凝土框架桥和后张法预应力钢筋混凝土桥的鲁棒性，发现在普通的钢筋混凝土框架桥上，高利用率的框架角部钢筋不会在老化损坏的情况下导致整座桥被破坏，例如，框架角部钢筋经常会因为顶部的密封缺陷导致氯气渗入而诱发腐蚀。而在预应力混凝土桥上，跨中处的后张拉预应力钢筋利用率较低，但同时其鲁棒性不强。因此，总体鲁棒性评级比钢筋混凝土框架桥要差。

但需要注意的是，这两种结构都假定符合规范设计。此外，到目前为止尚未考虑对该地区造成的任何破坏。然而，鲁棒性的差异表明，在结构检查过程中检测到的损伤，对跨中布置有预应力的混凝土桥的影响，比在框架角落布置有钢筋的混凝土桥的影响更大。因此，在结构有相同的交通重要性和相同的损伤强度情况下，预应力混凝土桥需要在维护管理中被优先考虑。

根据鲁棒性评价可以对不同的、经典的结构形式进行类型化的分类。这也使得在没有更精确的重新计算的情况下，有可能预先估计出结构的鲁棒性等级。例如，在现有的静力计算中，可以假设结构的利用率为95%，因此得出初始稳健性等级RK 1 = 3，0。

对于桥梁结构的扩展分类，需要在确定的鲁棒性等级和检查得出的损伤分类之间建立联系。表1以简化的形式显示了鲁棒性、损伤和状态分类。状态等级为IV的结构在维护管理中应被优先考虑。

基础设施结构的鲁棒性评估能够比单纯的结构检测评估更详细地评价结构状况。因此，在重新计算的基础上，获得了介于1～4之间的鲁棒性等级。根据在结构检测中确定的损伤扩散情况，修复措施可以优先考虑较弱的结构。

为了从重新计算结果中获得更可靠的鲁棒性等级与破坏过程，根据重新计算的准则来验证检验准则中的相应区域。到目前为止，在桥梁数据库中仅对桥梁的上部结构、下部结构等的损伤情况进行了粗略的记录。

在未来，数字文档辅助工具将提供更精确的位置信息。大量的桥梁结构需要一个尽可能简单和有针对性地评估系统。并非所有的结构都可以进行详细的重新计算。目前，还需要根据桥梁类型进行更为详细的分类研究。