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土木工程诊断

/civil engineering diagnosis/
条目作者吴智深万春风
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吴智深

万春风

万春风

最后更新 2023-05-05
浏览 157
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诊断土木工程结构状况和系统状况是否达到有关标准、法规等规定的级别,并指导和优化维护管理方案的活动。结构性能主要包括结构的安全性能、使用性能和耐久性能等。

英文名称
civil engineering diagnosis
所属学科
土木工程

土木工程诊断的手段是依据结构性能评估和剩余寿命预测的结果,对照相关规定,划分结构的健康级别。土木工程诊断涉及相应规范、已有方法、实践经验等多方面因素。若划分的健康等级数目过少将过于简略,很可能在诊断结果中“淹没”某些重要信息。如果健康等级数目划分过多、过细,又会使相邻等级间的指标相似度太高,各等级区间界限不易确定,给操作者分级带来难度。2007年,日本国土交通铁路局和铁道综合技术研究所联合制定了《铁道构造物设计标准和解说-混凝土建筑物篇》,其中规定了在维护运营过程中从初期检查、整体检查、局部检查和临时检查4个层次来区分结构健全度的检查级别,并对结构的健全度从严重到健康划分为a、b、c、s共4个等级,也规定了相应的危害性和结构参数变化程度。在美国,FHWA也使用健全度将桥梁分为完好、很好、好、满意、一般、差、严重、危急、即将失效、失效共10个等级。又如国际ISO 16311(ISO 16311-2:2014Maintenance and repair of concrete structures-Part 2: Assessment of existing concrete structures)针对混凝土结构,则对检查根据评估类型而简化分类。这些工作对于中国未来土木工程诊断的发展有十分重要的借鉴意义。

土木工程诊断主要包括土木工程结构技术状况诊断、土木工程系统技术状况诊断两个方面。

土木工程结构技术状况诊断的目的是在结构发生致命性损伤之前发现问题的基础上,用合适的评估方法对结构整体和局部的性能水平进行准确地把握,同时对其劣化机理进行分析并进一步预测今后的劣化趋势,据此对结构维护管理的计划进行合理地调整。通过诊断结果,指导对结构采取必要的养护维修、加固改造等措施,从而延长结构的服役寿命。以下分别针对土木工程中主要的结构形式的结构技术状况诊断进行介绍。

桥梁结构结构技术状况诊断是桥梁结构或构件各方面技术特征的总称,其评定涉及相关标准、规范、试验结果及专家经验等多个方面。桥梁的技术状况诊断应采用5类桥梁单项控制指标和分层综合评定相结合的方法。

按照《公路桥梁技术状况评定标准(JTG/T H21—2011)》,桥梁整体的技术状况评定等级可以划分为这5个类型,其中5类桥梁,指存在比较大或严重的缺陷、需要及时做好加固维修处理措施的桥梁。在桥梁技术状况评价中,有下列情况之一时,整座桥应评为5类桥:①上部结构有落梁或有梁断裂现象。②梁式桥上部承重构件控制截面出现全截面开裂或组合结构上部承重构件结合面开裂贯通造成截面组合作用严重降低。③梁式桥上部承重构件有严重的异常位移存在失稳现象。④结构出现明显的永久变形,变形大于规范值。⑤关键部位混凝土出现压碎或杆件失稳倾向或桥面板出现严重塌陷。⑥拱式桥拱脚严重错台、位移,造成拱顶挠度大于限值,或拱圈严重变形。⑦圬工拱桥拱圈大范围砌体断裂,脱落现象严重。⑧腹拱、侧墙、立墙或立柱产生破坏造成桥面板严重塌落。⑨系杆或吊杆出现严重锈蚀或断裂现象。⑩悬索桥主缆或多根吊索出现严重锈蚀、断丝。⑪斜拉桥拉索钢丝出现严重锈蚀、断丝,主梁出现严重变形。⑫扩大基础冲刷深度大于设计值,冲空面积达20%以上。⑬桥墩(桥台或基础)不稳定出现严重滑动下位移斜等现象。⑭悬索桥、斜拉桥索塔基础出现严重沉降或位移或悬索桥错有水平位移或沉降。

分层综合评定方法指先对桥梁各构件进行诊断,然后对桥梁各部件进行诊断,再对桥面系、上部结构和下部结构分别进行诊断,最后进行桥梁总体技术状况的诊断。

在进行桥梁总体技术状况的诊断时,通过桥面系(BDCI)、上部结构(SPCI)、下部结构(SBCI)的技术状况评分,结合各部件在全桥中的权重计算获得。其表达式如下:

 ...(1)

式(1)中,为桥梁总体技术状况评分,值域为0~100分;分别是桥面系、上部结构和下部结构在全桥中的权重。

此外,为了更好地制定有针对性的桥梁养护措施,可以将桥梁总体技术状况评分的区间再次细分。从而对各区间之间过渡阶段的桥梁得到更好的重视,促使其成为养护工作的重点,为桥梁长寿命化提供判断依据。

21世纪初,中国的隧道土建结构技术状况评定主要以定性评价为主。为了更加准确的定量评价土建结构技术状况,交通运输部发布了《公路隧道养护技术规范(JTGH 12—2015)》,并提出了土建结构技术状况评定计算方法。其具体的结构技术状况评分计算公式如下:

 ...(2)

式(2)中,是隧道土建结构总体技术状况评分;是分项数目;是分项状况评分;是分项权重。

由于尚未形成可被广泛接受的承载力计算及安全性评估方法,为了充分保障安全性,该规范采用了最差段落评分法,即将各段各分项评分中的最差得分作为该项评分。从而整座隧道只要有某一断面出现病害或失稳情况,就从全隧道角度考虑其风险程度。

除了土木工程结构性能,土木工程系统诊断也是主要的内容之一。其主要是针对日常运行条件下的诊断基础上,以及极端天气如洪水、大雾、暴雪,等特定运行条件下存在影响土木工程系统运行性能的风险,为保障土木工程系统安全运行,需要结合监测数据进行诊断。

以隧道为例,2015年交通运输部颁布的《公路隧道养护技术规范》(JTGH 12—2015),已基本形成了一套隧道检查体系。通过公路养护等级确定检查、养护频率等,并按照土建结构、机电设施和其他工程设施分别开展检查工作,土建结构部分又分为经常性、定期、应急和专项检查,检查的方法和目的不同,根据土建结构、机电设施和其他工程技术状况评定结果综合评定隧道技术状况。

根据现阶段《公路隧道养护技术规范》还进一步引入了加权计算和定量评定的思想,另外对机电设施的评定更加细化和量化,但分项评定仍依靠定性评定为主。

总体而言,土木工程系统诊断的主要目包括两个方面:①日常运行条件下,根据土木工程性能和具体的运行环境,制定针对性的土木工程系统使用方案,合理控制土木工程系统负荷,避免过载等威胁土木工程系统安全性的问题。②极端条件下,对于自然灾害或突发事故,根据灾害或事故类型及其影响程度,及时制定限流、限速、封闭等管制措施,保证土木工程系统和人员安全。

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