收稿日期：２０１１－０８－３０ 作者简介：侯玉林（１９７９—），男，工程师，长期从事桥梁施工 ｙｕｌｉｎ３２２００３＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ应急装配式钢桥安全性评估研究侯玉林（中铁六局集团有限公司，北京１０００３６）摘 要：分析了应急装配式钢桥安全性因素，建立了基于设计、制造和使用因素的钢桥安全性评估模型（ＡＨＰ模型），进而提出了结构基频、挠度等１０个评估指标的具体评分方法，然后利用关键构件裂纹长度修改系数来评估钢桥的安全等级。
实例应用表明，该评估方法可用于１００型、“３２１”型和２００型钢桥的安全性评估。
关键词：装配式钢桥；安全性评估；层次分析法（ＡＨＰ）；应急桥梁；裂纹长度中图分类号：Ｕ４４８．３６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３９５３（２０１１）０６－００４０－０４ 应急装配式钢桥又称贝雷钢桥，主要分为１００型、“３２１”型和２００型［１－３］。
随着我国公路交通工程和轨道交通工程的快速发展，每年生产应急装配式钢桥近万座，桁架单元８万多片。
但是应急装配式钢桥受技术标准和设计、制造技术水平所限，不能满足当前桥梁实际通行荷载要求，经常发生安全事故。
我国应急钢桥面临的问题很多，如钢材材质不达标、截面积负偏差［４，５］和超载现象严重［６］等问题，难以保证应急装配式钢桥处于正常使用状态，必须实施安全性评估。
文献［７］建立了“３２１”型应急装配式钢桥安全性评估模型，在实际应用中效果较好，不足之处是不能完全应用于１００型和２００型钢桥的安全性评估。
在此基础上，作者建立了基于设计、制造和使用因素的钢桥安全性评估模型（ＡＨＰ模型），进而提出了结构基频等１０个评估指标的具体评分方法，然后利用关键构件裂纹长度修改系数来评估钢桥的安全等级。
实例表明，该评估方法可用于１００型、“３２１”型和２００型钢桥的安全性评估。
１影响应急装配式钢桥安全性的因素所谓“安全”，系指保证人员财产不受损失和保证结构功能正常运行。
经过研究分析可知，影响应急装配式钢桥使用安全的因素可概括为三大类，即设计因素、制造因素和使用因素（图１）。
（１）设计因素（Ｂ１）。
包括：结构基频（Ｃ１１）、在设计荷载作用下的挠度（Ｃ１２）和应力（Ｃ１３）。
查阅设计图１ “３２１”应急装配式钢桥安全性评估因素资料，了解通行荷载等级和设计通载寿命，建立结构有限元模型，分析结构基频、挠度、稳定性［８］和应力。
（２）制造因素。
包括：截面积负偏差（Ｃ２１）、焊缝质量（Ｃ２２）和拼装质量（Ｃ２３）。
有的钢桥生产厂家为了利润最大化，用Ｑ３４５Ａ钢材代替Ｑ３４５Ｂ，截面积负偏差超过５％（有的达到８％）。
因此，桥梁安全评估工程师一定要检查钢材的材质等级和截面积负偏差。
（３）使用因素。
包括：实测结构基频（Ｃ３１）、桥跨挠度（Ｃ３２）、构件应力（Ｃ３３）和使用管理措施（Ｃ３４）。
使用钢桥单位必须清醒认识到钢桥是需要精心维护的，一定要定期检查各连接件，如有松动，应及时拧紧；如有缺失，应及时补充。
由于应急装配式钢桥是一种临时性桥梁，设计荷载标准不能与车辆荷载的发展同步，其设计安全系数较低，故在实际使用过程中还需加强桥梁的安全管理，特别是要组织协调好钢桥的检查、维修、加固［７，９］。
２应急装配式钢桥安全性评估２．１应急装配式钢桥安全性评估方法研究Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ 与设计应急装配式钢桥的单跨跨度一般在６０ｍ以内，由于单纯应用承载能力进行评估，难以保证评估结果的可靠性，故需研究体现应急装配式钢桥结构及应用特点的评估方法，以提高快速评估结果的科学性，从而保证装配式钢桥的使用安全。
基于有限元和现场检测的ＡＨＰ综合评估方法如下： （１）利用通用结构分析有限元软件，建立装配式钢桥有限元模型，分析结构基频、挠度和构件应力。
（２）确定结构安全评定因子ＲＦ（Ｒａｔｉｎｇ Ｆａｃ－ｔｏｒ）：ＲＦ＝ＲＱ＋Ｇ。
式中，Ｒ为结构所能承受的总荷载；Ｑ为施加在结构上的活载；Ｇ为施加在结构上的恒载。
若ＲＦ≥１．０，则结构是安全的；若ＲＦ＜１．０，则结构不安全。
（３）建立基于现场测试的安全性评估ＡＨＰ模型（图１）。
两两比较矩阵和权重，见表１～表４。
表１关于钢桥安全性的两两比较矩阵Ａ Ｂ１Ｂ２Ｂ３权重ＷＢＢ１１ ５ １／３ ０．２８７Ｂ２１／５ １ １／６ ０．０７８Ｂ３３ ６ １ ０．６３５一致性指标Ｃ．Ｒ．＝０．０９０＜０．１００表２关于设计因素的两两比较矩阵Ｂ１Ｃ１１Ｃ１２Ｃ１３权重Ｗ１Ｃ１１１ １／２ １／２ ０．１９６Ｃ１２２ １ １／２ ０．３１１Ｃ１３２ ２ １ ０．４９３一致性指标Ｃ．Ｒ．＝０．０５２＜０．１００表３关于制造因素的两两比较矩阵Ｂ２Ｃ２１Ｃ２２Ｃ２３权重Ｗ２Ｃ２１１ ４ １／２ ０．３３３Ｃ２２１／４ １ １／５ ０．０９７Ｃ２３２ ５ １ ０．５７０一致性指标Ｃ．Ｒ．＝０．０２４＜０．１００表４关于使用因素的两两比较矩阵Ｂ３Ｃ３１Ｃ３２Ｃ３３Ｃ３４权重Ｗ３Ｃ３１１ １／２ １／２ ３ ０．２１２Ｃ３２２ １ １／２ ２ ０．２６９Ｃ３３２ ２ １ ３ ０．４１０Ｃ３４１／３ １／２ １／３ １ ０．１０９一致性指标Ｃ．Ｒ．＝０．０５４＜０．１００（４）应用ＡＨＰ法评估钢桥安全性Ａ。
Ａ＝ＷＢ１∑３ｊ＝１Ｗ１ｊＣ１ｊ＋ＷＢ２∑３ｊ＝１Ｗ２ｊＣ２ｊ＋ＷＢ３∑４ｊ＝１Ｗ３ｊＣ３ｊ（１）式中，ＷＢｊ、Ｗ１ｊ、Ｗ２ｊ、Ｗ３ｊ为权重向量，其值分别见表１、表２、表３和表４。
（５）利用关键构件裂纹长度修改系数来评估安全等级［７］。
２．２应急装配式钢桥安全性因素评分标准评分方法采用１～９标度。
结构基频（Ｃ１１）评分标准为：基频ｆ１为８Ｈｚ以上，记９分；ｆ１为７．１～８Ｈｚ，记８分；ｆ１为６．９～７Ｈｚ，记７分；ｆ１为５．１～６Ｈｚ，记６分；ｆ１为４．１～５Ｈｚ，记５分；ｆ１为３．１～４Ｈｚ，记４分；ｆ１为２．１～３Ｈｚ，记３分；ｆ１为１．１～２Ｈｚ，记２分；ｆ１为１Ｈｚ以下，记１分。
理论挠度（Ｃ１２）评分标准为：挠度为跨度Ｌ的１／５００以下，记９分；挠度为Ｌ／４９９～Ｌ／４５０，记８分；挠度为Ｌ／４４９～Ｌ／４００，记７分；挠度为Ｌ／３９９～Ｌ／３５０，记６分；挠度为Ｌ／３４９～Ｌ／３００，记５分；挠度为Ｌ／２９９～Ｌ／２５０，记４分；挠度为Ｌ／２４９～Ｌ／２００，记３分；挠度为Ｌ／１９９～Ｌ／１５０，记２分；挠度为Ｌ／１４９以上，记１分。
理论应力（Ｃ１３）评分标准为：主要承重构件最大应力为材料容许应力的百分比Ｓ为５９％以下，记９分；Ｓ为６０％～６４％，记８分；Ｓ为６５％～６９％，记７分；Ｓ为７０％～７４％，记６分；Ｓ为７５％～７９％，记５分；Ｓ为８０％～８４％，记４分；Ｓ为８５％～８９％，记３分；Ｓ为９０％～９４％，记２分；Ｓ为９５％～９９％，记１分；Ｓ为１００％～１１０％，记０分；Ｓ为超过１１０％，则直接评为不安全，严禁通载。
截面积负偏差（Ｃ２１）评分标准为：构件截面积负偏差Ｄ为１％以下，记９分；Ｄ为１％～１．４％，记８分；Ｄ为１．５％～１．９％，记７分；Ｄ为２％～２．４％，记６分；Ｄ为２．５％～２．９％，记５分；Ｄ为３％～３．４％，记４分；Ｄ为３．５％～３．９％，记３分；Ｄ为４％～４．４％，记２分；Ｄ为４．５％～５％，记１分；Ｄ为５．１％～５．９％，记０分；Ｄ为６％以上，记０分，安全等级降一级。
焊接质量（Ｃ２２）评分标准为：焊缝表面质量合格，焊缝超声波检查合格，记９分；焊缝表面质量不合格，焊缝超声波检查合格，记５分；焊缝表面质量不合格，焊缝超声波检查不合格，记１分。
拼装质量（Ｃ２３）评分标准为：构件互换性符合·研究与设计· 应急装配式钢桥安全性评估研究 侯玉林 要求，桥跨直线度很好，重心水平位置与理论位置比较，偏移不超过１％，记９分；偏移１％～１．４％，记８分；偏移１．５％～１．９％，记７分；偏移２％～２．４％，记６分；偏移２．５％～２．９％，记５分；偏移３％～３．４％，记４分；偏移３．５％～３．９％，记３分；偏移４％～４．４％，记２分；偏移４．５％～５％，记１分。
实际结构基频（Ｃ３１）评分标准与理论模态（Ｃ１１）评分标准一致。
实测挠度（Ｃ３２）评分标准与理论挠度（Ｃ１２）评分标准一致。
实测应力（Ｃ３３）评分标准与理论应力（Ｃ１３）评分标准一致。
使用管理措施（Ｃ３４）评分标准为：有限速限载标志，设置减速带，定期钢桥检测与维护，建立超重车过桥预告制度，记９分；没有限速、限载标志，不设置减速带，不定期钢桥检测，不进行定期维护，不建立超重车过桥预告制度，记１分。
３应急装配式钢桥安全评估实例某工程需架设３２１型应急装配式钢桥一座，跨度３０ｍ，通行６轴挂车６２ｔ（三联轴车辆），轴距为（２ ９４０＋１ ３５０＋５ ６００＋１ ３５０＋１ ３５０）ｍｍ。
设计时，采用ＤＳＲ结构。
（１）建立“３２１”应急装配式钢桥结构有限元模型。
应用有限元软件建立３２１型应急装配式钢桥结构有限元模型，分析结构基频和受力、变形情况（图２）。
图２ 前三阶模态（横向弯曲、竖向弯曲、扭转）（２）确定桥梁结构安全评定因子。
经过分析可知，若安全性系数γ取１．５（正常通行规则），ＲＦ＝０．９，则结构是不安全的，只能冒险使用；若γ取１．３（谨慎通行规则），ＲＦ＝１．０，则结构是安全的，但严禁车辆在桥上刹车、转弯，并限速通过。
（３）ＡＨＰ模型各因素评分。
结构基频（Ｃ１１）评分：基频为３．２Ｈｚ，记４分。
理论挠度（Ｃ１２）评分：挠度为跨度的１／２８９，记４分。
理论应力（Ｃ１３）评分：主要承重构件（桥跨跨中上弦杆）最大应力为２２７ＭＰａ，接近材料容许应力２３０ＭＰａ，记１分。
截面积负偏差（Ｃ２１）评分：所有构件已经过多次使用，截面积负偏差超过６％，记０分，安全等级降一级。
焊接质量（Ｃ２２）评分：焊缝表面质量不合格，焊缝超声波检查不合格，记１分。
拼装质量（Ｃ２３）评分：构件局部变形，桥跨直线度一般，质心水平位置与理论位置比较，偏移４％～４．４％，记２分。
实际基频（Ｃ３１）评分标准为：结构基频为２．６Ｈｚ，记３分。
实际挠度（Ｃ３２）评分：挠度为跨度的１／２２７，记３分。
实际应力（Ｃ３３）评分：主要承重构件（上弦杆）最大应力为２４０ＭＰａ，超过材料容许应力２３０ＭＰａ，记０分。
使用管理措施（Ｃ３４）评分：有限速、限载标志，不设置减速带，不建立超重车过桥预告制度，记１分。
（４）评估桥梁结构安全性等级。
应用ＡＨＰ法，可得钢桥安全性Ａ＝１．７７。
由于关键构件裂纹长度α＜１ｍｍ时，裂纹长度修改系数ｋ＝１，故修正后的安全等级ＡＲ＝１．７７，此钢桥的安全性等级初评为五级［７］。
因构件截面负偏差超过６％，还需降一级，最终评定结果为六级，应严禁使用钢桥。
４结论本文提出了基于ＡＨＰ的钢桥安全性综合评估法，配以应用算例，说明该方法的应用过程及适用性。