對(duì)公路橋涵設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)洪水頻率的思考

牟洪仲 安竹石

1 定義

1.1 設(shè)計(jì)洪水頻率

橋涵設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)洪水頻率是指在設(shè)計(jì)時(shí)采用的某一洪水重現(xiàn)的概率[1],它的實(shí)質(zhì)是一種累計(jì)頻率。與之對(duì)應(yīng)的是洪水重現(xiàn)期,它表示在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),該洪水頻率對(duì)應(yīng)的洪水平均多少年發(fā)生一次。即若選定的洪水頻率為1%,表示超過這樣的洪水每年出現(xiàn)的可能性為1%。由此可知,設(shè)計(jì)洪水頻率是與時(shí)間相關(guān)的一個(gè)概念,而JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中與時(shí)間相關(guān)的一個(gè)核心概念是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期,所以也簡(jiǎn)要陳述一下設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的概念。

1.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)[2],是概率分析上采用的概念,我國公路橋涵設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期主要是通過可變荷載統(tǒng)計(jì)分布確定的。其實(shí)質(zhì)是抗力函數(shù)與作用函數(shù)簡(jiǎn)化的一個(gè)時(shí)間參數(shù)。《公橋規(guī)》中規(guī)定：公路橋涵設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。這里涉及到的是一個(gè)分析的范疇[3],而在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中,對(duì)于和設(shè)計(jì)更相關(guān)的、業(yè)主更關(guān)心的設(shè)計(jì)使用年限概念卻少提及,現(xiàn)結(jié)合其他結(jié)構(gòu)說明一下。

1.3 設(shè)計(jì)使用年限

公路水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)年限是指路面達(dá)到預(yù)定損壞標(biāo)準(zhǔn)所能使用的時(shí)間[4]。對(duì)于橋梁設(shè)計(jì),我們也可認(rèn)為橋梁在正常條件下不需大修所能運(yùn)營的時(shí)間。美國對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)使用年限為不少于75年～100年[5],該文還提出了公路混凝土橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定建議,對(duì)于一般大中小橋均為100年。

2 對(duì)比

設(shè)計(jì)洪水頻率與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的對(duì)比。按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的定義,材料與荷載的考慮都是在一百年之內(nèi)以較大概率來保證的,而對(duì)于設(shè)計(jì)洪水頻率,假定以一般大中橋1%的設(shè)計(jì)洪水設(shè)計(jì)頻率(即每年不到該洪水位的概率為99%)來設(shè)計(jì),根據(jù)其滿足二項(xiàng)分布[6]可知,在建橋一百年都不觸及該頻率對(duì)應(yīng)洪水位的概率P=0.99100=36.6%,而這是一個(gè)較小的保證概率。由此可見,二者在一定程度上是不對(duì)應(yīng)的。

設(shè)計(jì)洪水頻率與設(shè)計(jì)使用年限的對(duì)比。根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限的定義與一般規(guī)定,還是以一般大中橋?yàn)槔?在使用年限內(nèi)洪水將以較大概率1-0.99100=63.4%觸及該頻率對(duì)應(yīng)洪水位,在這種情況下結(jié)構(gòu)能不能真正達(dá)到經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)使用年限將有較大的困難。所以,在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中更明確地規(guī)定設(shè)計(jì)使用年限,并通過一定的設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)措施保證在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)能夠降低洪水的影響是必要的。當(dāng)然,提高設(shè)計(jì)洪水頻率也是一個(gè)措施,比如美國規(guī)范就比我國高,但即使提高1/500,也只能保證50年使用過程中有90%的保證概率,所以單獨(dú)以提高設(shè)計(jì)洪水頻率的方式來提高保證率作用不明顯。

橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率與區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比?！豆珮蛞?guī)》中對(duì)于設(shè)計(jì)洪水頻率大小的規(guī)定僅與橋梁跨徑及重要性有關(guān),而不涉及到區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn),將防洪標(biāo)準(zhǔn)較低的區(qū)域與較高的地區(qū)等同對(duì)待,將使防洪標(biāo)準(zhǔn)較低的區(qū)域很難達(dá)到《公橋規(guī)》規(guī)定的設(shè)計(jì)洪水頻率值,且極易在防洪標(biāo)準(zhǔn)較低的地區(qū)形成橋與路連接不順,甚至單橋凸起的情況。所以,設(shè)計(jì)洪水頻率可區(qū)別對(duì)待,根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整其大小,而這種調(diào)整又與橋梁結(jié)構(gòu)自身需以較大概率在較長(zhǎng)使用期內(nèi)保證橋梁不觸及設(shè)計(jì)水位的目標(biāo)相抵觸,如何在這種情況下仍能保證橋梁的安全,除了對(duì)橋梁本身加強(qiáng)外,對(duì)其他臨時(shí)性的防洪設(shè)施的強(qiáng)化也很重要。文獻(xiàn)[7]中提到的多次設(shè)防的方法,即將洪水分為偶遇洪水與罕遇洪水的方法更多的是從效益分析層面來確定洪水頻率的,但這個(gè)效益應(yīng)是以橋梁不造成安全事故為前提,所以即使從效益角度出發(fā)設(shè)計(jì)洪水頻率的標(biāo)準(zhǔn)降低了,橋梁本身的強(qiáng)度與防罕見洪水的措施也是不可少的。

橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率與抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比。橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率的概念屬于防洪設(shè)計(jì)的一個(gè)范疇,而橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中涉及防洪設(shè)計(jì)的地方少之又少,這與抗震設(shè)計(jì)有專門的公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范形成對(duì)比,防止洪水特別是罕見洪水對(duì)橋涵造成的傷害也應(yīng)重視。另外,抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不論在國內(nèi)還是國外都相對(duì)較高,例如,現(xiàn)行的美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO)地震設(shè)計(jì)在使用狀態(tài)下,是按50年使用期內(nèi)10%的失效率進(jìn)行設(shè)計(jì)的。即在50年內(nèi),有90%的把握不會(huì)發(fā)生超過該設(shè)防等級(jí)的地震,相當(dāng)于重現(xiàn)期為475年。

3 結(jié)語

本文明晰了在橋梁設(shè)計(jì)過程中與設(shè)計(jì)洪水頻率相關(guān)的幾個(gè)概念,進(jìn)而進(jìn)行了四組對(duì)比,得出橋梁規(guī)范中對(duì)設(shè)計(jì)洪水頻率的規(guī)定與對(duì)其他一些相關(guān)概念的規(guī)定在一定程度上的不統(tǒng)一。從設(shè)計(jì)洪水頻率出發(fā)得到的保證率的角度來說,我國的防洪標(biāo)準(zhǔn)是偏低的。所以,可適當(dāng)提高設(shè)計(jì)洪水頻率的標(biāo)準(zhǔn)。但如上文所述即使提高了設(shè)計(jì)洪水頻率的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)罕見洪水的防止也是有限的,那么在條件允許的情況下,我們可以以防止偶遇洪水的破壞為主,而對(duì)罕見洪水采用特殊的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì),這樣即使設(shè)計(jì)洪水頻率降低了,其實(shí)質(zhì)仍保證了較高的安全性。而對(duì)于偶遇洪水與罕遇洪水的劃分,以及防止罕遇洪水對(duì)橋涵破壞的措施限于篇幅不再詳述。

橋梁設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)洪水頻率的取值還需充分考慮區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合效益分析確定。建議橋規(guī)中能有業(yè)主與設(shè)計(jì)人員關(guān)心的設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定。在不斷完善防洪設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范與理論研究的同時(shí),可對(duì)照抗震設(shè)計(jì)等相關(guān)規(guī)范,將抗震設(shè)計(jì)的一些方法運(yùn)用到防洪設(shè)計(jì),將防洪設(shè)計(jì)的一些方法運(yùn)用到抗震設(shè)計(jì)。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]GB 50068-2001,建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]袁賢訊,陳國英.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期與設(shè)計(jì)工作壽命的關(guān)系[J].中國建設(shè)信息,2001(21)：48-51.

[4]JTG D40-2002,公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]張洪波,鮑衛(wèi)剛.公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期與設(shè)計(jì)使用年限[J].公路,2005(8)：35-37.

[6]周國利.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].南京：南京大學(xué)出版社,2007.

[7]齊懷恩,王光遠(yuǎn).公路橋梁抗洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的反思和建議[J].林業(yè)科技情報(bào),1998(3)：7-13.