對公路橋梁結(jié)構(gòu)易損性下可靠度的探究

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(河北路橋集團第一工程有限公司)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的公路建設(shè)的發(fā)展規(guī)模也越來越大，公路橋梁網(wǎng)絡(luò)在不斷完善，橋梁在設(shè)計中越來越趨于輕柔化以及結(jié)構(gòu)形式和功能越來越復(fù)雜化，最終導(dǎo)致公路橋梁的安全問題越來越突出。所以，我們一定要對這些耗費大量資金的公路橋梁進行可靠性評估，充分掌握它們的“身體情況”，為日后能夠才去合適的方法來保證它能安全運營。現(xiàn)在我國在公路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越規(guī)范化、科學化了，我們在評估過程中經(jīng)常使用的使用極限的設(shè)計方法，在進行評估的過程中也是用將可靠度的理論基礎(chǔ)當作評估的標準，但是總的來講，我國的公路橋梁可靠度庫倫和實際工程之間存在很多問題。對公路橋梁的安全情況進行正確的評估，就要求我們建立一套適合實際工程的評估方法，為管理公路橋梁的有關(guān)部門提供有效的理論依據(jù)。

2 公路橋梁結(jié)構(gòu)度可靠度的分析

因為荷載和機構(gòu)具有隨機性，在可靠度理論的方法基礎(chǔ)上要比確定性的評估方法更加的科學。目前，很多國家的對公路橋梁結(jié)構(gòu)可靠性的評估都是在兩個水平上來展開的:結(jié)構(gòu)構(gòu)件水平以及機構(gòu)體系的水平。構(gòu)件水平可靠度的分析方法雖然比較簡單，但是在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計中使用的非常的多，現(xiàn)在工程中使用的方法比如，F(xiàn)ORM、SORM等都可以得到很好的精度。但是對于結(jié)構(gòu)體水平這一水平的可靠性，最近這些年有些發(fā)展，但是從整個方面來說，我們對結(jié)構(gòu)的可靠度的評估知識在構(gòu)件這一方面，不能對整個結(jié)構(gòu)體系進行有效地考慮，這一水平主要有兩個難點:(1)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的失效方式的識別與搜索;(2)對橋梁結(jié)構(gòu)隨機相應(yīng)量的有效計算。應(yīng)為在工程的分析中，使用常見的可靠度方法，比如，分枝—約界法，截斷枚舉法等，這些方法在進行識別和搜索橋梁結(jié)構(gòu)的主要失效模式中效率太低，導(dǎo)致不能有效的確定結(jié)構(gòu)的失效模式，所以我們的得出來的體系可靠度的指標并不能真實的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系的真實情況，需要我們在探究結(jié)構(gòu)失效的模式的時候，使用的新的方法。

3 易損性下可靠度分析評估

結(jié)構(gòu)易損性的定義是:在給定荷載參數(shù)值的情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生損壞，并且超過了一定的損傷級別。結(jié)構(gòu)易損性的分析最早得到應(yīng)用的是在七十年代對核電站的地震發(fā)生概率的風險評估。最近這幾年，機構(gòu)易損性分析在公路橋梁建設(shè)過程中的結(jié)構(gòu)抗震方面得到了廣泛的應(yīng)用。下面用圖1來展示隨即結(jié)構(gòu)地震易損性分析的基本思路。

圖1 隨即結(jié)構(gòu)地震易損性分析的基本思路

對結(jié)構(gòu)地震易損性的分析可以把結(jié)構(gòu)的損傷情況分成:沒有損傷，微笑損傷，中等損傷，嚴重損傷以及完全損傷五部分，可以利用結(jié)構(gòu)的地震需求和能力，然后根據(jù)損傷標準進行計算最終得到易損性曲線。結(jié)構(gòu)易損性曲線能夠明顯的表現(xiàn)出在地震強度不同的情況下，公路橋梁的不同部件在不同的損傷情況下的損傷順序，進而判斷出公路橋梁結(jié)構(gòu)損傷最嚴重的地方，最后的得出結(jié)構(gòu)失效的方式。下面給出圖2。

圖2 某個斜拉橋不同部件的易損性曲線

它是某個斜拉橋不同部件的易損性曲線，可以從圖2中看出，不同部件的損傷的順序:邊墩——輔助墩——主塔底部——橫梁，最不利的地方是在邊墩。對結(jié)構(gòu)易損性進行分析不單能為公路橋梁的不同部件的損傷程度，也能得出不同橋梁損傷的程度的差別。

傳統(tǒng)的橋梁可靠度分析方法是一般線忽略工程的結(jié)構(gòu)和負載的隨機特性，在確定負載和結(jié)構(gòu)內(nèi)力之間的聯(lián)系后，然手使用某種失效方式來進行探究方法策略，進而找到結(jié)構(gòu)體系中最主要的失效方式的失效概率，因為結(jié)構(gòu)和荷載存在一定的隨機性一般能夠使結(jié)構(gòu)或者部件的失效方式。

4 應(yīng)用實例

舉一個實際的例子，四跨剛構(gòu)橋在地震荷載作用下的易損性分析，橋梁的跨度和不同界面的尺寸分別在圖3中得出:橋梁結(jié)構(gòu)的防裂度是八度，設(shè)計的使用時間是五十年。

圖3 橋梁的跨度和不同界面的尺寸

對地震易損性的計算可以分成三個步驟:第一步，對橋梁墩柱承受荷載的計算;第二步，對橋梁墩柱在地震中的需求進行計算;最后一步，畫出地震易損性的曲線圖。在進行敲了墩柱在地震中的需求的計算中，要根據(jù)損傷指標，還要確定橋墩在地震中的最大曲率和滯回耗能，地震的隨機參數(shù)可以使用PGA。對選取的有限元這一模型使用IDA進行分析，取最大的地震比0～1.2g，步長的增量是0.1g，最后可以獲得水平的曲率響應(yīng)、滯回耗能和PGA的統(tǒng)計特征。在這里我們只對橋梁的墩頂、墩身和墩底進行分析計算，然后使用RBF的樣本集，再使用OpenSees軟件進行分析。

通過一系列的工作就可以使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來仿真進而得到不同的單元的屈服曲率，然后通過墩柱的曲率相應(yīng)以及滯回耗能來統(tǒng)計特征，然后使用隨機抽樣，計算墩柱的損傷情況，然后對每個地震易損性使用三次條函數(shù)進行擬合，進而得到第二號橋墩是最容易受到損傷的部位。

按照前邊的思路，可以用最易損的單元的可靠度來代替結(jié)構(gòu)中的可靠度。是對數(shù)的正態(tài)分布，然后使用Matlab來設(shè)計計算4個不同失效方程作用下結(jié)構(gòu)的可靠度，程序使用的是驗算點的方法——JC法，通過使用這種方法來處理得到的正態(tài)隨機變量。圖4是4個函數(shù)下的可靠度。

圖4 4個函數(shù)下的可靠度

5 總結(jié)

因為橋梁結(jié)構(gòu)在運行過程中承受的荷載不同，再加上自身結(jié)構(gòu)存在很多不確定因素，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)易損性下可靠度分析存在很多的麻煩。筆者就對目前橋梁機構(gòu)可靠性進行了分析和總結(jié)，在對現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)可靠度的幾個問題分析后，進而提出了對橋梁結(jié)構(gòu)易損性下可靠度的計算方法，使用這個方法是因為它采用結(jié)構(gòu)易損性來進行探討易損部位，從的翻到的易損性曲線來確定損傷不見得位置，進而能給不同的橋梁結(jié)構(gòu)易損性下可靠性的研究提供了方法。本文筆者還簡單介紹了計算方法，可以通過這個方法對其他的載荷可靠性進行分析。

[1] 龐于濤，袁萬城，沈國煜.基于結(jié)構(gòu)易損性分析的公路橋梁可靠度研究[J].哈爾濱工程大學學報，2012，(9).

[2] 陳力波，鄭凱鋒，莊衛(wèi)林，等.汶川地震橋梁易損性分析[J].西南交通大學學報，2012，(4).

[3] 谷音，鐘華，卓衛(wèi)東.基于性能的矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)地震易損性分析[J].土木工程學報，2012，(S1).

[4] 何江飛，高博青.桁架結(jié)構(gòu)的易損性評價及破壞場景識別研究[J].浙江大學學報(工學版)，2012，(9).

[5] 趙珺.可靠度在公路橋梁中的應(yīng)用[J].筑路機械與施工機械化，2007，(2).