鐵路橋梁正常使用極限狀態(tài)可靠度校準(zhǔn)研究

朱志營,齊成龍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁處,天津　300142)

?

鐵路橋梁正常使用極限狀態(tài)可靠度校準(zhǔn)研究

朱志營,齊成龍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁處,天津300142)

摘要：分別以現(xiàn)行容許應(yīng)力法規(guī)范、試行極限狀態(tài)法規(guī)范和歐洲規(guī)范為依據(jù),對某鐵路工程預(yù)制后張法簡支T梁的正截面抗裂性和橋梁剛度進行驗算,從而對3種規(guī)范在正常使用極限狀態(tài)下的可靠度進行比較,得出3種情況下的安全儲備大小順序：歐洲規(guī)范>現(xiàn)行容許應(yīng)力法規(guī)范>試行極限狀態(tài)法規(guī)范,并對試行極限狀態(tài)法規(guī)范提出建議。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁 ;可靠度；容許應(yīng)力法；極限狀態(tài)法

1概述

現(xiàn)行鐵路工程設(shè)計規(guī)范是以容許應(yīng)力法為基礎(chǔ)的，基于可靠度理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法研究在20世紀(jì)80年代末就開始了，但這些研究重點放在了承載能力極限狀態(tài)設(shè)計方法上，這樣一方面解決了結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計的最基礎(chǔ)問題，使極限狀態(tài)設(shè)計方法研究邁出了關(guān)鍵的一步。另一方面，當(dāng)時由于列車速度不高，對剛度等項目的檢算不像現(xiàn)在高速鐵路和客運專線那么受控制，所以對正常使用極限狀態(tài)的研究不夠深入。為滿足鐵路運輸新形勢和規(guī)范向極限狀態(tài)設(shè)計方法轉(zhuǎn)軌的需要，需要專門對鐵路工程結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)進行系統(tǒng)研究。

本次研究主要是開展裂縫、橋梁剛度(撓度限值、變形變位、頻率)等在3種規(guī)范下正常使用極限狀態(tài)限值的設(shè)計對比分析研究。具體就是分別以現(xiàn)行容許應(yīng)力法規(guī)范、試行極限狀態(tài)法規(guī)范和歐洲規(guī)范為依據(jù)，對某鐵路預(yù)制后張法簡支T梁的正截面抗裂性和橋梁剛度進行驗算，從而對不同規(guī)范在正常使用極限狀態(tài)下的可靠度進行比較，為試行規(guī)范的修訂提供建議。

2工程背景

以某客貨共線鐵路預(yù)制后張法簡支T梁為分析對象，跨度32 m，鐵路設(shè)計行車速度200 km/h，有砟軌道。

單線邊梁跨中斷面如圖1所示，其中，左側(cè)陰影區(qū)不受力，右側(cè)陰影區(qū)為現(xiàn)澆塊，在本計算中只考慮非陰影區(qū)的受力。

圖1　單線邊梁跨中斷面(單位：mm)

容許應(yīng)力法規(guī)范和試行極限狀態(tài)法規(guī)范的設(shè)計活載都是“中-活載”，歐洲規(guī)范為UIC活載。在計算過程中，為了得出更加準(zhǔn)確的對比結(jié)果，3種規(guī)范都采用“中-活載”計算。

33種規(guī)范比較

3.1荷載組合對比

容許應(yīng)力法規(guī)范并未規(guī)定荷載組合系數(shù)，荷載效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值組合，它通過在不同工況下，規(guī)定不同的安全系數(shù)來體現(xiàn)可靠度的差別。而極限狀態(tài)法規(guī)范，包括鐵路試行規(guī)范和歐洲規(guī)范，對不同的荷載效應(yīng)賦予不同的組合系數(shù)，并未規(guī)定安全系數(shù)。荷載組合情況如表1所示。

表1　荷載組合情況對比

表1中，MG1表示永久荷載，MG2表示附加荷載，MQ1表示活荷載?？梢钥闯觯?種規(guī)范對恒荷載的組合系數(shù)相同，對活荷載的組合系數(shù)不同，歐洲規(guī)范對標(biāo)準(zhǔn)值有1個0.8的組合系數(shù)。

3.2預(yù)應(yīng)力損失對比

正截面抗裂性驗算當(dāng)中，需要計算出荷載產(chǎn)生的截面正拉應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的截面正壓應(yīng)力，3種規(guī)范對預(yù)應(yīng)力損失的規(guī)定是不同的，這會導(dǎo)致截面預(yù)壓應(yīng)力的差別，從而影響正截面抗裂性的計算結(jié)果。

鐵路試行極限狀態(tài)法規(guī)范延續(xù)了容許應(yīng)力法規(guī)范的規(guī)定。文獻[9]5.10.3介紹了歐洲規(guī)范中后張法預(yù)應(yīng)力損失的計算過程。歐洲規(guī)范將預(yù)應(yīng)力損失分為直接損失和隨時間變化的損失兩種。直接損失包括：由混凝土彈性變形引起的損失ΔPel；由短期松弛引起的損失ΔPr；由摩擦引起的損失ΔPμ(x)；由錨件滑動引起的損失ΔPsl。隨時間變化的損失指由于混凝土徐變和收縮以及預(yù)應(yīng)力鋼筋的長期松弛而產(chǎn)生的損失。3種規(guī)范的最終計算結(jié)果如表2所示。

表2　預(yù)應(yīng)力損失對比　MPa

由表2可以看出，與容許應(yīng)力法規(guī)范和試行極限狀態(tài)規(guī)范相比，使用歐洲規(guī)范進行預(yù)應(yīng)力損失計算時，摩擦損失及收縮徐變損失與另外2種規(guī)范不同。

2.2 兩組免疫功能比較 兩組干預(yù)后CD3+、CD4+、CD4+/CD8+較干預(yù)前顯著提高(P<0.05)。干預(yù)前組間CD3+、CD4+、CD4+/CD8+比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。觀察組干預(yù)后CD3+、CD4+、CD4+/CD8+顯著高于對照組(P<0.05)。見表2。

3.3變形計算結(jié)果分析

在正常使用極限狀態(tài)可靠度校準(zhǔn)當(dāng)中，本文對結(jié)構(gòu)的豎向撓度、梁端轉(zhuǎn)角和自振頻率進行了檢算。首先得出3種規(guī)范對變形限值和自振頻率范圍的要求，如表3所示。

表3　變形限值對比

注：L為梁跨度。

各規(guī)范對梁端轉(zhuǎn)角的規(guī)定分為2種，包括路基與橋梁過渡段處的梁端轉(zhuǎn)角和兩梁之間的轉(zhuǎn)角，表3所示梁端轉(zhuǎn)角是兩梁之間轉(zhuǎn)角限值的1/2?？梢钥闯?，容許應(yīng)力法規(guī)范和試行極限狀態(tài)法規(guī)范對撓度限值的規(guī)定相同，均小于歐洲規(guī)范的限值，3種規(guī)范中自振頻率的最低限值相同，但是與歐洲規(guī)范不同，容許應(yīng)力法規(guī)范和試行極限狀態(tài)法規(guī)范沒有上限要求，因為，中國規(guī)范認為：梁體剛度與頻率的平方成正比，頻率高的梁體其剛度會大大增強，沒有必要限制其頻率上限。而歐洲規(guī)范認為：n0的上限受軌道不規(guī)則引起的動力放大系數(shù)控制，n0的下限受動力沖擊標(biāo)準(zhǔn)控制。

依據(jù)3種規(guī)范，分別計算出梁體跨中撓度、梁端轉(zhuǎn)角和結(jié)構(gòu)自振頻率，在已知結(jié)構(gòu)變形限值的基礎(chǔ)上，得出3種規(guī)范對結(jié)構(gòu)變形的安全儲備，如表4所示。

表4中，安全儲備=(限值-結(jié)果)/限值，可以看出，無論對于撓度、轉(zhuǎn)角還是最低頻率，歐洲規(guī)范的安全儲備都是最高的，容許應(yīng)力法的安全儲備大于試行極限狀態(tài)法。

表4　變形計算結(jié)果匯總

3種規(guī)范所得變形計算結(jié)果不同，究其原因，當(dāng)材料、截面特性相同時，在于荷載取值和剛度取值方面。容許應(yīng)力法采用中-活載(不考慮動力系數(shù))，且不考慮截面剛度折減；試行極限狀態(tài)法規(guī)范同樣采用中-活載(不考慮動力系數(shù))，但是考慮0.95的截面剛度折減系數(shù)；歐洲規(guī)范在荷載取值方面基于UIC活載，而且考慮了頻遇值系數(shù)0.8、動力系數(shù)和橫橋向偏心。

3.4抗裂性計算結(jié)果分析

在進行正截面抗裂性驗算時，容許應(yīng)力法和試行極限狀態(tài)法的計算方法基本相同，而歐洲規(guī)范僅為一指導(dǎo)性文件，并未對驗算方法做出明確規(guī)定，在此使用試行極限狀態(tài)法規(guī)范的計算方法。首先計算出外荷載在跨中截面上緣產(chǎn)生的正壓應(yīng)力和在跨中截面下緣產(chǎn)生的正拉應(yīng)力，然后扣除相應(yīng)階段的預(yù)應(yīng)力損失，計算預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的跨中截面上緣正拉應(yīng)力和跨中截面下緣正壓應(yīng)力，最后依據(jù)相應(yīng)規(guī)范計算得出正截面抗裂安全系數(shù)，同時還可得出上下緣最不利應(yīng)力。最終得出正截面抗裂安全儲備如表5所示。

表5　正截面安全系數(shù)計算結(jié)果匯總

由表5結(jié)果可以看出，正截面抗裂安全儲備值由大到小依次為：“歐洲規(guī)范”>“容許應(yīng)力法規(guī)范”>“試行極限狀態(tài)法”。

在預(yù)應(yīng)力效應(yīng)一定的情況下，對于簡支梁橋跨中截面來說，外荷載最大的時候，上緣正壓應(yīng)力值最大，下緣正壓應(yīng)力值最小。此時上下緣即達到最不利應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力計算結(jié)果如表6所示。

表6所示為正截面抗裂性驗算中，上下緣正應(yīng)力的計算過程，同時也表示了正截面最不利應(yīng)力狀態(tài)。

歐洲規(guī)范與容許應(yīng)力法和試行極限狀態(tài)法規(guī)范相比，下緣最小正壓應(yīng)力顯著增大，這種顯著差別主要是由兩方面因素引起的：歐洲規(guī)范計算得到的預(yù)應(yīng)力摩阻損失偏小，使預(yù)壓應(yīng)力偏大；同時，在歐洲規(guī)范的正常使用極限狀態(tài)下，活荷載需要與0.8的組合系數(shù)相乘，使正拉應(yīng)力偏小。

表6　正截面上下緣應(yīng)力計算結(jié)果匯總　MPa

4結(jié)論

通過本文的對比分析過程可以看出，在正常使用極限狀態(tài)下，無論對于撓度、轉(zhuǎn)角、結(jié)構(gòu)最低頻率，還是正截面抗裂性，歐洲規(guī)范的安全儲備都是最高的，容許應(yīng)力法規(guī)范的安全儲備大于試行極限狀態(tài)法規(guī)范。

現(xiàn)行容許應(yīng)力法規(guī)范和歐洲規(guī)范已經(jīng)過多年檢驗，其可靠度標(biāo)準(zhǔn)可以滿足工程實踐要求，這說明試行極限狀態(tài)法規(guī)范的可靠度偏低，為了使此試行規(guī)范滿足鐵路工程設(shè)計的要求，還需進一步改進。

參考文獻：

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]中華人民共和國鐵道部.TBJ24—1989鐵路結(jié)合梁設(shè)計規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，1989.

[5]鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司.鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(荷載和抗力系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法)(試用)送審稿(文中簡稱為“可靠度規(guī)范”)[S].天津：鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，2012.

[6]Eurocode— Basis of structural design. BS EN 1990：2002[S]．

[7]Eurocode: Basis Of Structural Design Annex A2: Application for bridges (Normative). EN 1990-Annex A2[S]．

[8]Eurocode 1: Actions onstructures —Part 1-1: General actions — Densities， self-weight， imposed loads for buildings. BS EN 1991-1-1[S]．

[9]Eurocode 1: Actions on structures —Part 1-4: General actions — Wind actions. BS EN 1991-1-4[S]．

[10]Eurocode 1: Actions on structures —Part 1-5: General actions — Thermal actions. BS EN 1991-1-5[S]．

[11]Eurocode 1: Actions on structures —Part 2: Traffic loads on bridges. BS EN 1991-2[S]．

[12]Eurocode 3: Design of steel structures — Part 1-1: General rules and rules for buildings. BS EN 1993-1-1[S]．

[13]Eurocode 3 — Design of steel structures —Part 1-3: General rules —Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. BS EN 1993-1-3[S]．

[15]Eurocode 3: Design of steel structures —Part 1-8: Design of joints. BS EN 1993-1-8[S]．

[16]Eurocode 3: Design of steel structures —Part 1-9: Fatigue. BS EN 1993-1-9[S]．

[17]Eurocode 3: Design of steel structures —Part 1-10: Material toughness and through-thickness properties. BS EN 1993-1-10[S]．

[18]Eurocode 3 — Design of steel structures —Part 1-11: Design of structures with tension components[S]．

[19]Eurocode 2: Design of concrete structures —Part 1-1: General rules and rules for buildings[S]．

[20]Eurocode 4: Design of Composite steel and Concrete Structures. ENV 1994-2: 1997[S]．

[21]Eurocode 3 — Design of steel structures —Part 2: Steel bridges. BS EN 1993-2[S].

Research on Reliability Adjustment of Railway Bridge Serviceability in Limit StateZHU Zhi-ying, QI Cheng-long

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin. 300142, China)

Abstract：On the basis of the current allowable stress specification, preliminary limit state specification and the European specification, normal section crack resistance and bridge rigidity of one railway post-stressed simple supported T beam are calculated, and the reliabilities of serviceability limit state of the three specifications are compared with the safety stock sequence: Euro code> allowable stresses method code> limit state method code. Finally, some suggestions are put forward on the preliminary limit state specification.

Key words：Railway bridge; Reliability; Allowable stresses method; Limit state method

中圖分類號：U442.5+1

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.020

文章編號：1004-2954(2015)01-0080-03

作者簡介：朱志營(1962—)男,高級工程師，E-mail：zhuzhiying@tsdig.com。

收稿日期：2014-10-30