橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠性評(píng)估方法

盧平

摘 要：近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展以及人們生活水平的顯著提高，城市化進(jìn)程的速度也不斷加快。基于這種時(shí)代背景，橋梁工程數(shù)量不斷增多。與此同時(shí)，人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有了更高的要求，致使業(yè)內(nèi)人士對(duì)橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠性引起了重視。作者在文章中就橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠性評(píng)估進(jìn)行了深入細(xì)致地分析和探討。

關(guān)鍵詞：橋梁施工；臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系；可靠性；評(píng)估

現(xiàn)階段，在我國(guó)橋梁施工中，臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)得到了較為廣泛的應(yīng)用。臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系具有較強(qiáng)的可加工性，且重復(fù)利用率較高。然而，在該結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用中，也引發(fā)了一些安全事故。為此，橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠性評(píng)估已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士亟待研究的一項(xiàng)重要課題。

1 橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠性分析

1.1 臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系失效模式

如果橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)的抗力以及荷載都服從正態(tài)分布，并且相互獨(dú)立，則結(jié)構(gòu)的失效模式與多種因素相關(guān)，如結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及材料性質(zhì)、受力形式等等。我們無(wú)法對(duì)所有的失效模式一一進(jìn)行分析，并且各個(gè)失效模式對(duì)橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠度的影響也不一致?，F(xiàn)階段，通過(guò)串并聯(lián)的方式對(duì)體系的失效模式進(jìn)行判斷受到業(yè)內(nèi)諸多人士的推崇。

橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造并不復(fù)雜，且耦合度也比較高。在這種情況下，工作人員可以較為精準(zhǔn)的預(yù)判出橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可能產(chǎn)生的失效行為。據(jù)研究顯示：通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值仿真等串并聯(lián)失效模型可靠度分析的方式，比較契合已知體系失效行為的橋梁結(jié)構(gòu)[1]。鑒于此，作者在文章中在對(duì)橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)和構(gòu)件間相互作用分析的基礎(chǔ)之上，通過(guò)串并聯(lián)模型來(lái)明確橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系失效模式。

1.2 選擇目標(biāo)可靠度指標(biāo)

于構(gòu)件方面，無(wú)論是規(guī)范CHBD，還是AASHTO均采用3.75作為去橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)，在橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)中，最好將可靠度指標(biāo)優(yōu)化到3.5。我國(guó)相關(guān)方面的標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)破壞后帶來(lái)的影響對(duì)目標(biāo)可靠度指標(biāo)進(jìn)行了合理制定，將目標(biāo)可靠度指標(biāo)分為三個(gè)等級(jí)。在此過(guò)程中，延性破壞構(gòu)件為4.7以及4.2、3.7，脆性破壞構(gòu)件則有所提高，具體為5.2以及4.7和4.2。我國(guó)在體系層方面尚未有明確的規(guī)定。有國(guó)外專家認(rèn)為，在體系可靠度指標(biāo)為4.5時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)是比較安全的[2]。

在橋梁施工過(guò)程中，之所以事故頻發(fā)，與臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于經(jīng)濟(jì)有很大的關(guān)系。為此，一定要適當(dāng)將橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度提高。通過(guò)對(duì)各方面要素的綜合考量，可將橋梁結(jié)構(gòu)體系可靠度指標(biāo)設(shè)為4.2。

2 隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.1 抗力的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

在橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)抗力受到多方面因素的影響，有幾何參數(shù)的不定性；材料性能的不定性；計(jì)算模式的不定性。文章中主要針對(duì)幾何參數(shù)的不定性以及材料性能的不定性進(jìn)行探討。

目前階段，鋼筋結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)具有一定離散性，且材料具有一定的不確定性。就這兩點(diǎn)而言，其與鋼結(jié)構(gòu)相比，明顯偏高。然而，分析鋼結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)以及材料性能的不定性也是很有現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值的。

幾何參數(shù)：對(duì)于構(gòu)件的幾何尺寸變異系數(shù)以及厚度變異系數(shù)，不同的專家所持的觀點(diǎn)不同。有專家認(rèn)為對(duì)于普通加工的鋼構(gòu)件，可將其平均截面特性變異系數(shù)設(shè)為5%，而對(duì)于多次重復(fù)利用的鋼構(gòu)件，其截面特性變異系數(shù)可相應(yīng)有所提升，提升至8%。文章綜合各方面的因素進(jìn)行考量，在計(jì)算中假定結(jié)構(gòu)的截面積有10%的變異。

2.2 荷載統(tǒng)計(jì)的參數(shù)

2.2.1 永久荷載

永久荷載包含有兩個(gè)層面：一是混凝土重量，二是臨時(shí)結(jié)構(gòu)自重。在混凝土澆筑期間，恒載的變異系數(shù)取值是有一定規(guī)律的，其范圍主要在0.08-0.10之間。也有專家認(rèn)為，變異系數(shù)的取值應(yīng)為0.05。對(duì)此，不同專家的觀點(diǎn)不一而足。就目前施工質(zhì)量的控制情況來(lái)看，混凝土的自重偏差系數(shù)和變異系數(shù)應(yīng)分別取為1.00和0.05，與高斯分布相契合[2]。通過(guò)截面的變異可以使臨時(shí)結(jié)構(gòu)的自重變異得以實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 可變荷載

在橋梁工程施工過(guò)程中，可變荷載的取值是混凝土澆筑完成后所對(duì)應(yīng)的荷載值。在橋梁施工中，臨時(shí)結(jié)構(gòu)承受豎向荷載以及風(fēng)載等橫向荷載。尤其是于跨海跨江的大橋工程施工過(guò)程中，風(fēng)荷載比較大。鑒于此，在具體進(jìn)行計(jì)算時(shí)，宜對(duì)橫向的風(fēng)荷載進(jìn)行充分考慮，且應(yīng)將施工地?cái)?shù)十年乃至百年一遇的風(fēng)壓值考慮進(jìn)來(lái)，但對(duì)風(fēng)壓的變異性可不予考慮。

2.2.3 人為因素的差錯(cuò)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)在安裝以及移動(dòng)時(shí)，之所以會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體失效的狀況，多半是由人為因素造成的。為此，在橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠性分析過(guò)程中，一定要將人為因素充分考慮進(jìn)來(lái)，對(duì)其進(jìn)行量化。然而，目前階段，和人為因素有關(guān)的差錯(cuò)的統(tǒng)計(jì)資料非常少。經(jīng)過(guò)周密分析和計(jì)算，可以假定全部人為因素造成的差錯(cuò)只對(duì)橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)抗力分布的期望值產(chǎn)生影響，對(duì)分布的離散性無(wú)影響。與此同時(shí)，可以假定全部受到人為因素的差錯(cuò)的影響的工作被全面細(xì)致地檢查兩次。

3 算例的具體分析

3.1 工程基本概況

在對(duì)橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系可靠性評(píng)估的過(guò)程中，可以一三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁矮塔斜拉橋?yàn)槔?。該工程的最大懸澆?jié)段箱梁的高度和長(zhǎng)度分別為5.173米和5.000米，工程的混凝土方量為68.7立方米，通過(guò)對(duì)稱懸臂的方式進(jìn)行施工，在此過(guò)程中，每一節(jié)段的混凝土要一次性澆筑完。該橋梁箱懸臂施工所采用的是自錨式三角掛籃，構(gòu)件為Q235型鋼，立柱和主縱梁部分選用的是Q345的鋼銷連接[3]。

3.2 體系失效的模式

掛籃失效行為的產(chǎn)生，主要與以下幾方面原因相關(guān)：（1）掛籃傾覆或者墜落。（2）掛籃的部分桿件失效。以上是造成掛籃失效的兩種最主要的原因。文章在充分研究三角掛籃失效資料的基礎(chǔ)上，對(duì)掛籃可能失效的情況進(jìn)行明確，并查找出可能的原因，具體有如下幾種：（1）掛籃因傾覆而失效，通常與后錨失效有很大關(guān)系。（2）主縱梁或者立柱、后拉桿等構(gòu)件失效。（3）四個(gè)橫梁失效。（4）單根吊帶或者相鄰、非相鄰的吊帶失效。

通過(guò)對(duì)造成吊籃失效的原因進(jìn)行綜合分析，有針對(duì)性的明確計(jì)算工況，并通過(guò)有限元對(duì)本算例掛籃有效計(jì)算，將有限元的計(jì)算結(jié)果和串并聯(lián)模型相結(jié)合，可以明確該掛籃可能的失效模式。在具體進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，通過(guò)從屬面積的方式，將混凝土節(jié)段自重和施工可變荷載施加到底板小縱梁，將風(fēng)荷載分?jǐn)偟綊旎@主桁架上。通過(guò)周密的分析和計(jì)算，該三角掛籃的失效模式具體變現(xiàn)如下：（1）就桁架子體系而言，一定要確保三榀桁架的有效性，因?yàn)槠渲腥我画h(huán)節(jié)或構(gòu)件失效，都會(huì)致使掛籃體系失效。鑒于此，宜使各榀桁架為串聯(lián)關(guān)系。在這種情況下，只有主縱梁產(chǎn)生失效，才會(huì)發(fā)生榀桁架失效的狀況。（2）在吊帶子體系中，如果發(fā)生相鄰兩吊帶失效的狀況，便會(huì)導(dǎo)致吊帶子體系失效，并進(jìn)一步致使掛籃體系失效。在這種情況下，可將吊帶子體系的失效模式看作相連吊帶并聯(lián)的失效模式。（3）如果部分構(gòu)件和后錨、連接中任一環(huán)節(jié)或者構(gòu)件失效，便會(huì)發(fā)生掛籃體系失效的現(xiàn)象。鑒于此，這一部分的失效模式都應(yīng)串聯(lián)[4]。綜合以上現(xiàn)象進(jìn)行分析，掛籃結(jié)構(gòu)的失效模式可看作是桁架以及橫梁、吊帶等的串聯(lián)失效模式。圖1是三角掛籃模式失效圖。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 構(gòu)件層次分析

綜合分析構(gòu)件的受力形式，在此基礎(chǔ)之上，明確對(duì)應(yīng)的破壞模式，并且采用行之有效的抽樣法計(jì)算出各構(gòu)件的可靠度指標(biāo)。通過(guò)計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）在具體施工過(guò)程中，掛籃的前斜撐可靠度的指標(biāo)最低，說(shuō)明掛籃符合相關(guān)要求，且安全儲(chǔ)備性較強(qiáng)。（2）相比其它構(gòu)建，上橫梁的可靠度指標(biāo)較高，鑒于此，可適當(dāng)將該構(gòu)件更換為較小截面積的構(gòu)件。（3）風(fēng)荷載在絕大多數(shù)情況下對(duì)構(gòu)件的可靠性指標(biāo)的影響都不大，主要是因?yàn)橄啾葯M向荷載，同豎向荷載過(guò)小。

3.3.2 體系層次分析

對(duì)掛籃體系進(jìn)行可靠度計(jì)算分析的結(jié)果如下：（1）掛籃體系可靠度指標(biāo)比最小子體系可靠度指標(biāo)小，之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，主要是因?yàn)閽旎@體系的失效模式的構(gòu)成所致。（2）在考慮和不考慮人因差錯(cuò)和風(fēng)荷載的情況下，掛籃體系的可靠度指標(biāo)表現(xiàn)出一定程度的不同，說(shuō)明該掛籃較安全。（3）相比其它子體系，后錨子體系的可靠度指標(biāo)明顯偏高，但綜合考慮，不建議對(duì)后錨部分進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

終上所述，在對(duì)橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的失效模式進(jìn)行判定的過(guò)程中，有限單元計(jì)算和串并聯(lián)失效模型相結(jié)合的方式非常有效。同時(shí)，通過(guò)體系可靠度來(lái)評(píng)估橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性，可以使在施工過(guò)程中產(chǎn)生的一些問(wèn)題得到很好的解決。鑒于此，橋梁施工的永久荷載取值和變異參數(shù)、可變荷載均值、變異系數(shù)宜分別取1.0、0.05、0.3倍名義值、0.7，此外，在分析臨時(shí)結(jié)構(gòu)的可靠度時(shí)，一定要充分考慮人因差錯(cuò)。通過(guò)以上措施，可以提升橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系的可靠性，使橋梁工程更好地服務(wù)于新時(shí)期的發(fā)展需要。

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