公路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的可靠度分析

銀鑫　姚海鷹

公路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的可靠度分析

銀鑫姚海鷹

近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也在不斷加深，對(duì)結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高，更多人開始重視不確定性因素的處理與研究，因此目前結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性更高，也更加符合實(shí)際情況。鑒于此，筆者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，從不同角度針對(duì)公路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的可靠度展開了分析，希望可以為同行帶來(lái)一些參考。

公路；預(yù)應(yīng)力混凝土；橋梁；可靠度

傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)分析通常會(huì)將相關(guān)信息看成是確定性的東西，在一定條件下是必然要發(fā)生的存在定量關(guān)系或者確定數(shù)值的事物，實(shí)際上工程結(jié)構(gòu)中存在著很多不確定因素，近年來(lái)隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)程度不斷加深，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析要求逐漸提高，這種情況下人們開始重視不確定性信息的處理，與以前的工程結(jié)構(gòu)相比要更加科學(xué)、合理一些。結(jié)構(gòu)可靠性分析的應(yīng)用克服了以前定值方法在應(yīng)用過(guò)程中暴露的不足，可以對(duì)工程結(jié)構(gòu)中存在的不確定性因素進(jìn)行合理考慮，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行統(tǒng)一衡量，這樣就可以將工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收等規(guī)范在可靠性理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1　公路橋梁荷載及抗力概率模型

1.1作用與作用效應(yīng)分析

本文索要研究的恒載是指結(jié)構(gòu)橋梁與附加建筑的重力荷載，具體來(lái)說(shuō)是水泥或?yàn)r青混凝土鋪裝層自重以及預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)制構(gòu)件自重等，在具體工程中可以將橋梁結(jié)構(gòu)自重荷載看成是橋面鋪裝層自重及橋梁結(jié)構(gòu)自重按照相應(yīng)比例疊加之后得到的荷載。恒載屬于永久作用，它隨時(shí)間的變化非常小，因此可以將其看作是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期中保持恒定的量值，利用隨機(jī)變量概率模型對(duì)其進(jìn)行分析。據(jù)相關(guān)資料顯示，我國(guó)學(xué)者共在9省針對(duì)18座水泥混凝土橋面、18座瀝青混凝土橋面中展開了實(shí)測(cè)調(diào)查，得到數(shù)據(jù)2095個(gè)，有關(guān)瀝青混凝土橋面厚度數(shù)據(jù)2045個(gè)，總分布面積達(dá)28140多平方米，利用隨機(jī)抽樣的方式在14個(gè)省、市以及自治區(qū)中的42個(gè)預(yù)制場(chǎng)中對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行了實(shí)測(cè)。并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常值進(jìn)行剔除處理，并將其作為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)。

表1　橋面鋪裝層厚度、容重及構(gòu)件自重統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

橋梁恒載主要由橋面重和構(gòu)件重組成，需要將這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)結(jié)合在一起，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理服從正態(tài)分布，同時(shí)在任意點(diǎn)上結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自重Gi的概率分布也服從于正態(tài)分布，因此可以算出實(shí)測(cè)自重的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

1.2車輛荷載模型

車輛荷載是車輛在行駛過(guò)程中對(duì)橋梁產(chǎn)生的力，因?yàn)槟Ｐ屯瑫r(shí)在時(shí)間與空間上存在雙重隨機(jī)性，因此可以利用隨機(jī)過(guò)程概率模型對(duì)其展開模擬，通常可以利用車重、軸距、車輛通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻等參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行描述，因?yàn)檐囕v荷載具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，建立模型往往需要大量數(shù)據(jù)和資料。我國(guó)交通部根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)針對(duì)汽車荷載及荷載效應(yīng)展開了比較詳盡的統(tǒng)計(jì)分析，利用“公路車輛動(dòng)態(tài)測(cè)試儀”針對(duì)汽車荷載展開了一系列調(diào)查，在江蘇揚(yáng)州、河北承德等多個(gè)地點(diǎn)展開了測(cè)試，這些測(cè)量的車輛其交通情況不同，直接反映了我國(guó)不同界別公路的車流情況，通過(guò)連續(xù)5d的檢測(cè)，得到了共6萬(wàn)多輛車的數(shù)據(jù)，同時(shí)還利用人工方法得到了300多輛汽車的自然擁堵情況，這些數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了汽車荷載效應(yīng)分析基礎(chǔ)。

2　承載能力極限狀態(tài)可靠度分析

簡(jiǎn)支橋梁在梁式橋中是應(yīng)用最為廣泛的一種橋型，它的受力非常簡(jiǎn)單，適用T形梁等構(gòu)造簡(jiǎn)單的截面形式，在體系文編以及張拉預(yù)應(yīng)力等情況下不會(huì)在梁中產(chǎn)生附加壓力，設(shè)計(jì)及計(jì)算非常方便，各種標(biāo)準(zhǔn)跨徑裝配式結(jié)構(gòu)中都適用，因?yàn)楹?jiǎn)支梁屬于靜定結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力不會(huì)受到地基變形等相關(guān)因素的影響，機(jī)上對(duì)基礎(chǔ)要求比較低，可以在地基交叉的橋址上建橋，通常多孔簡(jiǎn)支梁橋相鄰橋孔都各自受力，以便施工管理的簡(jiǎn)化以及橋梁的架設(shè)和預(yù)制，施工費(fèi)用也比較低，所以目前在我國(guó)城市的跨河橋梁及高架橋中得到了廣泛的應(yīng)用。

通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用跨中正彎矩展開控制，如果跨徑增大，跨中恒載及活載就會(huì)加劇，如果恒載彎矩比例非常大，其結(jié)構(gòu)能夠承載的能力就會(huì)相應(yīng)減小，結(jié)構(gòu)恒載減小了，抵抗活載的能力增大?，F(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的最大跨徑為76m，如果跨徑超過(guò)了50m，那么就會(huì)為工地施工帶來(lái)困難，也不能體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性的原則。

在結(jié)構(gòu)可靠性分析過(guò)程中，因?yàn)槊總€(gè)因素都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)失效造成不同程度的影響，因此結(jié)構(gòu)可靠性分析的一種重要標(biāo)準(zhǔn)就是研究不同因素對(duì)可靠度的影響。但是現(xiàn)階段并沒(méi)有針對(duì)靈敏度形成統(tǒng)一的定義，不同研究者的研究利用的定義都不同，但是通常情況下隨機(jī)變量靈敏度分析應(yīng)從兩方面進(jìn)行分析：①隨機(jī)變量分布參數(shù)的分析，又被稱為分布參數(shù)的敏感度；②當(dāng)分布參數(shù)一定，極限狀態(tài)方程因?yàn)槭艿诫S機(jī)變量的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度產(chǎn)生了影響，這時(shí)被稱為極限狀態(tài)下方程參數(shù)的敏感度。

通過(guò)進(jìn)一步的分析與研究，發(fā)現(xiàn)目前新舊規(guī)范對(duì)橋梁敏感性分析存在一致的規(guī)律，同時(shí)橋梁可靠指標(biāo)受到預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度的影響非常大，車輛荷載效應(yīng)、腹板及翼緣厚度的變異性對(duì)構(gòu)件可靠度影響比較小，在進(jìn)行可靠度簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，可以將其作為常數(shù)進(jìn)行處理。

3　正常使用極限狀態(tài)可靠度分析

承載能力極限狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性提出了要求，處于這種極限狀態(tài)下設(shè)計(jì)的公路橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)過(guò)程中，極限狀態(tài)的正常使用往往起到了控制性的作用，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)適用性及及耐久性要求，提出了抗裂性、應(yīng)力及撓度等方面的限制，這種極限狀態(tài)目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中提出了目標(biāo)可靠指標(biāo)及各指標(biāo)的限值，但是并沒(méi)有對(duì)各規(guī)定的可靠度水平進(jìn)行明確規(guī)定。隨著預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其正常使用問(wèn)題開始引起人們的關(guān)注，特別是在抗裂性分析上，因?yàn)槭艿礁鞣N主觀因素的影響，其中一些內(nèi)容已經(jīng)不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的步伐，因此在抗裂可靠性上出現(xiàn)了一些問(wèn)題。

新舊橋規(guī)將預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗裂性驗(yàn)算分成斜截面和正截面兩個(gè)部分，本文僅針對(duì)正截面抗裂性可靠度進(jìn)行分析。按照新橋規(guī)，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在正截面抗裂性驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)符合以下要求：

式中：σst表示荷載短期效應(yīng)組合下，梁底緣產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力。σpc表示將全部預(yù)應(yīng)力損失的預(yù)加力扣除以后，在梁底緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力；0.85σpc表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有的抗力。利用σpc與0.85的乘積作為保證新舊規(guī)范之間銜接的重要依據(jù)。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新舊規(guī)范在抗彎承載能力極限狀態(tài)下的可靠指標(biāo)都比較高，因?yàn)樾聵蛞?guī)汽車荷載計(jì)算模式中做了一些改進(jìn)，加上得到的效應(yīng)也比舊橋規(guī)計(jì)算結(jié)果高一些，所以可靠指標(biāo)要較舊規(guī)范低一些。橋梁結(jié)構(gòu)可靠性的影響因素有很多，但是能夠起到控制可靠指標(biāo)作用的并不多，其中預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度的可靠度影響最大，其他印度的影響都比較小，因此在可靠度簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程中可以將其當(dāng)做常量進(jìn)行處理。

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1673-0038（2015）41-0262-02

2015-9-25