探究橋梁設(shè)計(jì)的冗余度

寧森全

[摘 要]設(shè)計(jì)人員在對(duì)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，為了保證橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)固性，對(duì)冗余度的運(yùn)用越來越注重，他們通過將橋梁的斷裂和破壞模式與冗余度聯(lián)系起來進(jìn)行分析，確定了橋梁抵抗一般結(jié)構(gòu)損壞力的能力。本文主要通過分析美國(guó)鋼橋和俄亥俄州I-275四跨連續(xù)鋼板梁橋?yàn)槔?，首先?duì)冗余度的定義以及其在橋梁結(jié)構(gòu)體系中的內(nèi)在意義，其次簡(jiǎn)要的介紹了冗余系數(shù)與橋梁各設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系，最后針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計(jì)提出了幾點(diǎn)合理化建議。

[關(guān)鍵詞]橋梁設(shè)計(jì)；冗余度；安全性；鋼橋； 疲勞斷裂

中圖分類號(hào)：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）26-0029-01

1 冗余度以及其在橋梁設(shè)計(jì)中的內(nèi)在意義

1.1 冗余度的定義及內(nèi)涵

通過媒體報(bào)刊的報(bào)道，分析美國(guó)鋼橋和俄亥俄州I-275四跨連續(xù)鋼板梁橋的破壞過程，不難發(fā)現(xiàn)在I-275四跨連續(xù)鋼板梁橋中，即使出現(xiàn)了局部的橋墩破壞橋體仍然還可以保持穩(wěn)定約十分鐘，而美國(guó)鋼橋則是突然地結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而塌裂，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因眾說紛紜，盡管有學(xué)者分析指出了其產(chǎn)生原因的多樣性，但歸根結(jié)底起關(guān)鍵作用的是結(jié)構(gòu)體系的冗余度。而關(guān)于冗余度，通常我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，往往會(huì)將其與與超靜定次數(shù)混用，這主要是在計(jì)算機(jī)技術(shù)還沒普及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，為了可以求解靜力平衡方程，一般會(huì)保證靜定結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)目與靜力平衡方程數(shù)目相同，而實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，往往會(huì)存在結(jié)構(gòu)支座約束反力的未知個(gè)數(shù)超過平衡方程的個(gè)數(shù)的情況，即結(jié)構(gòu)的約束多于結(jié)構(gòu)的自由度，即是我們常稱的超靜定結(jié)構(gòu)。而一般情況下，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們把超靜定結(jié)構(gòu)中多余的約束稱作冗余度。正是由于存在這些多余約束，也就可以保證結(jié)構(gòu)在部分約束或連接失效后，仍然可以保證在一定時(shí)間內(nèi)保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性。也就是說，冗余度是作為一種強(qiáng)度儲(chǔ)備或者承載能力儲(chǔ)備而存在的，使得其可以在橋梁結(jié)構(gòu)局部發(fā)生破壞的情況下，整體結(jié)構(gòu)還能夠承受相應(yīng)的荷載，在一定時(shí)間內(nèi)保持其整體性。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度

橋梁結(jié)構(gòu)往往是作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體系被用來研究的，其將不同功能的構(gòu)件有效連接形成結(jié)構(gòu)受力系統(tǒng)，保證其擁有足夠的承載能力。而冗余度在橋梁結(jié)構(gòu)體系中也具有重要的意義。對(duì)于沒有冗余度的結(jié)構(gòu)體系，往往安全系數(shù)較低，因?yàn)橐坏┌l(fā)生構(gòu)件或連接的破壞，以美國(guó)鋼橋?yàn)槔蜁?huì)使得結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)而破壞。而對(duì)于有冗余度的結(jié)構(gòu)來說，以俄亥俄州I-275四跨連續(xù)鋼板梁橋?yàn)槔?，一般的單一?gòu)件的破壞不會(huì)死的結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。在實(shí)際的橋梁工程設(shè)計(jì)中，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般都會(huì)設(shè)置一定的冗余度，保證結(jié)構(gòu)體系具備多重傳力途徑。橋梁結(jié)構(gòu)體系承載能力的儲(chǔ)備率的大小主要取決于結(jié)構(gòu)體系的荷載再分配能力。

1.3 冗余度系數(shù)

在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，一般用ηR表示結(jié)構(gòu)的冗余度系數(shù)。在實(shí)際的公路橋設(shè)計(jì)過程中，一般會(huì)將橋梁結(jié)構(gòu)合理的分為上下兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，結(jié)合相應(yīng)的可靠度指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行冗余度的定量分析，從而得到特定橋梁的度儲(chǔ)備率，另外，通過相應(yīng)的公式計(jì)算得到冗余度系數(shù)ηR的參考取值，以此為橋梁冗余度的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。以下主要是根據(jù)實(shí)際的工程案例分析得到的關(guān)于簡(jiǎn)支梁的數(shù)據(jù)圖解，通過整理，得到如圖所示：

冗余度系數(shù)與主梁總數(shù)和主梁間距之間的關(guān)系

依據(jù)上圖不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主梁間距不變時(shí)，結(jié)構(gòu)冗余度系數(shù)隨著主梁數(shù)的增加而增大，但是當(dāng)主梁數(shù)大于6之后，結(jié)構(gòu)冗余度系數(shù)受到主梁總數(shù)影響就非常小了。除此之外，當(dāng)主梁總數(shù)一定時(shí)，結(jié)構(gòu)冗余度系數(shù)隨著梁間距的增大而逐漸減小。

2 橋梁各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

在橋梁設(shè)計(jì)中，通常使用較多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)主要有橋梁跨長(zhǎng)、曲線半徑、外部橫向連接類型和數(shù)量等，這些設(shè)計(jì)參數(shù)或多或少都對(duì)結(jié)構(gòu)的冗余度產(chǎn)生了一定的影響，以下將分別研究其影響的大小及差異。

2.1 跨長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

通過實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，跨長(zhǎng)不是冗余度決定性的設(shè)計(jì)參數(shù)，這主要是體現(xiàn)在當(dāng)外部橫向連接足夠多的時(shí)候，可以使得不同跨長(zhǎng)的橋梁達(dá)到相同的冗余度Rd值。換句話說，就是橋梁跨長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響相對(duì)比較小。

2.2 曲線半徑對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

研究中針對(duì)曲線半徑分別為100m、200m和300m，通過比較3種不同級(jí)別的曲線半徑對(duì)冗余度的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的研究分析，從而得出在不同跨徑橋梁曲線半徑會(huì)產(chǎn)生不同的冗余度變化。以跨徑為70米的橋梁為例，結(jié)構(gòu)冗余度系數(shù)會(huì)隨著曲線半徑增加而不斷增加。

2.3 外部橫向連接類型對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

永久性外部橫向連接或橫隔板的設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性質(zhì)至關(guān)重要的，它主要起到保證橋梁系統(tǒng)的橫向傳遞能力。在設(shè)計(jì)時(shí)，外部橫向連接和心橫隔板的連接設(shè)計(jì)必須適宜連接構(gòu)件全屈服時(shí)的荷載狀態(tài)。不同類型的外部橫向連接或橫隔板可以起到對(duì)冗余度提升的作用，他們之間也會(huì)相互影響，使得橋梁系統(tǒng)獲得最優(yōu)化的受力系統(tǒng)，從而保證橋梁的安全性和穩(wěn)固性。另外，需要特別指出的是，在特定環(huán)境下，實(shí)心橫隔板比K形連接的冗余度更高。

2.4 外部橫向連接數(shù)量的影響

橋梁發(fā)生損壞的初期，混凝土橋面很難及時(shí)將荷載從梁損壞區(qū)域擴(kuò)展到就近的橫向連接部位，不難得到外部橫向連接的數(shù)量對(duì)橋梁冗余度有較大的影響。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)規(guī)律：當(dāng)橋梁每一跨所包括的外部橫向連接數(shù)量越多，相應(yīng)的其冗余度越高。

3 關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)冗余度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們需要堅(jiān)持的原則有以下三點(diǎn)：第一是在實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)中，必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地質(zhì)情況，制定符合當(dāng)?shù)厝哂喽纫蟮慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二是在橋梁設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡可能的利用連續(xù)性整體性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系和模式，從而保證橋梁的安全性；第三是針對(duì)目前建設(shè)比較多的特大跨度橋梁，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)置足夠的傳力途徑，以保證整體的穩(wěn)定性。我們需要指出的是冗余度的設(shè)計(jì)只是用以在橋梁發(fā)生不可抗力破壞時(shí)保證結(jié)構(gòu)持續(xù)履行功能的能力，不能作為橋梁的可靠度設(shè)計(jì)的指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)體中，構(gòu)件自身的冗余度、與外部邊界條件相關(guān)的冗余度，以及承載途徑的冗余度彼此相互依托、共同存在于結(jié)構(gòu)體系中。建議在規(guī)范中，根據(jù)橋梁的特定使用功能，具體制定針對(duì)特殊事件的冗余度要求。在橋梁設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的地質(zhì)狀況，對(duì)不同路段制定相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度設(shè)計(jì)。除此之外，在我國(guó)目前橋梁設(shè)計(jì)中，比較頻繁的出現(xiàn)大跨度橋梁，這就需要我們采用三維有限元分析結(jié)構(gòu)受力情況，找出設(shè)計(jì)中存在的不足和缺陷，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)本可避免的安全事故隱患。

結(jié)束語

隨著我們對(duì)于橋梁使用的質(zhì)量和使用年限有了更高的要求，加上我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的交通繁榮，使得我們必須保證橋梁設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性、安全性以及耐久性。本文針對(duì)橋梁設(shè)計(jì)過程中比較重要的冗余度設(shè)計(jì)，做了簡(jiǎn)單的分析和探究，并針對(duì)相應(yīng)情境下的冗余度設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)，并指出了橋梁冗余度設(shè)計(jì)的基本原則，期望本文的研究可以為今后類似的橋梁工程的設(shè)計(jì)提供一定的參照依據(jù)。

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