橋梁設(shè)計的冗余度

何安寧

摘 要：為了敘述在橋梁設(shè)計中，運用冗余度設(shè)計理念的重要性。文章主要從冗余度的概述、橋梁設(shè)計闡述對結(jié)構(gòu)冗余度的影響以及對橋梁冗余度的探索和優(yōu)化建議等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計；冗余度；安全性

近三十年來，包括美國在內(nèi)的很多國家，為了實現(xiàn)橋梁在發(fā)生破壞的狀況下，使其依然可以繼續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)原有的功能，更好的設(shè)計出安全、牢固的橋梁，都橋梁設(shè)計的冗余度設(shè)計上投入了很大精力。這也說明了，冗余度的設(shè)計在橋梁設(shè)計中的重要影響。在文章中，筆者將從橋梁設(shè)計的冗余度和它的定義和內(nèi)涵進(jìn)行簡單地介紹，并且分析橋梁曲線半徑、橋梁跨長、外部橫向連接數(shù)量等設(shè)計參數(shù)指標(biāo)與冗余度和橋梁安全、穩(wěn)定的關(guān)系，同時，結(jié)合對相關(guān)資料的整理和研究，切合自身理解在文章的最后提出了橋梁設(shè)計中冗余度設(shè)計的優(yōu)化方案和建議。

1 冗余度的概述

在有關(guān)媒體報刊中我們可以看到，美國鋼橋和俄亥俄州I-275四跨連續(xù)鋼板梁橋的破壞過程，不難發(fā)現(xiàn)在中，在橋墩出現(xiàn)了部分破壞約十分鐘左右，I-275四跨連續(xù)鋼板梁橋的橋梁結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定，而美國鋼橋則是由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而突然地整體塌裂，產(chǎn)生這一不同現(xiàn)象的主要因素各大媒體和相關(guān)領(lǐng)域眾說紛紜，在這項案例中，盡管已經(jīng)有學(xué)者分析，并且指出了其產(chǎn)生不同現(xiàn)象的原因的多樣性，但歸根結(jié)底在美國鋼橋和俄亥俄州I-275四跨連續(xù)鋼板梁橋的破壞過程中，起到?jīng)Q定性作用的是橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度大小的設(shè)計。下面，就將對冗余度的定義、內(nèi)涵等方面進(jìn)行闡述。

1.1 冗余度的定義

現(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計還是目前計算機(jī)技術(shù)水平所不能夠完全普及的領(lǐng)域，冗余度和超凈定次數(shù)通常會被混淆，從而將精力平衡與自由度相對等以方便計算。但這種算方法運用到實際工程設(shè)計中時，便會發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的約束超過了結(jié)構(gòu)的自由度，因此說，冗余度就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計中超靜定結(jié)構(gòu)中多余的約束。而這些多余約束即使是連接失效，還是可以時間結(jié)構(gòu)在一定時間內(nèi)的相對穩(wěn)定。故而，冗余度便在橋梁設(shè)計中具有著一種強(qiáng)度儲備的作用，并且與系統(tǒng)行為有所關(guān)聯(lián)。

1.2 冗余度系數(shù)

在大多數(shù)的橋梁的設(shè)計規(guī)范中，一般會使用，冗余度系數(shù)由ηR表示。橋梁的結(jié)構(gòu)在實際的設(shè)計實踐中，經(jīng)常將其分為兩個部分：上部單元和下部單元。結(jié)合相應(yīng)的可靠度指標(biāo)，對其進(jìn)行冗余度的定量運算，從而得到特定橋梁的強(qiáng)度儲備率，最終運算處冗余度系數(shù)，且以此為橋梁冗余度的設(shè)計提供參考依據(jù)。根據(jù)實際的工程案例分析得到以下關(guān)于簡支梁的數(shù)據(jù)圖解，通過整理，得到下圖所示：主梁總數(shù)和主梁間距與冗余度系數(shù)的關(guān)系圖。

由上圖所示可以發(fā)現(xiàn)，在主梁間距不變的情況下，結(jié)構(gòu)冗余度隨著主梁數(shù)的增大而上升，但當(dāng)主梁的數(shù)量大于6以后，主梁總數(shù)對冗余度系數(shù)帶來的影響就比較小了。此外，主梁總數(shù)一定的情況下，結(jié)構(gòu)冗余度系數(shù)隨著梁間距的增大而漸漸變小。

1.3 橋梁設(shè)計的結(jié)構(gòu)冗余度

冗余度在整個橋梁結(jié)構(gòu)體系中是有著非常重要的比重，但在對整個橋梁機(jī)構(gòu)的研究過程中結(jié)構(gòu)體系卻往往僅僅通過受理系統(tǒng)將動能不同的結(jié)構(gòu)部件科學(xué)、有序的進(jìn)行鏈接，從而保證其具有足夠的荷載能力。在橋梁結(jié)構(gòu)中，如果缺少冗余度，由于如果在整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在某一條件下連接部件遭到損壞的狀況下，便會致使整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)體系的安全系數(shù)降低。反之，如果橋梁結(jié)構(gòu)有冗余度，則其結(jié)果便會不一樣，通常某個部件被損壞，就不會對整個橋梁結(jié)構(gòu)造成穩(wěn)定性變化的影響。所以，在橋梁設(shè)計中設(shè)定一個冗余度，保證了整個橋梁結(jié)構(gòu)體系的安全和穩(wěn)定。也就是說，橋梁結(jié)構(gòu)的承載力與其荷載、再分配能力的大小存在這正相關(guān)的聯(lián)系。

2 橋梁各設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)冗余度的影響

在橋梁設(shè)計中，整個橋梁系統(tǒng)是渾然一體的整體，其中的每個部件都各自發(fā)揮這其重要的功能。冗余度的設(shè)計中，橋梁的跨長、曲線半徑、外部橫向連接的數(shù)量、歪脖橫向連接的類型都對冗余度有著或多或少的影響，同時這些因素也都關(guān)系著整個橋梁系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

2.1 跨長對結(jié)構(gòu)冗余度的影響

經(jīng)由實際研究實踐，跨長并不是冗余度的決定性實際參數(shù)，這個結(jié)論主要體現(xiàn)在于，當(dāng)外部橫向的連接足夠多的時候，可以使跨長不同的橋梁達(dá)到相同的冗余度數(shù)值，也就是說，結(jié)構(gòu)冗余度受跨長的影響比較小。

2.2 外部橫向連接數(shù)量的影響

在橋梁受到的破壞在發(fā)生損壞的初始階段時，理論上說混凝土橋面受到的損壞很難及時的傳遞到臨近的橫向連接部分，所以，橋梁設(shè)計的冗余度受到外部航向連接的數(shù)量、種類的影響很大。在橋梁設(shè)計的實際過程中，也很容易看出橋梁的外部橫向連接種類和數(shù)量與冗余度的大小有著很大的關(guān)系。

2.3 外部橫向連接類型對結(jié)構(gòu)冗余度的影響

至關(guān)重要的是，永久性外部橫向連接、橫隔板的設(shè)計對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。其起到的主要作用便是，保證了橋梁系統(tǒng)在橫向傳遞的能力。此外，從橋梁設(shè)計的安全和穩(wěn)定角度看，實心和隔膜板鏈接和外部橫向連接的類型之間的良好配合，才會使受力系統(tǒng)最為可靠。最后，有一點需要特別提出，在某種特殊情況下，對于冗余度的提高，實心橫隔板要比K形連接效果更好。

2.4 曲線半徑對結(jié)構(gòu)冗余度的影響

以跨徑75m的橋梁設(shè)計作為例子進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的冗余度會隨著曲線半徑增長而隨之增長。建立在針對曲線半徑為250米、200米、150米三個不同等級的曲線半徑對冗余度的影響，我們可以得出一個結(jié)論，便是跨徑不一樣的橋梁曲線半徑會產(chǎn)生不同的冗余度變化。

3 對橋梁設(shè)計的冗余度探索以及優(yōu)化建議

隨著社會發(fā)展的需要，對于橋梁的使用年限和使用質(zhì)量上的要求也越來越高，再加之在我國繁榮昌盛的現(xiàn)狀下，阡陌發(fā)達(dá)的交通，更是要求我們對橋梁設(shè)計的安全、穩(wěn)定和耐久等方面，都要做到更好的保證。

3.1 探索

對于橋梁設(shè)計冗余度的優(yōu)化方案，基本需要遵循三項原則：首先，從當(dāng)?shù)貙嶋H情況出發(fā)，制定切合實際要求的橋梁設(shè)計冗余度；其次，橋梁設(shè)計的過程中，要盡可能多的采用整體性、連續(xù)性高的結(jié)構(gòu)方案；最后，在實際設(shè)計時，對于跨度較大的橋梁，需要考慮關(guān)鍵構(gòu)件的受力傳遞能力。需要特別關(guān)注的是，不能片面的將冗余度視作橋梁設(shè)計的可靠性準(zhǔn)則，因為冗余度只是為了實現(xiàn)橋梁在發(fā)生破壞的狀況下，使其依然可以繼續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)原有功能的作用。

3.2 優(yōu)化建議

結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，制定相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計；在橋梁設(shè)計中多考慮整體性、連續(xù)性高的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；在跨度較大的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮關(guān)鍵構(gòu)建的手里傳遞能力。在遵循以上橋梁設(shè)計的三個原則的基礎(chǔ)上，筆者對此提出了以下幾點優(yōu)化建議。

（1）首先，在實際的應(yīng)用過程中，切實結(jié)合橋梁的特定用途、使用環(huán)境，從而設(shè)計恰當(dāng)?shù)娜哂喽?。例如，根?jù)公路體系中，某些滑坡、洪水、泥石流等客觀因素發(fā)生概率，從而設(shè)計切合事宜的路段結(jié)構(gòu)冗余度。

（2）對于某些特殊的大跨度橋梁設(shè)計，應(yīng)結(jié)合三維有限元分析，在結(jié)構(gòu)體系中尋找連鎖破壞模式。結(jié)合制造、養(yǎng)護(hù)、設(shè)計等多個方面考慮，盡可能降低事故發(fā)生的概率。

（3）為了使設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計的作用，得到更好、更完善的發(fā)揮，便需要我們在實際橋梁施工設(shè)計中，針對設(shè)計指導(dǎo)原則得到更多的應(yīng)用。

4 結(jié)語

綜上所述，文章通過針對橋梁設(shè)計過程中冗余度的設(shè)計，做了詳細(xì)的探究、分析，并結(jié)合相應(yīng)情境和實際情況下的冗余度設(shè)計提出了發(fā)展性的優(yōu)化目標(biāo)和方案，同時指出了橋梁設(shè)計中冗余度設(shè)計的基本原則，筆者期望文章的闡述可以為今后的橋梁設(shè)計領(lǐng)域提供一定的利用價值和參考依據(jù)。

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