橋梁結(jié)構(gòu)冗余度的評價指標(biāo)研究

張宏錸+田娟

摘 要：冗余度是結(jié)構(gòu)體系在特定危機(jī)事件中的強(qiáng)度儲備，或是意外發(fā)生時，保證結(jié)構(gòu)持續(xù)履行功能的能力。冗余度更多應(yīng)該是結(jié)構(gòu)整體的一種對“災(zāi)難”的承受能力。橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度可以借用橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的某些參數(shù)和指標(biāo)來描述，而不應(yīng)該成為結(jié)構(gòu)可靠度的一種貢獻(xiàn)。文章重點介紹了在不同荷載水平下，對橋梁結(jié)構(gòu)冗余度的評估，并提供一種非主觀性的、確定性的評價指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：冗余度；結(jié)構(gòu)體系；橋梁結(jié)構(gòu)；評價指標(biāo)

引言

美國1967年銀橋（Silver Bridge or Point Pleasant Bridge）的垮塌和1983年米阿納斯河橋（Mianus River Bridge）的垮塌事故，對AASHTO規(guī)范有很顯著的影響。在1996年AASHTO的首版荷載抗力系數(shù)設(shè)計法規(guī)范中，首次在設(shè)計原則中明確提出冗余度的要求。

1 橋梁結(jié)構(gòu)冗余度的定義

橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度是指結(jié)構(gòu)在局部破壞的情況下，整體結(jié)構(gòu)繼續(xù)承受荷載的能力。更確切一些也可以理解為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的承載能力儲備率（或者稱為強(qiáng)度儲備率）。橋梁結(jié)構(gòu)的局部破壞形式可以是構(gòu)件或連接突然的脆性破壞，也可以是橋梁局部發(fā)生大變形后的延性破壞；破壞的原因可能是嚴(yán)重的活載超載、構(gòu)件的疲勞斷裂、水流沖刷導(dǎo)致地基承載力下降，或是突發(fā)事故如車撞、船撞、地震等。

2 橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度分析

冗余度分析的主要目的不是判斷橋梁失效在損失一個構(gòu)件后能否繼續(xù)服務(wù)，而是研究橋梁系統(tǒng)在失去一個構(gòu)件后，在相關(guān)部門發(fā)現(xiàn)損傷并采取處理措施（如關(guān)閉交通、維修、重建）之前的這一時間段內(nèi)，能繼續(xù)安全承擔(dān)交通荷載的能力。

評估橋梁冗余水平，首先要理解橋梁系統(tǒng)在荷載作用下的響應(yīng)。橋梁系統(tǒng)的性能可用圖1表示。該圖反映了不同荷載水平下的橋梁的響應(yīng)，以及橋梁構(gòu)件安全性、系統(tǒng)安全性、系統(tǒng)冗余評估的相應(yīng)準(zhǔn)則。橋梁響應(yīng)用臨界截面的最大位移來衡量。

圖1中的A線表示某一完好、延性橋梁系統(tǒng)在不同荷載水平下的最大撓度，“完好系統(tǒng)”指橋梁結(jié)構(gòu)未經(jīng)受破壞性荷載或事件。

在進(jìn)行承載能力分析時，最初只考慮橋梁恒載，然后在此基礎(chǔ)上逐級施加瞬載。當(dāng)瞬載達(dá)到LF1時，第一個構(gòu)件失效，LF1反映構(gòu)件安全水平。LF1代表結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在第一構(gòu)件達(dá)到極限承載能力之前能承受的荷載，可以用實際荷載值衡量，也可以用基本荷載的倍數(shù)衡量，如設(shè)計貨車荷載的輛數(shù)。

通常，荷載達(dá)到LF1后，整個橋梁還可繼續(xù)承載加載，直到瞬載達(dá)到LFu。LFu可衡量橋梁系統(tǒng)安全性。橋梁撓度過大，則其功能性不滿足要求，不宜繼續(xù)使用，LFf用來衡量系統(tǒng)功能性，荷載達(dá)到此值則橋梁失去功能性。

如果橋梁因一個或多個構(gòu)件發(fā)生了脆性破壞而經(jīng)受了大的破壞，其行為可用圖1B曲線“受損橋梁”表示。瞬載達(dá)到LFd時，受損橋梁達(dá)到極限承載能力，LFd衡量受損系統(tǒng)的殘余安全度。

因為冗余的定義是結(jié)構(gòu)在失去一個主要構(gòu)件后繼續(xù)承擔(dān)荷載的能力，原始完好橋梁系統(tǒng)和受損橋梁系統(tǒng)的總承載力分別用圖1中的LFu，LFf，LFd衡量。這些值與最關(guān)鍵構(gòu)件的承載力LF1的比值，即是橋梁冗余的度量。研究者將其定義為“系統(tǒng)儲備率”或者“冗余率”，強(qiáng)度極限狀態(tài)對應(yīng)的冗余率表示為Ru，工作極限狀態(tài)的冗余率表示為Rf，受損橋梁的冗余率表示為Rd。

冗余率Ru，Rf與Rd為橋梁冗余提供了非主觀的、確定性的評價指標(biāo)。例如，如果Ru=1，（即Lfu=LF1），橋梁系統(tǒng)的極限承載能力等于橋梁關(guān)鍵構(gòu)件的承載能力，該類橋梁是非冗余橋梁。橋梁冗余水平隨著Ru的增大而增大。

為了檢查橋梁系統(tǒng)是否有足夠的冗余水平，只需利用非線性結(jié)構(gòu)分析軟件計算LFu，LFf，LFd及LF1，以驗證Ru，Rf和Rd是否足夠。如果系統(tǒng)構(gòu)造不能提供足夠的冗余度，則應(yīng)改變構(gòu)造。需要注意的是即使Ru，Rf和Rd低于預(yù)期，只要LFu，LFf，LFd及LF1值比較高，橋梁仍可能具備較高的構(gòu)件、系統(tǒng)安全水平，而有些橋梁雖然冗余水平足夠高，但由于構(gòu)件安全水平LF1太低，在一些情況下仍然不安全。

因此，橋梁設(shè)計規(guī)范的目的不是提供足夠的冗余水平，而是保障足夠的系統(tǒng)安全水平。如果橋梁系統(tǒng)的冗余水平低，應(yīng)提高橋梁構(gòu)件的安全儲備，即提高LF1，LFu，LFf，和LFd，降低構(gòu)件失效的概率，更重要的是，降低系統(tǒng)坍塌的概率。

3 結(jié)束語

評價構(gòu)件和系統(tǒng)安全性，需要借助非線性分析方法，計算LF1，LFu，LFf及LFd，看其是否滿足要求。計算橋梁結(jié)構(gòu)冗余度的方法是用3D有限元軟件（如abaqus，midascivil），建立橋梁模型，先計算橋梁在初始（完好）狀態(tài)的承載力，然后分析不同破壞工況下橋梁的承載力，通過對比分析，得出橋梁的冗余水平。但是，系統(tǒng)安全與冗余分析需要較高的專業(yè)水平，不適用于常規(guī)橋梁的常規(guī)評估。因此建議針對常見類型橋梁的設(shè)計與安全評價，引入系統(tǒng)因子，簡化系統(tǒng)安全與冗余分析，對于冗余水平低不滿足要求的橋梁，提高其構(gòu)件的安全儲備。

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