200型裝配式公路鋼橋安全性評(píng)價(jià)及工程應(yīng)用

折孝明，鄒 順,2,3，王 付,2,3，彭澤友,2,3(.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 70075； 2.西安中交土木科技有限公司 陜西 西安 70075；3.高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 70075)

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200型裝配式公路鋼橋安全性評(píng)價(jià)及工程應(yīng)用

折孝明1，鄒 順1,2,3，王 付1,2,3，彭澤友1,2,3
(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.西安中交土木科技有限公司 陜西 西安 710075；3.高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710075)

為了評(píng)價(jià)裝配式公路鋼橋的安全性，使用公路鋼橋結(jié)構(gòu)可靠度理論和橋梁安全評(píng)價(jià)等級(jí)研究200型裝配式公路鋼橋。借助Matlab和Midas有限元軟件，建立基于結(jié)構(gòu)可靠度的極限狀態(tài)方程，求解出可靠度指標(biāo)；制定安全評(píng)估方法，并以工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：安全性評(píng)估方法能夠合理地對(duì)裝配式鋼橋的安全性能做出評(píng)價(jià)，可供同類工程參考。

橋梁工程；安全性評(píng)價(jià)；裝配式公路鋼橋；抗彎承載能力

0 引 言

裝配式公路鋼橋應(yīng)用于緊急情況下的橋梁搶修，因構(gòu)件自重輕、安裝架設(shè)速度快而得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著重型車輛的增加、特殊設(shè)備的運(yùn)輸以及新建交通對(duì)臨時(shí)橋梁需求的增大，裝配式公路鋼橋的設(shè)計(jì)和應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展，吸引更多學(xué)者對(duì)其展開研究。但目前大多學(xué)者主要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)桁架的力學(xué)性能進(jìn)行研究，對(duì)成橋狀態(tài)下整體安全性評(píng)價(jià)很少提及。文獻(xiàn)[1]基于桁架片設(shè)計(jì)了大跨徑的斜拉式裝配式公路鋼橋；文獻(xiàn)[2]在山區(qū)采用三角桁架形式的鋼桁梁進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3]提出應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法評(píng)估應(yīng)急鋼橋設(shè)計(jì)的方案；文獻(xiàn)[4]采用修正的AHP法對(duì)“321”型鋼橋的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，但評(píng)價(jià)過程略顯繁瑣；文獻(xiàn)[5]利用計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)建立裝配式公路鋼橋的健康監(jiān)測評(píng)估體系。由于裝配式公路鋼橋的使用具有臨時(shí)性，在橋上建立結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)耗費(fèi)偏大，所以可研究裝配式公路鋼橋結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)的安全性分析方法，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性，從而保證裝配式公路鋼橋的使用安全[6-7]?；谝陨峡紤]，本文以可靠度理論為基礎(chǔ)，提出一種應(yīng)用于200型裝配式公路鋼橋的安全性分析方法，該方法既能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，又能對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行分析，具有較大的實(shí)際工程意義。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 結(jié)構(gòu)可靠度

公路橋梁設(shè)計(jì)仍以《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50153—2008)提出的概率極限狀態(tài)為原則；當(dāng)工程結(jié)構(gòu)的功能不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某項(xiàng)需求時(shí)，對(duì)應(yīng)此功能的狀態(tài)即為該功能的極限狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)就是結(jié)構(gòu)的可靠與失效的分界線[8]。承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)是公路橋涵設(shè)計(jì)要求的兩類極限狀態(tài)，本文主要針對(duì)承載能力極限狀態(tài)展開研究。假設(shè)影響結(jié)構(gòu)某一功能的基本隨機(jī)變量為X=(x1,x2,x3,…,xn)，則與此功能對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)為[9]

Z=g(x1,x2,x3,…,xn)

(1)

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析可概括為需求和抗力2個(gè)因素的比較過程。結(jié)構(gòu)需求S定義為作用在結(jié)構(gòu)上的各種荷載引起的內(nèi)力、變形、位移等荷載效應(yīng)；結(jié)構(gòu)抗力R定義為結(jié)構(gòu)抵抗破壞或變形能力，如截面強(qiáng)度、剛度等抗力效應(yīng)。這樣，結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)就可以表示為

Z=g(R,S)=R-S

(2)

當(dāng)Z>0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當(dāng)Z=0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；當(dāng)Z<0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

實(shí)際工程分析中認(rèn)為功能函數(shù)Z服從正態(tài)分布，其平均值為μZ，標(biāo)準(zhǔn)差為σZ，則結(jié)構(gòu)的失效概率為

(3)

式(3)經(jīng)過數(shù)學(xué)變換后得到

(4)

式中：Z=σZ+σZt，則dz=σZdt，當(dāng)Z=0時(shí)，t=-σZ/σZ；β=μZ/σZ，稱為結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)。因此，只要求得可靠指標(biāo)，也就獲得了結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠度。

1.2 極限狀態(tài)方程

裝配式公路鋼橋通行的多是重車荷載或履帶車荷載，故進(jìn)行可靠度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將恒載和車輛活載作用效應(yīng)組合作為主要組合，其極限狀態(tài)方程為

Z(x)=R-G-Q

(5)

式中：R、G和Q分別為鋼橋構(gòu)件抗力、恒載效應(yīng)和重車活載效應(yīng)。

R、G、Q的均值μR、μG、μQ以及標(biāo)準(zhǔn)差σR、σG、σQ的表達(dá)式為

式中：Rn、Gn、Qn分別為鋼橋構(gòu)件抗力、恒載效應(yīng)和重車活載效應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值；kR、kG、kQ分別為鋼橋構(gòu)件抗力、恒載效應(yīng)和重車活載效應(yīng)均值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值的比值；δR、δQ、δG分別為鋼橋構(gòu)件抗力、恒載效應(yīng)和重車活載效應(yīng)的變異系數(shù)?？紤]到材料性能不定性、幾何參數(shù)不定性和計(jì)算模式不定性的影響，裝配式公路鋼橋荷載作用下的抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)[10-11]，如表1所示。

表1 隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)參數(shù)

裝配式公路鋼橋使用說明規(guī)定了選用桁架容許內(nèi)力作為裝配式公路鋼橋結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備的抗力標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于QSR4裝配式公路鋼橋，容許彎矩[RM]為20 200 kN·m。

1.3 可靠度求解方法

當(dāng)量正態(tài)化的方法(JC法)是當(dāng)前工程可靠度計(jì)算的常用方法，通過變換將非正態(tài)隨機(jī)變量轉(zhuǎn)化為正態(tài)隨機(jī)變量。當(dāng)量正態(tài)化的條件有以下2點(diǎn)。

μx′=x*-Φ-1[Fxi(x*)]σx′

(12)

σx*=φ{(diào)Φ-1[Fxi(x*)]}/fxi(x*)

(13)

式中：Fxi(x*)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；Φ-1(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)；φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)。

當(dāng)求出非正態(tài)隨機(jī)變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差所對(duì)應(yīng)的正態(tài)隨機(jī)變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差后，即可計(jì)算可靠度指標(biāo)

(14)

(15)

(16)

公式(14)～(16)構(gòu)成了一個(gè)非線性方程組，經(jīng)過迭代計(jì)算即可得到可靠度指標(biāo)。

1.4 安全評(píng)價(jià)流程

裝配式公路鋼橋的安全評(píng)價(jià)流程如圖1所示。首先確定評(píng)價(jià)目標(biāo)，然后建立有限元目標(biāo)分析模型并求得目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而利用JC法計(jì)算實(shí)際可靠度指標(biāo)，將可靠度指標(biāo)與安全評(píng)價(jià)等級(jí)體系進(jìn)行比較，最終得到該橋的安全性評(píng)價(jià)等級(jí)。

圖1 安全性評(píng)價(jià)流程

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

關(guān)林子隧道位于留壩縣武關(guān)驛鎮(zhèn)武關(guān)河村南側(cè)約80 m處，G316國道西側(cè)。隧道左、右線分離設(shè)計(jì)，下穿于G316國道K2231+080 m附近，洞頂最小埋深分別為3.486 m、5.50 m。為保證隧道施工期間不中斷G316交通，超載重車行駛不干擾隧道的正常施工，隧道施工期間在G316國道開挖洞室且上方設(shè)置簡支鋼便橋，以避免車輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響。鋼便橋總長度為42.672 m，是單跨簡支梁橋，行車道寬4.2 m，采用四排單層加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式，為下承重受力設(shè)計(jì)，下弦桿上橫向安裝I40橫梁，橫梁上鋪設(shè)150 mm厚鋼板橋面，橋面上焊制Φ12 mm短鋼筋作為防滑設(shè)施。鋼便橋立面和橫斷面如圖2、3所示。

2.2 荷載效應(yīng)計(jì)算

考慮G316國道載重貨車較多，所以使用6軸80 t貨車和公路I級(jí)荷載分別作為計(jì)算荷載。貨車荷載立面如圖3所示。

圖4 車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用Midas Civil軟件建立全橋模型，結(jié)合實(shí)際按2種工況計(jì)算。工況Ⅰ：結(jié)構(gòu)自重、公路一級(jí)荷載；工況Ⅱ：結(jié)構(gòu)自重、載重80 t貨車。

從模型計(jì)算結(jié)果中提取不同工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，具體數(shù)值如表2所示。

2.3 安全性評(píng)估

根據(jù)公式(5)建立極限狀態(tài)方程，采用Matlab軟件編程計(jì)算2種工況下鋼橋的可靠度指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。

表2 各種工況下荷載效應(yīng) kN·m

表3 各種工況下可靠度指標(biāo)

公路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)給出的目標(biāo)可靠度指標(biāo)如表4所示。

表4 規(guī)范規(guī)定的可靠度指標(biāo)

通過表3、4對(duì)比可知，當(dāng)構(gòu)件為延性破壞時(shí)，工況Ⅰ和工況Ⅱ的可靠度指標(biāo)均大于目標(biāo)值4.2，滿足規(guī)范要求；當(dāng)構(gòu)件為脆性破壞時(shí)，由于計(jì)算過程中采用的公路Ⅰ級(jí)荷載是新規(guī)范提升后的荷載標(biāo)準(zhǔn)值，工況Ⅰ的可靠度指標(biāo)略小于目標(biāo)值4.7，接近規(guī)范要求，工況Ⅱ的可靠度指標(biāo)大于4.7，滿足規(guī)范要求。將鋼橋安全狀況劃分為5個(gè)等級(jí)，具體如表5所示。

表5 公路鋼橋可靠指標(biāo)評(píng)估界限值

以表5作為安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，將表3計(jì)算結(jié)果與表5評(píng)估等級(jí)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，工況Ⅰ可靠度指標(biāo)為4.58，大于目標(biāo)可靠度指標(biāo)4.2；工況Ⅱ可靠度指標(biāo)為4.90，也大于目標(biāo)可靠度指標(biāo)4.2；對(duì)應(yīng)的評(píng)定狀況等級(jí)為一類，橋梁狀況屬于優(yōu)等，所以本項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)安全。

3 結(jié) 語

目前裝配式公路鋼橋的安全性評(píng)價(jià)主要采用以專家打分為基礎(chǔ)的層次分析法，評(píng)價(jià)結(jié)果依靠專家的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)適用于具體的橋梁安全管理決策時(shí)，缺乏精細(xì)度。本文提出200型裝配式公路鋼橋安全評(píng)價(jià)方法，以概率論為基礎(chǔ)，兼顧實(shí)體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程，評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的可信度，并在實(shí)際工程中進(jìn)行驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

(1)建立的裝配式公路鋼橋安全性評(píng)價(jià)方法，融合可靠度計(jì)算和裝配式鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過程，評(píng)價(jià)結(jié)果更可靠，可為橋梁安全管理提供技術(shù)參考。

(2)建立的裝配式公路鋼橋安全性評(píng)價(jià)方法計(jì)算簡便快捷，便于工程實(shí)際操作，是對(duì)現(xiàn)有裝配式鋼橋安全性評(píng)價(jià)方法的有益補(bǔ)充。

(3)由于現(xiàn)行《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50283—1999)中沒有明確給出裝配式公路鋼橋的安全可靠指標(biāo)，本文建立的橋梁安全性評(píng)價(jià)等級(jí)不具有通用性，還需要進(jìn)一步完善。

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[責(zé)任編輯:高 甜]

Safety Evaluation and Engineering Application of 200 Type Assembled Highway Steel Bridge

SHE Xiao-ming1, ZOU Shun1,2,3, WANG Fu1,2,3, PENG Ze-you1,2,3
(1. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 2. CCCC Civil Engineering Science & Technology Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 3. State Key Laboratory of Road Engineering Safety and Health in Cold and High-altitude Regions, Xi’an 710075, Shaanxi, China)

In order to evaluate the safety of assembled highway steel bridge, the structural reliability theory and bridge safety rating were applied to study the 200 type assembled highway steel bridge. With the help of finite element software Matlab and Midas, the limit state equation based on structural reliability was established to solve the reliability index; a safety evaluation method was developed and verified in practical applications. The method can reasonably evaluate the safety performance of the assembled steel bridge, which can be used for reference.

bridge engineering; safety evaluation; assembled highway steel bridge; flexural strength

1000-033X(2017)06-0109-04

2017-01-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)課題(2016YFC0802207)

折孝明(1985-)，男，陜西西安人，工程師，研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

U448.36

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