基于不同規(guī)范對預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋可靠性差異研究

劉 勇

(益陽市資陽區(qū)交通運輸局， 湖南 益陽 413000)

基于不同規(guī)范對預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋可靠性差異研究

劉 勇

(益陽市資陽區(qū)交通運輸局， 湖南 益陽 413000)

目前新建橋梁基本根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG D62 — 2004設(shè)計，而既有橋梁大部分依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTJ 023 — 85，通過有限元軟件，分別采用兩種規(guī)范規(guī)定的參數(shù)，對一座連續(xù)梁橋進行可靠指標對比分析。對比結(jié)果顯示：在成橋階段由85規(guī)范得出的可靠指標大于根據(jù)04規(guī)范得出的可靠指標，而在施工階段由85規(guī)范得出的可靠指標小于根據(jù)04規(guī)范得出的可靠指標。因此成橋階段可靠指標計算宜采用04規(guī)范，施工階段可靠指標計算宜采用85規(guī)范。對按照不同規(guī)范設(shè)計的連續(xù)梁橋在不同階段的可靠性評估具有指導(dǎo)意義。

連續(xù)梁橋；可靠指標；不同規(guī)范；施工階段；成橋階段；頂推施工

0 引言

目前，頂推法在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中的應(yīng)用已相當成熟。在用可靠指標對頂推法施工的橋梁在施工階段和運營期間的安全性進行評估時，由于新舊規(guī)范(JTG D62 — 2004,以下簡稱04規(guī)范與JTJ 023 — 85，以下簡稱85規(guī)范)在某些參數(shù)和規(guī)定上的不同，對同一橋梁的可靠性評估往往會表現(xiàn)出差異性。本文用有限元分析方法，建立一個連續(xù)梁橋模型，對用新舊不同規(guī)范進行可靠性評估時的差異性進行了分析探討。

1 有限元模型

采用有限元分析方法，建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋模型，橋梁跨徑布置為(30+3×40+30)m，縱向取單元長度為2.5 m，全橋模型共73個節(jié)點、72個單元，導(dǎo)梁共11個節(jié)點，10個單元。模型采用的主梁截面如圖1所示。全橋離散單元如圖2所示。

標準節(jié)段長10 m，頂推節(jié)段劃分為(10+5+15×10+5+10)m，橋梁施工階段劃分如表1所示。

圖1 主梁截面形式(單位： cm)

圖2 全橋離散單元(單位：cm)

表1 施工階段劃分

續(xù)表1 施工階段劃分

進行汽車荷載計算時取偏載系數(shù)為1.1，85規(guī)范和04規(guī)范計算參數(shù)如表2所示。

表2 85規(guī)范和04規(guī)范計算參數(shù)

2 荷載統(tǒng)計參數(shù)

汽車荷載考慮沖擊效應(yīng)，新舊規(guī)范中的荷載統(tǒng)計參數(shù)如表3所示。

表3 04規(guī)范和85規(guī)范荷載統(tǒng)計參數(shù)

3 抗力統(tǒng)計參數(shù)

影響結(jié)構(gòu)抗力的因素有主要有3種： 材料性能、截面幾何參數(shù)、計算模式。假設(shè)新舊規(guī)范正截面的抗彎能力系數(shù)統(tǒng)計參數(shù)相同，新舊規(guī)范的抗力統(tǒng)計參數(shù)如表4所示。

表4 根據(jù)04規(guī)范和85規(guī)范確定的抗力統(tǒng)計參數(shù)

抗力系數(shù)數(shù)值大于1，用于表示結(jié)構(gòu)截面理論承載力和實際承載力的相對大小。而根據(jù)新舊規(guī)范設(shè)計的實體連續(xù)梁橋正截面抗彎承載能力的可靠指標可以通過抗力(即承載能力)系數(shù)反映出來。本文假設(shè)通過新舊規(guī)范確定的正截面抗彎抗力系數(shù)統(tǒng)計參數(shù)相同，則其正截面抗彎抗力系數(shù)符合對數(shù)正態(tài)分布，均值為1.225，方差為0.173 3，變異系數(shù)為0.141 2。

4 結(jié)構(gòu)可靠度指標

對該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進行分析，計算其可靠度指標，可以得出它的失效概率，兩者之間可按如下公式進行計算:

β= —Φ-1(Pf)

(1)

式中:β為可靠度指標；Φ-1為 標準正態(tài)分布函數(shù)；Pf為失效概率。

4.1 施工過程的可靠度指標

此階段的結(jié)構(gòu)可靠指標，可以參考上述2個規(guī)范對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在受施工荷載(包括預(yù)應(yīng)力荷載和自重荷載等)條件下，其截面邊緣產(chǎn)生的法向應(yīng)力的規(guī)定。

04規(guī)范要求該應(yīng)力應(yīng)滿足下式：

(2)

85規(guī)范要求該應(yīng)力應(yīng)滿足下式：

(3)

施工過程的可靠度計算，需要選取相應(yīng)的典型計算截面。由于在不同的施工階段，混凝土連續(xù)梁橋的正截面應(yīng)力也會不同，因此需要借助各施工階段的內(nèi)力包絡(luò)圖，從中選取合適的截面。此橋中，不妨選取彎矩的最大值和最小值所對應(yīng)的計算截面，由此分析不同階段的指標及其變化過程。

圖3為橋例施工各階段結(jié)構(gòu)正截面彎矩包絡(luò)圖(按04規(guī)范，頂推法)，從圖中可以看出，最大正彎矩出現(xiàn)在16號截面處，最大負彎矩出現(xiàn)在17號截面處。選取這兩個截面作為典型截面進行可靠度指標的計算。

其中，16號截面彎矩為18 754.76 kN·m，17號截面彎矩為 — 30 470.4 kN·m。

圖3 施工階段正截面彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)(04規(guī)范)

根據(jù)一次二階矩法，以及和規(guī)范提供的抗力和荷載參數(shù)，使用軟件提供的算法計算結(jié)構(gòu)可靠度指標。

圖4～圖7為16號和17號正截面上下邊緣可靠度指標運算結(jié)果。

圖4 施工階段正截面16上冀緣可靠指標

圖5 施工階段正截面16下冀緣可靠指標

圖6 施工階段正截面17上冀緣可靠指標

圖7 施工階段正截面17下冀緣可靠指標

根據(jù)各階段16號、17號截面的可靠度指標最小值(表5)，以及圖4～圖7，可以看出：連續(xù)梁橋的最不利截面的可靠度指標在不同的施工階段是不同的，并且還受到所采用規(guī)范的不同的影響而有所不同。

表5 施工階段正截面16和17可靠指標最小值

在該橋例中，根據(jù)04規(guī)范計算出的可靠度指標最小值為8.14(17號正截面下邊緣)，大于 《公路工程可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》中一級安全等級的公路橋梁脆性破壞所規(guī)定的可靠度指標5.2，滿足標準要求。

而根據(jù)85規(guī)范計算出的可靠度指標最小值為4.33(17號正截面下邊緣)，小于標準的規(guī)定，不滿足要求。

總體來看，按照04規(guī)范計算出來的結(jié)構(gòu)可靠度指標要比按照85規(guī)范計算出的結(jié)構(gòu)可靠度指標大，85規(guī)范偏保守。

4.2 成橋可靠度指標

在該階段，受施工荷載的預(yù)應(yīng)力砼受彎構(gòu)件的可靠度指標可根據(jù)其抗彎能力來計算，構(gòu)件抗彎能力的計算公式為：

γ0S≤R

(4)

式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S為截面彎矩組合設(shè)計值；R為截面抗彎承載能力設(shè)計值。

最不利受力位置在墩頂和跨中，選取這兩處的截面(截面17、31、47在跨中，23、39在墩頂)為計算截面，按照規(guī)范進行計算。可靠度指標的計算結(jié)果如表6。

表6 按85規(guī)范和04規(guī)范分別計算的成橋階段截面可靠指標

根據(jù)表6可以得出：根據(jù)2種規(guī)范算的最不利受力截面應(yīng)力的可靠指標在成橋階段有較大差別。采用2種規(guī)范計算的承載能力可靠指標最小值都出現(xiàn)在截面31，04規(guī)范為4.811 8，而85規(guī)范為6.368 2，此處出于安全的考慮將目標可靠指標取為5.2。因此，同樣對于成橋階段承載能力可靠指標的計算，根據(jù)85規(guī)范可以滿足規(guī)范要求，而根據(jù)04規(guī)范不滿足規(guī)范要求?？芍蓸螂A段承載能力可靠指標的計算按照85規(guī)范較為合適。

通過表5和表6的對比得出：根據(jù)85規(guī)范所確定的荷載統(tǒng)計參數(shù)和抗力統(tǒng)計參數(shù)，算得典型截面可靠指標的最小值在施工階段比成橋階段的最小值小，而根據(jù)04規(guī)范所確定的荷載統(tǒng)計參數(shù)和抗力統(tǒng)計參數(shù)，算得典型截面可靠指標的最小值在施工階段比成橋階段的最小值大。

5 結(jié)論

本文基于某頂推連續(xù)梁橋的施工過程分析，得到以下結(jié)論：

1)由于新舊規(guī)范在橋梁結(jié)構(gòu)抗力和荷載模型上選取的不同，采用可靠性評估同一座橋時，得到的可靠指標值相差較大。

2)在施工階段，依據(jù)85規(guī)范計算的可靠指標值比依據(jù)04規(guī)范計算值要偏小，且小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的目標可靠指標值；而在成橋階段，依據(jù)04規(guī)范計算的可靠指標值比依據(jù)85規(guī)范計算值要偏小，且小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的目標可靠指標值。

3)按照04規(guī)范的荷載與抗力統(tǒng)計參數(shù)算得的典型截面可靠指標最小值，成橋階段小于施工階段。因此為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，根據(jù)04規(guī)范設(shè)計的橋梁的可靠度設(shè)計應(yīng)重點考慮運營階段。而按照85規(guī)范的計算結(jié)果則反之，應(yīng)重點考慮施工階段。

4)對于按85規(guī)范設(shè)計的既有橋梁的加固改造工程，應(yīng)按85規(guī)范選取舊有材料的統(tǒng)計參數(shù)，根據(jù)04規(guī)范選取新型加固材料的統(tǒng)計參數(shù)，并且根據(jù)04規(guī)范選取荷載模型。

[1] GB /T50283 — 1999,公路工程可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S].

[2] JTJ 021 — 89,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[3] JTG D60 — 2004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[4] JTJ 023 — 85,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[5] JTG D62 — 2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 呂穎釗.在用梁橋結(jié)構(gòu)承載力可靠度評估研究[D].西安:長安大學(xué),2003.

[7] 張明.結(jié)構(gòu)可靠度分析方法與程序[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[8] 李揚海,鮑衛(wèi)剛,郭修武,等.公路橋梁結(jié)構(gòu)可靠度與概率極限狀態(tài)設(shè)計[M].北京：人民交通出版社,1997.

1008-844X(2017)02-0187-04

U 448.21+5

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