橋梁設(shè)計(jì)的冗余度分析

徐 前

(貴州省公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003)

橋梁設(shè)計(jì)的冗余度分析

徐 前

(貴州省公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003)

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)體系冗余度設(shè)計(jì)，結(jié)合工程實(shí)例，在介紹冗余度設(shè)計(jì)基本定義的基礎(chǔ)上，提出會(huì)對(duì)冗余度造成實(shí)際影響的設(shè)計(jì)參數(shù)，并提出冗余度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，最后通過(guò)深入分析得出良好的冗余度設(shè)計(jì)對(duì)于保證橋梁結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生局部破壞后仍能保持相對(duì)穩(wěn)定性有決定性作用，是保證橋梁整體安全性關(guān)鍵環(huán)節(jié)的結(jié)論，為確保橋梁設(shè)計(jì)合理性奠定良好基礎(chǔ)。

橋梁設(shè)計(jì)；冗余度設(shè)計(jì)；安全性

1 橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)汽車(chē)荷載等級(jí)：新建橋梁采用公路—I級(jí)。

(2)橋面寬度：δm(人行道或防撞護(hù)欄)+(W+Δ)m(橋面寬度)+δm(人行道或防撞護(hù)欄)，全寬8 m+Δ+2δm；

其中δ為人行道或防撞護(hù)欄寬度，根據(jù)橋位所處位置確定設(shè)置人行道或護(hù)欄，設(shè)置人行道的橋梁根據(jù)人流量確定人行道寬度；W為對(duì)應(yīng)路基寬度處橋面行車(chē)道寬度值，Δ為路線加寬值；

(3)橋面寬度參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTG D60-2004)》。

(4)設(shè)計(jì)洪水頻率：大橋、中橋?yàn)?/100，小橋、涵洞1/50。

(5)地震：按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T B02-01-2008要求，本設(shè)計(jì)路段大橋抗震設(shè)防類(lèi)別為B類(lèi)，設(shè)防等級(jí)為7級(jí)，小橋?yàn)镃類(lèi)，抗震設(shè)防等級(jí)為6級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度小于0.05 g。

(6)結(jié)構(gòu)型式：全線在橋梁結(jié)構(gòu)型式選擇中，主要采用了預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，涵洞結(jié)構(gòu)型式統(tǒng)一選用鋼筋混凝土蓋板涵。

2 橋梁設(shè)計(jì)冗余度

2.1 冗余度基本概念

部分橋梁在產(chǎn)生橋墩破壞等現(xiàn)象以后仍可保持相對(duì)穩(wěn)定，但有些橋梁在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以后會(huì)直接塌裂，造成這種現(xiàn)象的原因可謂是眾說(shuō)紛紜，雖然很多學(xué)者表明具體形成原因具有一定多樣性，但從本質(zhì)上講冗余度起到了關(guān)鍵性作用。對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)體系冗余度，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般會(huì)將冗余度設(shè)計(jì)視作超靜定次數(shù)，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)還未得到廣泛的普及，為對(duì)靜力平衡方程進(jìn)行求解，通常會(huì)時(shí)自由度和方程的數(shù)量完全相同，但在實(shí)際情況中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)支座約束反力對(duì)應(yīng)的未知個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出方程數(shù)量的現(xiàn)象，也就是結(jié)構(gòu)約束比自由度多，即為超靜定結(jié)構(gòu)。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常將這種結(jié)構(gòu)中的多余約束當(dāng)做體系的冗余度。正是因?yàn)橛羞@些約束作用的影響，可使結(jié)構(gòu)在連接作用失去效果以后，仍能在一定時(shí)間段之內(nèi)保持穩(wěn)定性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度是以強(qiáng)度儲(chǔ)備形式存在的，使結(jié)構(gòu)能在產(chǎn)生局部破壞后仍可繼續(xù)承受一定荷載，在短時(shí)內(nèi)確保結(jié)構(gòu)整體性。

2.2 結(jié)構(gòu)體系冗余度

橋梁結(jié)構(gòu)通常作為整套體系參與研究過(guò)程，將功能各異的組件通過(guò)連接組成受力系統(tǒng)，確保系統(tǒng)具備良好承載力，冗余度在這種體系中有著十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)不存在冗余度的橋梁結(jié)構(gòu)體系，其安全系統(tǒng)大多很低，如果產(chǎn)生構(gòu)件破壞與連接破壞，將會(huì)造成整體性失穩(wěn)。而針對(duì)有一定冗余度的體系而言，其單個(gè)構(gòu)件在遭到破壞以后并不會(huì)造成整體失穩(wěn)。在對(duì)橋梁實(shí)施設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為確保結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性，通常都會(huì)設(shè)置冗余度，以此使體系具備多重的傳力方式。對(duì)于結(jié)構(gòu)體系而言，其承載力儲(chǔ)備率受限于體系自身荷載二次分配性能。

2.3 冗余度系數(shù)

在橋梁工程的現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中，通常使用代表結(jié)構(gòu)自身冗余度系數(shù)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)將ηR結(jié)構(gòu)分成兩大單元，再充分結(jié)合可靠性指標(biāo)，完成設(shè)計(jì)冗余度定量研究，進(jìn)而得出儲(chǔ)備率，此外，通過(guò)計(jì)算還能得出ηR對(duì)應(yīng)的參考取值，以此為冗余度設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，相關(guān)承載力計(jì)算公式如下

η∑γiQi≤φRn

(1)

本工程的冗余度系數(shù)和主梁總數(shù)與間距保持的關(guān)系如圖1所示。

圖1 冗余度系數(shù)和主梁總數(shù)與間距保持的關(guān)系

從圖1中可看出，若主梁間距保持固定，則結(jié)構(gòu)體系的冗余度系數(shù)和主梁總數(shù)呈正比關(guān)系，但在主梁總數(shù)超過(guò)6以后，冗余度系數(shù)所受影響將大幅減小。另外，若主梁總數(shù)保持固定，則結(jié)構(gòu)體系冗余度和主梁間距呈反比關(guān)系。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)冗余度造成的實(shí)際影響

3.1 跨長(zhǎng)參數(shù)

實(shí)踐表明，跨長(zhǎng)并非冗余度決定性參數(shù)，若存在足夠的外部橫向連接，則能使不同橋梁達(dá)到完全一致的冗余度。換言之，跨長(zhǎng)對(duì)于冗余度造成的實(shí)際影響相對(duì)較小。

3.2 曲線半徑

曲線半徑主要分為三種，即100 m、200 m與300 m，這三種不同的曲線半徑對(duì)冗余度造成的實(shí)際影響不同。以典型的雙箱梁結(jié)構(gòu)為例，對(duì)于45.7 m跨長(zhǎng)的梁結(jié)構(gòu)，其曲線半徑和冗余度保持負(fù)比例關(guān)系；對(duì)于68.6 m跨長(zhǎng)的梁結(jié)構(gòu)，其冗余度隨半徑增大而增加。

3.3 外部橫向連接

(1)連接種類(lèi)

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性而言，外部橫向連接十分重要，起到橫向傳力的作用。設(shè)計(jì)過(guò)程中，外部橫向連接設(shè)計(jì)需要適應(yīng)全屈服狀態(tài)下的荷載要求。不同類(lèi)型的連接能有效提升結(jié)構(gòu)體系冗余度，且存在一定相互影響，使系統(tǒng)獲取最佳受力系統(tǒng)，保證結(jié)構(gòu)安全。此外，鑒于橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性，外部連接要盡可能的匹配，而且在特定的環(huán)境之下，K形連接冗余度不如實(shí)心橫隔板。

(2)連接數(shù)量

橋梁損壞早期，橋面結(jié)構(gòu)無(wú)法及時(shí)傳遞荷載，損壞部位荷載依然較大，所以不同的外部橫向連接數(shù)量必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體系冗余度造成影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨外部橫向連接數(shù)量的增多，冗余度大顯著提高，二者的關(guān)系如圖2所示。

圖2 橫向連接數(shù)量和冗余度之間的關(guān)系

4 冗余度優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

針對(duì)冗余度設(shè)計(jì)而言，在實(shí)際情況中必須嚴(yán)格遵循三大基本原則：(1)充分結(jié)合地質(zhì)條件，選擇滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)體系冗余度需求的方案；(2)設(shè)計(jì)工作中，要盡量選用具備較強(qiáng)整體性與連續(xù)性的結(jié)構(gòu)模式；(3)對(duì)于大跨度橋梁，為適應(yīng)其發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)重點(diǎn)構(gòu)件設(shè)立專(zhuān)門(mén)傳力方式，以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。需進(jìn)行明確的是，冗余度設(shè)計(jì)本身是存在一定局限性的，只能在橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞以后用來(lái)確保結(jié)構(gòu)保持發(fā)揮功能的能力，不能與可靠度標(biāo)準(zhǔn)混淆。在橋梁結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件、外部邊界對(duì)應(yīng)的冗余度，以及承載途徑冗余度相互并存，一同賦存在體系當(dāng)中?；诖耍谠O(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中，依據(jù)橋梁自身功能，制定特殊事件下的冗余度需求。工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)條件，針對(duì)不同的區(qū)段需要編制對(duì)應(yīng)冗余度設(shè)計(jì)。另外，在國(guó)內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)大跨徑橋連接管，這也是日后橋梁工程主要發(fā)展趨勢(shì)，這就要求設(shè)計(jì)者使用三維有限元技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀況進(jìn)行分析，找出工程設(shè)計(jì)缺陷，并對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計(jì)實(shí)施全面優(yōu)化，以免不必要事故的發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

伴隨社會(huì)對(duì)于橋梁設(shè)施質(zhì)量與使用年限要求的提高，加之經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展局勢(shì)下交通的日益繁榮，使得橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)此予以足夠的重視。

[1] 郭冬梅. 沿海在役鋼筋混凝土橋梁性能退化及剩余使用壽命預(yù)測(cè)[D].浙江大學(xué),2014.

[2] 姜天華,王強(qiáng),楊壯,黃雯. 在役預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁損傷狀態(tài)承載力評(píng)估[J].鐵道建筑,2016,10(8):31-34.

[3] 楊敏. 基于橋型適應(yīng)性的公路橋梁橋型選擇研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2013.

2016-12-12

徐前(1985-)，男，貴州德江人，工程師，研究方向：公路橋梁。

U442

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：1008-3383(2017)07-0121-02