可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 波 張 維

中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司浙江分公司，浙江杭州 310009

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，我國的科學(xué)技術(shù)水平也得到了明顯的提高，在很多行業(yè)領(lǐng)域都出現(xiàn)了新的技術(shù)和工藝，有力地推動了我國的現(xiàn)代化進(jìn)程。在此背景下，作為重要基礎(chǔ)設(shè)施的橋梁工程建設(shè)也需要從設(shè)計(jì)以及施工等方面全面提高其技術(shù)和能力。橋梁結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在一些不合理性或者不科學(xué)的問題，這些問題直接影響了橋梁建設(shè)工程的施工質(zhì)量，造成部分橋梁運(yùn)營過程中發(fā)生質(zhì)量安全問題，影響橋梁的使用壽命，無法完全發(fā)揮橋梁應(yīng)有的作用。因此設(shè)計(jì)人員必須突破和創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，提高橋梁結(jié)構(gòu)的合理性和科學(xué)性，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，為橋梁的施工質(zhì)量、安全運(yùn)營以及延長其使用壽命奠定良好的基礎(chǔ)。

1 橋梁工程的可靠度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著設(shè)計(jì)理念的更新，在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中要綜合考慮其可靠度和經(jīng)濟(jì)性這兩方面的需求?？煽慷瘸艘ＷC設(shè)計(jì)方案的可靠性外，還要保證橋梁在耐用性以及安全性等方面也要實(shí)現(xiàn)可靠度。而在設(shè)計(jì)中還要綜合考慮方案的經(jīng)濟(jì)性，在保證橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而對投入的建設(shè)成本進(jìn)行優(yōu)化控制。

橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有設(shè)計(jì)目標(biāo)多元化、約束條件多重性的特點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的不確定性。因此在設(shè)計(jì)中要綜合考慮所有相關(guān)因素，并運(yùn)用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理念以及設(shè)計(jì)方法來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度。設(shè)計(jì)中既要考慮施工中將涉及到的所有參數(shù)，還應(yīng)考慮施工材料的選擇，以及施工進(jìn)度和施工質(zhì)量的控制管理。同時還要合理投入對橋梁所需要的資金成本，才能提供給橋梁足夠的可靠度，以使得橋梁在規(guī)定設(shè)計(jì)的使用期限以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)所預(yù)期各項(xiàng)功能的要求。

2 可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)水平的劃分

橋梁可靠度的結(jié)構(gòu)劃分一般可以按照設(shè)計(jì)變量分成4個水平層次。第一級是將截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，也就是對截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第二級是將形狀描述的幾何尺寸以及截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，也就是對形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第三級是將橋梁結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，以及形狀描述中的幾何尺寸和截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，也就是對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第四級是將材料特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)特征參數(shù)以及形狀描述的幾何尺寸和截面尺寸均作為設(shè)計(jì)變量，也就是對其總體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時要實(shí)現(xiàn)可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要從每個構(gòu)件入手，對其進(jìn)行合理優(yōu)化，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性因素，才能真正提高其可靠度。因此在設(shè)計(jì)優(yōu)化中，就需要將整體的優(yōu)化向?qū)哟涡缘膬?yōu)化進(jìn)行轉(zhuǎn)變，這樣可以有效提高設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)可靠度與經(jīng)濟(jì)性方向的需求。

橋梁基于可靠性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理的引入，并充分考慮到設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性和不確定性的材料、施工質(zhì)量，使人們有可能利用可靠度或是失效概率，定量、科學(xué)地描述結(jié)構(gòu)的安全可靠程度；另一方面，考慮最低的成本，來達(dá)到規(guī)范要求的技術(shù)指標(biāo)，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性配置

設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時，如果其他約束條件不存在，就應(yīng)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)的可靠度。在橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置模型里，可以通過目標(biāo)函數(shù)W＝C＋L（式中，W為目標(biāo)函數(shù)；C為結(jié)構(gòu)造價；L為結(jié)構(gòu)的損失期望），來將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化，從而簡化問題。通過對其數(shù)學(xué)固化求解，可以對各構(gòu)件可靠度的最優(yōu)值加以確定。該值必須綜合體現(xiàn)橋梁整體結(jié)構(gòu)的近期投資收益以及其長遠(yuǎn)效益。在決策時，應(yīng)將投資條件作為所有構(gòu)件控制指標(biāo)，使所有構(gòu)件既是安全的指標(biāo)，也是經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)，從而達(dá)到各構(gòu)件控制標(biāo)準(zhǔn)的最佳值。

3.2 優(yōu)化可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件

在設(shè)計(jì)決策時要綜合考慮結(jié)構(gòu)的長遠(yuǎn)效益以及近期的投資收益。所以對橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行變量設(shè)計(jì)的細(xì)部優(yōu)化中，僅需要在合理造價條件下保證構(gòu)件能夠達(dá)到可靠度的規(guī)定值。而對構(gòu)件變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)要在保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體效益的背景下進(jìn)行。對優(yōu)化問題進(jìn)行解決的另一有效途徑是找出可靠度與結(jié)構(gòu)造價間合理的、高度精細(xì)化的函數(shù)表達(dá)方式，并計(jì)算出構(gòu)件造價的最佳值。

4 在橋梁結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容

4.1 深入研究橋梁不同結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，并對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時首先要對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行深入的研究，并加強(qiáng)對不同構(gòu)件間邏輯性的考慮，在可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中，對于串聯(lián)系統(tǒng)有比較成熟的研究成果。在設(shè)計(jì)中要對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分，使其成為具有串聯(lián)關(guān)系的不同單元。這種單元既可以只包括一個構(gòu)件，同樣也可以是幾個構(gòu)件間所形成的具有混合或者串聯(lián)關(guān)系的組合。合理的單元劃分會幫助設(shè)計(jì)人員簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.2 深入研究模式失效與失效單元間的關(guān)聯(lián)性

對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題就是計(jì)算其可靠度。因此要充分考慮失效模式以及單元失效間的關(guān)聯(lián)性，以防止出現(xiàn)重大的計(jì)算誤差。在考慮具有控制性的失效模式時要盡量簡化問題，突出主要的矛盾，從而得出可靠度與橋梁造價間的函數(shù)關(guān)系，并確定對結(jié)構(gòu)失效所造成的損失值進(jìn)行評估的方法。

4.3 深入研究可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)分析以及計(jì)算方法

設(shè)計(jì)時要計(jì)算橋梁的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及構(gòu)件的可靠度，在選擇控制參數(shù)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時，其參數(shù)選擇應(yīng)注意要具有較高的綜合性，既要能夠全面體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的要求，還要能夠通過這些參數(shù)構(gòu)建起不同構(gòu)件間橫向的約束聯(lián)系；而且這些參數(shù)應(yīng)具備確定的聯(lián)系性。

4.4 對橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的變量參數(shù)將對結(jié)構(gòu)的性能以及可靠度產(chǎn)生重要的影響。變化范圍比較小，或者按照構(gòu)造要求，以及進(jìn)行局部設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)的參數(shù)，可以將其作為設(shè)計(jì)中的預(yù)設(shè)參數(shù)，這樣可以簡化設(shè)計(jì)、編程以及計(jì)算的程序。在設(shè)計(jì)中要注意，橋梁結(jié)構(gòu)雖然是由不同構(gòu)件組成，但在優(yōu)化設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時，應(yīng)重點(diǎn)從整體性角度出發(fā)來考慮，當(dāng)然如果選擇的構(gòu)件參數(shù)不合理，同樣會對橋梁的整體功能造成嚴(yán)重的影響。

5 對橋梁結(jié)構(gòu)可靠度產(chǎn)生影響的要素分析

很多因素都會對橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性產(chǎn)生影響，這些因素可以主要分為兩大類，一類是各種外力作用對橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響。各種外力作用于橋梁結(jié)構(gòu)上，使橋梁支座有反力形成，并且在橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移、變形甚至傾覆。主要的內(nèi)力有剪力、軸力、扭轉(zhuǎn)力以及彎矩等。主要的變形則表現(xiàn)為轉(zhuǎn)角、擾度以及側(cè)移。這些因素都會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性產(chǎn)生不同程度的影響。另一類是在各種外力作用下橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的抗力。影響橋梁結(jié)構(gòu)抗力的因素主要是結(jié)構(gòu)采用的截面形式、材料、結(jié)構(gòu)類型及施工工藝。

目前在國際范圍內(nèi)設(shè)計(jì)橋梁的結(jié)構(gòu)體系時，對可靠度的數(shù)值選擇和應(yīng)用被廣泛進(jìn)行探討。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心需要滿足其在功能以及強(qiáng)度上的要求。而國家的資源情況和經(jīng)濟(jì)水平、社會財(cái)富的積累情況，以及設(shè)計(jì)施工的能力和水平、建筑材料的質(zhì)量等都會對橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度產(chǎn)生影響。因此在設(shè)計(jì)中要分析國家的經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)水平，并確定對橋梁使用年限的實(shí)際要求，以及橋梁所要實(shí)現(xiàn)的功能等，同時還要分析增加橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的情況下所需要增加的費(fèi)用等問題，才能對橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度以及安全儲備情況進(jìn)行綜合性的分析和評價。由此可見，可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也就是在結(jié)構(gòu)造價和投資風(fēng)險間做出平衡。

目前在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，還缺乏對抗力以及荷載等要素的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)積累，因此還無法全面采用全概率的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法。需要設(shè)計(jì)人員不斷積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，注意數(shù)據(jù)信息的歸納和總結(jié)，對可靠度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法加以完善。

6 結(jié)語

在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)方法需要從確定性的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法逐步向概率性的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變，這將是未來橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向之一。橋梁結(jié)構(gòu)所受的各種外力作用及其在外力作用下產(chǎn)生的抗力是存在一定的隨機(jī)性的，傳統(tǒng)上依賴于經(jīng)驗(yàn)以及直觀感覺來對安全系數(shù)進(jìn)行確定的設(shè)計(jì)方法必須向科學(xué)的運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法轉(zhuǎn)變。通過統(tǒng)計(jì)方法來給出在指定的基準(zhǔn)期間內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的概率定量，以及具有統(tǒng)一可比性的指標(biāo)定量，這是在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念以及方法上的重大創(chuàng)新。可靠度的優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法具有很高的使用價值和廣闊的推廣前景。因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷對此進(jìn)行積極的探索，以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性以及求解的準(zhǔn)確方法為基礎(chǔ)，繼續(xù)深入研究在此約束條件下的數(shù)值新解法，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度，保障橋梁工程的質(zhì)量。

[1] 張軍.可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究:電子版，2012（6）.

[2] 陳橋陽，何偉，趙勇強(qiáng).基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建材發(fā)展導(dǎo)向:下，2015（3）.