橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度分析

摘要：本文根據(jù)相關(guān)文獻及資料，通過結(jié)構(gòu)可靠度理論研究的歷史和橋梁結(jié)構(gòu)可靠度理論研究現(xiàn)狀及應(yīng)用簡例，工程結(jié)構(gòu)可靠度發(fā)展趨勢等方面對可靠度理論在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進行了綜述。按照中國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2004），分析了預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的可靠度指標。得出結(jié)論：中國公路橋梁設(shè)計規(guī)范的目標可靠度指標處于國際較高水平。

關(guān)鍵詞：可靠度；簡支梁橋；設(shè)計規(guī)范

一、結(jié)構(gòu)可靠度理論

結(jié)構(gòu)可靠性理論的產(chǎn)生，是在20世紀初期把概率論及數(shù)理統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用在結(jié)構(gòu)安全度上，但發(fā)展初期研究學(xué)者較少。1991年匈牙利布達佩斯的卡欽奇就是提出用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法研究荷載及材料強度問題；1926年德國的邁耶最早提出應(yīng)用概率理論分析結(jié)構(gòu)安全，即基于隨機變量均值和方差的設(shè)計方法；1926—1929年前蘇聯(lián)的哈奇諾夫和馬耶羅夫制定了概率的設(shè)計方法，但未能實施；弗羅伊登徹爾提出的在隨機荷載作用下結(jié)構(gòu)安全度基本問題首次被工程界贊同，并在1947年發(fā)表了《結(jié)構(gòu)安全度》奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(chǔ)。

（一）橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性研究內(nèi)容

結(jié)構(gòu)設(shè)計要解決的根本問題是：在安全適用與經(jīng)濟合理之間選擇一種合理的平衡，力求以最經(jīng)濟的途徑，使建造的結(jié)構(gòu)滿足下列各項預(yù)定功能要求：①正常施工和使用時，結(jié)構(gòu)能承受可能出現(xiàn)的各種作用，在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)能夠保持必需的整體穩(wěn)定性；②在正常使用時，結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能，不會產(chǎn)生過大的裂縫和變形；③在正常維護下，結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久性能，不會過早地發(fā)生破壞。在上述功能要求中，第一項關(guān)系到人身安全，因此稱其為結(jié)構(gòu)的安全性；第二項關(guān)系到結(jié)構(gòu)的適用性；第三項關(guān)系到結(jié)構(gòu)的耐久性。安全性、適用性和耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)可靠性的數(shù)值度量用可靠度，其安全性的數(shù)值度量則用安全度。靜態(tài)和瞬態(tài)動載作用下結(jié)構(gòu)可靠性研究的重點是結(jié)構(gòu)的安全問題，循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)可靠性研究的重點通常是結(jié)構(gòu)的耐久性問題。橋梁可靠性設(shè)計研究內(nèi)容是：在結(jié)構(gòu)承受外荷載和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計特征已知的條件下，根據(jù)規(guī)定的目標可靠指標，選擇結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）截面幾何參數(shù)，使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，保證其可靠性不低于預(yù)先給定的值?？煽啃缘臄?shù)量描述一般用可靠性。我國對結(jié)構(gòu)可靠性的研究只限于理論方面，且側(cè)重于可靠性設(shè)計方面，對結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究，特別是對耐久性評估理論的研究還很落后。

二、國內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)可靠度理論應(yīng)用現(xiàn)狀

1970——1980年間，結(jié)構(gòu)可靠度理論不斷完善并被各國規(guī)范、標準相繼采用。林德根據(jù)康奈爾的可靠指標，推證出一整套荷載和抗力安全系數(shù)，使可靠度分析與實際易行的設(shè)計方法聯(lián)系起來。德國的拉克維茨和菲斯勒，對基本變量為非正態(tài)分布情況提出了一種等價正態(tài)變量求法，這種方法經(jīng)過系統(tǒng)改進之后，作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會（JCSS）的文件附錄推薦給土木工程界。該方法也被許多國家所采納，我國的《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB50068-2001）也是以該方法作為可靠度校準的基礎(chǔ)。近年來，我國公路橋梁事故頻發(fā)，相比之下，美國和歐洲的公路橋梁發(fā)生事故較少，我國鐵路橋梁也未曾發(fā)生過重大事故。這一事實使得對比研究中、美、歐公路橋梁以及相關(guān)行業(yè)設(shè)計規(guī)范的可靠度水平十分有意義。2010年4月起，交通部公路規(guī)劃設(shè)計院主持了《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》的修編工作。本文的研究作為該項目專題研究的一部分，其目的是對比中美歐公路橋梁設(shè)計規(guī)范以及我國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范的可靠度水平，以期對編寫《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》有所幫助。預(yù)應(yīng)力混凝土橋是目前采用最為廣泛的橋梁類型，在建橋梁中50%以上均為該種橋型。相比于其他橋梁類型，預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計方法成熟，耐久性能良好目后期維護較少。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的可靠性設(shè)計要滿足承載能力極限狀態(tài)和使用階段極限狀態(tài)。

三、可靠度理論在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性是采用功能極限狀態(tài)作為判別條件。我國新編的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）是按慨率極限狀態(tài)設(shè)計法編寫的，這一理論基礎(chǔ)即為可靠度理論。之前，我國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計由長期沿用的、不甚合理的“定值設(shè)計法”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案怕蕵O限狀態(tài)設(shè)計法”，即在度量結(jié)構(gòu)可靠性上由經(jīng)驗方法轉(zhuǎn)變?yōu)檫\用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法，這無疑是設(shè)計思想和設(shè)計理論的一大進步，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更符合實際情況。但近年來，國內(nèi)大橋坍塌或局部破壞事故時有發(fā)生，這也給人們一個警示：繼續(xù)深人對橋梁結(jié)構(gòu)可靠度進行研究非常必要。

四、工程結(jié)構(gòu)可靠度理論研究發(fā)展趨勢

20世紀80年代，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度理論研究工作已經(jīng)逐漸成為結(jié)構(gòu)工程中的研究熱點，關(guān)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析和更為先進的計算方法發(fā)展迅速。目前的研究熱點有：

（1）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析，系統(tǒng)可靠度分析研究內(nèi)容豐富，難度較大。

（2）對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析的改進，除考慮強度極限狀態(tài)外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)、破壞安全極限狀態(tài)。

（3）目標可靠度的量化問題。

（4）在役結(jié)構(gòu)的可靠度評估與維修決策問題

（5）模糊隨機可靠度的研究。

五、結(jié)束語

要解決橋梁工程問題需要理論與工程經(jīng)驗的結(jié)合，通過應(yīng)用更多的知識理論的到更為合理的橋梁結(jié)構(gòu)，是橋梁工程技術(shù)研究追求的方向。橋梁結(jié)構(gòu)可靠度理論內(nèi)容極其豐富且復(fù)雜，不僅僅需要在理論上解決許多重大問題，而且在將其應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估及維修決策之中時仍有許多細節(jié)工作需要完善。

參考文獻：

[1]張樹仁.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTGD62-2004）學(xué)習(xí)與應(yīng)用講評.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

[2]鄒天一.結(jié)構(gòu)可靠度、人民交通出版社，1998.

[3]張建仁，張起森。公路工程結(jié)構(gòu)可靠度理論及其應(yīng)用.人民交通出版社，1995.

[4]李鐵夫.鐵路橋梁可靠度設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[5]李鐵夫，周孝賢.我國常用的結(jié)構(gòu)可靠性評估[R].北京：鐵道部第三勘測設(shè)計院，1987.

作者簡介：

李云飛（1997.8.17.-），男，漢族，河南省三門峽市，身份證號：411224199708179019，本科生，研究方向：水利水電工程