冗余度理念在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究

顏長青 簡佳峰

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

隨著我國進入經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進，交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)迎來了高峰，橋梁作為交通線路的重要組成部分，得到了快速的發(fā)展。交通建設(shè)是經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，橋梁建設(shè)對創(chuàng)造良好的投資環(huán)境，促進文化交流，減少地域間的差別，促進區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，提高區(qū)域形象起著重要紐帶的作用。因此，人們越來越關(guān)注橋梁施工的安全性，耐用性和實用性。

改革開放以來，我國橋梁工程建設(shè)發(fā)展迅速，如1997年的888米虎門珠江大橋，2008年的杭州灣跨海大橋，以及55公里的港珠澳大橋等等，都表明中國橋梁工程的發(fā)展水平已進入世界先進水平。

目前，道路和橋梁作為國防建設(shè)的重要組成部分越來越被國家重視，橋梁建設(shè)伴隨著公路建設(shè)的增加而不斷延伸，公路建設(shè)的發(fā)展對橋梁的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。但是伴隨大大小小的橋梁垮塌事件，社會對于橋梁工程建設(shè)的關(guān)注越來越高，因此對橋梁系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進行研究，對現(xiàn)代交通系統(tǒng)的發(fā)展和橋梁質(zhì)量的提高具有重要意義。

在橋梁設(shè)計過程中，為了保證橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全耐久性，冗余度理念在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。在橋梁設(shè)計過程中，處理好橋梁的冗余度在確保整個橋梁系統(tǒng)的安全性方面起著重要作用。為了更好地分析橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全性和穩(wěn)定性問題，本文將從冗余度理念入手，系統(tǒng)地解釋了冗余度如何影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中冗余度的實現(xiàn)。

1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)在近年來進入了新的高潮，橋梁在現(xiàn)在中國交通運輸上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在設(shè)計橋梁時，有必要對橋梁設(shè)計工作進行綜合分析，以克服橋梁的耐久性和疲勞損壞問題，提高橋梁的安全性能和實用性能。因此，在橋梁設(shè)計中，應(yīng)遵循可持續(xù)發(fā)展的適用性，安全性，經(jīng)濟性，美觀性，技術(shù)性原則和可持續(xù)發(fā)展的原則。

適用性原則。適用性原則就是要結(jié)合當?shù)氐陌l(fā)展情況，有預(yù)見的著重考慮橋梁的經(jīng)濟服務(wù)價值，滿足橋梁建成后當?shù)財?shù)年的社會需要。所以在進行橋梁設(shè)計時要根據(jù)規(guī)劃使用時間內(nèi)的車流量來進行橋梁寬度的設(shè)計，要根據(jù)地區(qū)的地形地貌來進行設(shè)計，設(shè)計應(yīng)以區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，區(qū)域資源交換和經(jīng)濟繁榮為基礎(chǔ)。

安全性原則。安全原則是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要考慮因素，必須確保橋梁結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在施工過程中有足夠的強度，在組裝橋結(jié)構(gòu)期間具有足夠的穩(wěn)定性并且在使用期間具有耐久性。

經(jīng)濟性原則。經(jīng)濟性原則就是根據(jù)橋梁建設(shè)的基本支持條件和實際建設(shè)過程中需要具體的花費來進行精確的計算，通過比較各個方案來淘汰超出預(yù)算的方案。

技術(shù)性原則。技術(shù)性原則是指設(shè)計方案在原有的技術(shù)科技和機械設(shè)備可以支持的范圍內(nèi)，盡量采用最新的技術(shù)和理論來提高橋梁的建設(shè)效率和質(zhì)量。在使用最新的技術(shù)和理論時，要符合具體的操作規(guī)定，保證新技術(shù)和新設(shè)備能夠得到合理充分運用。

美觀性原則。在設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)時，必須使橋梁美學與工程計劃同步，并有效地將工程與藝術(shù)相結(jié)合。從環(huán)境統(tǒng)一、色彩合理、風格獨特、比例協(xié)調(diào)的角度入手，爭取在保證安全、經(jīng)濟的前提下做到橋梁造型與周圍的地形地貌及環(huán)境相協(xié)調(diào)，帶給人們視覺上的藝術(shù)體驗。

可持續(xù)發(fā)展原則。在進行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性的前提下，要最大限度的實現(xiàn)建筑資源的節(jié)約并減少對環(huán)境負面的影響，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材和環(huán)境保護。為了考慮橋梁施工對環(huán)境的影響，有必要充分考慮基本規(guī)劃，橋梁位置的選擇，橋梁跨度的布置以及橋墩的形狀，實現(xiàn)建筑資源節(jié)約與橋梁建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用冗余度理念的意義

毫無疑問，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)將越來越多，對橋梁建設(shè)的要求也將越來越高。在橋梁設(shè)計中，設(shè)計理念貫穿于橋梁設(shè)計的每個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這決定了項目的整體設(shè)計質(zhì)量。以下是從冗余度理念出發(fā)，詳細分析冗余度理念在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用。

2.1.冗余度理念的基本概述

冗余度是從英文單詞“redundancy”翻譯而來的，冗余度是從安全角度考慮的多余的一個量。這個量能夠保障結(jié)構(gòu)的部分在遭到一定的破損之后，其整體結(jié)構(gòu)還能夠繼續(xù)承受荷載，冗余度也可以理解為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)承載能力的儲備比率。

在工程方面，為了提高系統(tǒng)可靠度，系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件的備份被稱為冗余度，冗余度與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)密切相關(guān)。在橋梁工程中，有兩種常見的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形式，一種是靜定結(jié)構(gòu)，即當結(jié)構(gòu)中的一個部件發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)可能會崩潰；第二種類型是超靜定結(jié)構(gòu)，即使結(jié)構(gòu)中的組件發(fā)生故障，也不會影響整個系統(tǒng)的性能。超靜定結(jié)構(gòu)中的多余的約束稱為冗余度，冗余度使得內(nèi)力的分布和結(jié)構(gòu)的變形相對均勻，可以確保結(jié)構(gòu)的某些部分被破壞后仍可以在一定的時間內(nèi)結(jié)構(gòu)維持幾何不變形。

根據(jù)系統(tǒng)中冗余度的不同表達方式，冗余度可分為三類，分別是內(nèi)部冗余度，結(jié)構(gòu)冗余度和系統(tǒng)冗余度。內(nèi)部冗余度與單個構(gòu)件的部分或材料重分布損傷區(qū)域周邊的承載能力有關(guān)，因此通過采用損傷容限、剛性材料或者鋼構(gòu)件連接時采用栓接而非焊接的方式，就可以內(nèi)部冗余度，焊接構(gòu)件易將斷裂傳遞給相鄰的板，而栓接構(gòu)件的非連續(xù)性能有效阻止裂紋的擴展。結(jié)構(gòu)冗余度可以通過多種承載方法獲得，即，當部件失效時，結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)力重新分配到相鄰的跨度。連續(xù)的或者超靜定結(jié)構(gòu)都具備結(jié)構(gòu)冗余度，而簡支結(jié)構(gòu)和連續(xù)結(jié)構(gòu)的端跨不具備結(jié)構(gòu)冗余度。體系冗余度（即，負載路徑的冗余度）指的是結(jié)構(gòu)的負載傳遞路徑和調(diào)節(jié)彈力重新分配的內(nèi)力以應(yīng)對各個部件的有效性。在橋梁結(jié)構(gòu)中，只要橋面板和隔板具備足夠的內(nèi)力重分布能力，就可以認為多梁式的橋梁具備系統(tǒng)冗余度。

2.2 在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用冗余度的意義

橋梁的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是通過有效連接不同功能部件而形成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這些構(gòu)建相互作用以承受外部載荷。對于沒有多余約束力的系統(tǒng)，任何一個關(guān)鍵組件的故障都將導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰，但對于有多余約束力（超靜定結(jié)構(gòu)）的系統(tǒng)，兩個或多個構(gòu)件的故障才會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，冗余度是橋梁設(shè)計的強度儲備。它可以保證橋梁仍能照常運行，穩(wěn)定性和安全性在一定時間內(nèi)不會發(fā)生太大變化，從而有效避免因特殊事件而導(dǎo)致的橋梁變形甚至倒塌。

在橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，大寫R值通常用于表示結(jié)構(gòu)的冗余度系數(shù)。結(jié)合相應(yīng)的可靠性指標，定量分析橋梁的冗余度值，得到橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承載力的儲備比。然后通過相應(yīng)的公式計算冗余度系數(shù)，為橋梁冗余度值設(shè)計提供參考。

3 在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中實施冗余度理念策略

在橋梁的實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，斷裂控制構(gòu)件和橋梁設(shè)計參數(shù)將對橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計產(chǎn)生一定的影響。因此，必須要充分考慮裂縫控制構(gòu)件和橋梁設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)冗余度的影響。以下將從斷裂控制構(gòu)件和橋梁設(shè)計參數(shù)兩個方面來進行研究，考察這兩個因素對結(jié)構(gòu)冗余度造成的影響，并討論了冗余度優(yōu)化策略在橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.1 裂縫控制組件對橋梁冗余度的影響

美國國有公路運輸管理協(xié)會（American State Highway Transportation Management Association，即是AASHTO）將斷裂控制構(gòu)件（Fracture critical member，即是FCM）定義為“一旦失效就會導(dǎo)致橋梁倒塌或無法履行預(yù)期功能的受拉構(gòu)件”。這些部件可能由于橋的大拉伸而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破裂并最終導(dǎo)致部件的失效。因此，在橋梁冗余度設(shè)計中，應(yīng)注意張力板的構(gòu)件，以滿足施工的韌性標準。從分析可以看出，橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫控制部件是影響橋梁冗余度設(shè)計的重要參數(shù)。

3.2 影響橋梁冗余度的參數(shù)分析

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，橋梁跨長，橋梁曲面，橋梁外部連接這些設(shè)計參數(shù)對橋梁設(shè)計的冗余度都具有一定的影響，以下將具體研究其影響。

3.2.1 跨長對結(jié)構(gòu)冗余度的影響

跨度長度不是橋冗余度的決定性因素，當橋梁存在較多的較多的外部連接時，即使橋梁的跨長有所區(qū)別也可以實現(xiàn)相同的冗余度。

3.2.2 曲面對結(jié)構(gòu)冗余度的影響

橋梁的曲面參數(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，曲面半徑發(fā)生變化時，冗余度的值也會發(fā)生變化，曲面半徑與冗余度的值是正相關(guān)關(guān)系，因此，必須在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，著重研究橋梁曲面這一重要參數(shù)。

3.2.3 外部連接對結(jié)構(gòu)冗余度的影響

分析橋梁的外部連接時，可以從兩個方面入手：外部連接類型和外部連接數(shù)量。橋梁的外部連接數(shù)量對橋梁的冗余度系數(shù)有很大影響。冗余度與外部連接類型兩者之間相互影響著，這是因為外部連接類型主要用于確保橋梁系統(tǒng)的橫向傳遞能力，而在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，首先要考慮橋梁承載的最低標準，然后再考慮橋梁外部連接的類型，這表明外部連接的類型對于橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性是至關(guān)重要的。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余度的實施策略

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用冗余度理念時，應(yīng)遵循相應(yīng)的原則，使橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。

3.3.1 實現(xiàn)橋梁設(shè)計冗余度理念的原則

在使用冗余度理念設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)時，必須遵循三個原則，結(jié)構(gòu)設(shè)計時盡量使用連續(xù)結(jié)構(gòu)，為橋梁提供多重傳力途徑以及具體問題具體分析的原則。

首先是具體問題具體分析原則，橋梁設(shè)計要具體問題具體分析，要結(jié)合橋梁的特定的使用功能和實際環(huán)境等情況來進行設(shè)計，制定出針對特殊事件的冗余度要求，例如根據(jù)道路的部分路段自然災(zāi)害發(fā)生的概率，比如泥石流，洪水和滑坡等發(fā)生的可能性大小來確定不同路段上橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度。

然后在結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡可能使用連續(xù)結(jié)構(gòu)，并為橋梁提供多重傳力途徑的原則。國家公路運輸管理協(xié)會（AASHTO）的設(shè)計規(guī)范中，提出了橋梁結(jié)構(gòu)冗余度的原理要求，在設(shè)計橋梁時要求最大限度地利用連續(xù)和整體結(jié)構(gòu)模式，以實現(xiàn)冗余度的作用，即當橋系統(tǒng)組件損壞時，系統(tǒng)運行不受局部故障的影響，橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能不受影響。多重傳力途徑原則是為橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件設(shè)置足夠的力傳遞路徑，以確保整個橋梁的穩(wěn)定性。

3.3.2 橋梁設(shè)計中冗余度理念的實現(xiàn)

在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，當系統(tǒng)中的一個部件損壞時，冗余度可以將橋梁的整個承載力及時分配給已經(jīng)施加到橋梁上的荷載，確保一定時間內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)的功能能夠繼續(xù)實現(xiàn)。因此，分析橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余度的主要目的是研究橋梁系統(tǒng)某一構(gòu)件失效后，橋梁結(jié)構(gòu)機構(gòu)是否能夠在一定時間內(nèi)安全地承載交通的荷載能力。

在橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常會有兩個過程，第一是冗余度的計算，第二是將冗余度的計算拓展到橋梁的上部結(jié)構(gòu)當中。在進行橋梁的冗余度計算時，要對橋梁的整體荷載力進行計算，橋梁的整體荷載系數(shù)分析需要從以下幾個方面來進行，第一是具體分析橋梁設(shè)計中的關(guān)鍵部件是否對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生重大影響。從而來分析冗余度；二是分析橋梁結(jié)構(gòu)中某個部件的載荷系數(shù)，如果部件的載荷系數(shù)小于1（1是橋梁系統(tǒng)的極限承載力與橋梁關(guān)鍵部件的承載能力之比），整個設(shè)計的冗余性好，延展性好；反之則不好。在分析橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度是否合格時，使用非線性結(jié)構(gòu)分析軟件計算原始完整橋梁系統(tǒng)的總承載能力和受損橋梁系統(tǒng)的總承載能力，以此來驗證強度極限狀態(tài)下的冗余率，工作極限狀態(tài)下的冗余率和橋接損壞時的冗余率是否合格。當橋梁系統(tǒng)構(gòu)造沒有達到相應(yīng)的冗余率時，要改變系統(tǒng)的構(gòu)造，例如從橋梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)，特殊的構(gòu)造細節(jié)，避免采用某些典型的截面等方式來對橋梁系統(tǒng)的荷載效應(yīng)進行“放大”或“減小”，來保證橋梁系統(tǒng)具有足夠的安全水平。

橋梁的極限承載力，構(gòu)件的損壞和橋梁受損時的極限狀態(tài)是分析橋梁冗余度和橋梁整個構(gòu)件系統(tǒng)安全性的重要切入點。因此，在分析橋梁的冗余度時，可以根據(jù)橋梁本身的幾何形狀和與橋組件相關(guān)的原理來分析橋梁的冗余度，確保在一定時間內(nèi)，橋梁的荷載力，橋梁損壞情況以及檢驗橋梁的完好程度，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計深度優(yōu)化，最大限度地減少橋梁安全隱患的發(fā)生，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的冗余度功能。

但是，應(yīng)該注意的是，橋梁結(jié)構(gòu)中冗余度的最大影響是確保當橋梁受到外部損壞時，橋的結(jié)構(gòu)功能繼續(xù)運行，但冗余度不是確定橋結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的標準。這是因為在橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，內(nèi)部冗余度，系統(tǒng)冗余度和結(jié)構(gòu)冗余度三者共同存在且相互依賴，簡而言之，冗余度理念用于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是為橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)保持足夠的安全水平，而不是增加冗余度水平。

4 結(jié)語

隨著中國經(jīng)濟建設(shè)的加快，橋梁工程建設(shè)取得了創(chuàng)新發(fā)展。橋梁建設(shè)體現(xiàn)了經(jīng)濟建設(shè)的繁榮和科技的進步，展現(xiàn)了我國日益增強的綜合國力，因此必須要重視橋梁建設(shè)的實用性、穩(wěn)定性和安全性。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有必要根據(jù)橋梁工程的特點優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高設(shè)計方案的可靠性和針對性。在實際設(shè)計中，應(yīng)充分考慮橋梁的冗余度，并且有針對性地進行橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計，從而使橋梁結(jié)構(gòu)的某個構(gòu)件損害時能夠不破壞橋梁系統(tǒng)整體性。