基于可靠度理論的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張賢

摘 要：將可靠度理論用于路橋設(shè)計(jì)工作中，能夠保證設(shè)計(jì)的可靠性，充分提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。對(duì)此，文章介紹了結(jié)構(gòu)可靠度定義，闡述了基于可靠度理論的路橋設(shè)計(jì)要求，介紹了路橋結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度，提出了可靠度理論下的路橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)企業(yè)與人員提供參考，以不斷提高我國(guó)路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性。

關(guān)鍵詞：可靠度理論;公路橋梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為橋梁事業(yè)發(fā)展提供了良好的經(jīng)濟(jì)保障。橋梁工程數(shù)量不斷增多，然而我國(guó)路橋工程整體技術(shù)還有待提升。在早期橋梁項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)體系是主要問(wèn)題，而在改革開(kāi)放后，橋梁耐久性與安全性是主要問(wèn)題。近年因?yàn)榻煌髁坎粩嘣鲩L(zhǎng)，負(fù)載增加使得路橋持續(xù)出現(xiàn)疲勞破損與橋梁損壞問(wèn)題。而通過(guò)交通部門(mén)關(guān)于橋梁的調(diào)查數(shù)據(jù)也能夠發(fā)現(xiàn)，我國(guó)橋梁基本上處于“危險(xiǎn)”或是“帶病”工作狀態(tài)。所以，為了保證路橋工程使用壽命，應(yīng)該全面評(píng)估橋梁。

1 結(jié)構(gòu)可靠度定義

開(kāi)展橋梁評(píng)估工作過(guò)程中，傳統(tǒng)方法主要以專家經(jīng)驗(yàn)或是外觀調(diào)查為基礎(chǔ)開(kāi)展，評(píng)估時(shí)通常邀請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師全面評(píng)價(jià)橋梁狀況，并給出一些整改或是優(yōu)化意見(jiàn)。因?yàn)榇诉^(guò)程中，影響因素較為復(fù)雜并且數(shù)量較多，所以評(píng)估工作和相關(guān)人員的工程經(jīng)驗(yàn)存在密切關(guān)聯(lián)，最終造成評(píng)估環(huán)節(jié)中的不定因素增加。而可靠度理論主要通過(guò)可靠指標(biāo)β與失效概率進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全性能衡量與評(píng)價(jià)，因?yàn)椴捎酶怕式y(tǒng)計(jì)，所以該理論能夠?qū)沽εc荷載不定性進(jìn)行充分處理，同時(shí)能夠?qū)ο嚓P(guān)不定性在橋梁結(jié)構(gòu)安全性與可靠性方面產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效控制。所以，其能夠?yàn)闃蛄涸u(píng)估工作提供良好的理論框架[1]。

結(jié)構(gòu)可靠度一般指結(jié)構(gòu)適用性與耐久性，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)可靠度的影響因素即荷載效應(yīng)抗力。開(kāi)展荷載基準(zhǔn)設(shè)計(jì)工作時(shí)，其各種效應(yīng)存在差異，在材料性能、幾何采納數(shù)以及計(jì)算模式中，抗力存在不確定性。開(kāi)展設(shè)計(jì)工作時(shí)，僅可以通過(guò)概率對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行衡量，相關(guān)作用效應(yīng)和抗力屬于相互獨(dú)立關(guān)系。可靠度主要指工程能夠在規(guī)定時(shí)間要求內(nèi)完成設(shè)計(jì)功能建設(shè)。對(duì)于規(guī)定時(shí)間，主要指開(kāi)展結(jié)構(gòu)可靠度分析工作時(shí)，應(yīng)該按照應(yīng)用的基準(zhǔn)時(shí)間。對(duì)于規(guī)定條件，主要指開(kāi)展結(jié)構(gòu)施工活動(dòng)時(shí)，并未對(duì)建筑過(guò)失影響進(jìn)行充分分析，若是發(fā)生突發(fā)事件，應(yīng)該保證整體的穩(wěn)定性。路橋工程結(jié)構(gòu)通常選擇裝配式橋梁結(jié)構(gòu)，此種橋梁模板具有質(zhì)量可靠、流轉(zhuǎn)度高等特點(diǎn)，主要難點(diǎn)是需要充分掌握地質(zhì)情況與水文情況，應(yīng)該對(duì)通航、行洪和其他路線相交情況進(jìn)行充分掌握。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)季節(jié)性施工、深墩大跨項(xiàng)目施工、高邊坡支護(hù)工程以及軟土地基處理等工程加以重視，科學(xué)選擇橋型與施工工法?！耙?guī)定時(shí)間”主要指橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，通常在50年左右，隨著時(shí)間推移，結(jié)構(gòu)可靠性會(huì)相對(duì)降低。對(duì)于橋位選擇而言，難度較小，市政橋梁除外，其主要問(wèn)題在于需要與不同部門(mén)展開(kāi)調(diào)解，涉及排污、給水、燃?xì)狻㈦娏?、通訊、航運(yùn)、公路、鐵路等部門(mén)，并且橋梁結(jié)構(gòu)還需對(duì)燈光應(yīng)急造型等問(wèn)題加以考慮。同時(shí)，對(duì)于一些使用新工藝的橋梁，如菜園壩長(zhǎng)江大橋中的Y形墩即具有較大施工難度。

2 基于可靠度理論的路橋設(shè)計(jì)要求

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)橋梁在基準(zhǔn)期中的自然條件、交通荷載增量以及交通量情況等因素進(jìn)行充分分析，以功能角度分析，需要對(duì)以下基本要求進(jìn)行充分滿足：第一，安全性良好。開(kāi)展施工活動(dòng)以及投入運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋梁會(huì)承受大量荷載作用，而在此過(guò)程中，可以充分保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，充分符合安全性規(guī)定與要求。第二，符合橋梁日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的工作性能，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及車(chē)輛通行能力等均需達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為行車(chē)安全提供保障。第三，耐久性良好。選擇橋梁原料過(guò)程中，應(yīng)盡量采購(gòu)抗老化性能良好的材料，同時(shí)積極提高相應(yīng)的疲勞壽命。第四，基于外力碰撞以及其他偶然事件條件下，可以充分確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷。第五，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)在確保結(jié)構(gòu)合理性的基礎(chǔ)上，盡可能減少工程造價(jià)。

基于當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，其耐久性、適應(yīng)性與安全性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)的重要問(wèn)題。

2.2 可靠度理論下路橋設(shè)計(jì)要求

基于可靠度理論，路橋工程重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題，主要是在已知結(jié)構(gòu)抗力值R以及載荷效應(yīng)值S的基礎(chǔ)上，科學(xué)選擇橋梁界面，確?？煽慷纫蟮玫匠浞譂M足。路橋結(jié)構(gòu)可靠度整體要求是保證抗力值R始終比荷載效應(yīng)值大，在設(shè)計(jì)時(shí)一般寫(xiě)作RS。因?yàn)槭艿阶匀粭l件以及車(chē)輛荷載等因素影響，荷載效應(yīng)值和抗力值在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期中始終處于變化過(guò)程中，所以要想保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求得到充分滿足，應(yīng)該增設(shè)附加條件。開(kāi)展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)概率可靠度用Pr表示，失效概率用Pj表示，公式如下所示：Pr=P{RS}。上述公式主要是在橋梁設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)抗力值始終高于載荷效應(yīng)值條件下保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)科學(xué)制定失效標(biāo)準(zhǔn)，合理構(gòu)建失效模型，對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行合理明確，合理設(shè)計(jì)表達(dá)方程式[2]。

3 路橋結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度

目標(biāo)可靠度主要指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全水平指標(biāo)，可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行度量。目標(biāo)可靠度和失效概率屬于相對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性充分反映出來(lái)。目標(biāo)可靠指標(biāo)情況在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屬于首要考慮事項(xiàng)。在指標(biāo)比較小，就是失效概率比較大的情況下，結(jié)構(gòu)可靠度減小，經(jīng)濟(jì)性降低，維護(hù)成本提高，無(wú)法有效控制投資風(fēng)險(xiǎn)。反之，結(jié)構(gòu)可靠度增加，維護(hù)成本降低、經(jīng)濟(jì)性增加，后期問(wèn)題以及投資風(fēng)險(xiǎn)降低[3]。

現(xiàn)階段，我國(guó)路橋以及結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度根據(jù)組合方式，主要涵蓋附加組合與主要組合兩種方式：

第一，主要組合。脆性破壞構(gòu)件βT=5.2;延性破壞構(gòu)件βT=4.7。第二，附加組合。脆性破壞構(gòu)件βT=4.7;延性破壞構(gòu)件βT=4.2。

以上可靠度取值，均是不同類型構(gòu)件可靠度下限值，而二級(jí)橋梁構(gòu)件與三級(jí)橋梁構(gòu)件目標(biāo)可靠度值，均是以此為基礎(chǔ)遞減0.5。

4 可靠度理論下的路橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化模型

借助對(duì)橋梁不同構(gòu)件展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建以可靠度為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，借助對(duì)分析計(jì)算獲得不同構(gòu)件造價(jià)最小值，進(jìn)而對(duì)構(gòu)件最優(yōu)可靠度進(jìn)行有效確定。

第一，設(shè)計(jì)變量的選擇。為了降低優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算量，可以把設(shè)計(jì)參數(shù)分為預(yù)定參數(shù)與主要參數(shù)兩種類型。主要參數(shù)主要指，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響較為嚴(yán)重的參數(shù)，涵蓋約束控制與目標(biāo)控制兩種參數(shù)?；谥饕獏?shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中影響比較大的因素考慮，通常把主要參數(shù)選作設(shè)計(jì)變量。對(duì)于預(yù)定參數(shù)，是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中變化范圍小、影響情況小，或是僅需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)展開(kāi)局部設(shè)計(jì)即能夠滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)。開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作時(shí)，并未將預(yù)定參數(shù)選做設(shè)計(jì)變量，目的是降低設(shè)計(jì)工作量與計(jì)算量。

第二，目標(biāo)函數(shù)的確定。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，橋梁造價(jià)總和與失效概率之間構(gòu)建函數(shù)關(guān)系，展開(kāi)設(shè)計(jì)優(yōu)化。應(yīng)對(duì)橋梁的失效概率進(jìn)行假設(shè)，為了保證總成本C達(dá)到最低值，可以構(gòu)建minC=C1+C2Pf函數(shù)關(guān)系展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，C代表目標(biāo)函數(shù)，Pf代表失效概率，C1代表結(jié)構(gòu)造價(jià)，C2代表?yè)p失期望。

第三，約束條件的確定。為了保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成果可以在橋梁施工活動(dòng)中得到充分應(yīng)用，應(yīng)對(duì)目標(biāo)約束條件和實(shí)際約束條件展開(kāi)比較，基于滿足設(shè)計(jì)要求情況下才能夠應(yīng)用，進(jìn)而保證橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

4.2 選擇計(jì)算方法

在可靠度理論下，橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)具有約束多、變量多以及計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)。因?yàn)橛?jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，路橋設(shè)計(jì)一般選擇Powell法、復(fù)合形法以及拉氏乘子法等形式展開(kāi)設(shè)計(jì)計(jì)算工作。

4.3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)，主要是按橋梁結(jié)構(gòu)可靠度中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法與優(yōu)化模型，進(jìn)行符合模型功能、運(yùn)算準(zhǔn)確性與要求的程序設(shè)計(jì)[4]。

4.4 分析結(jié)果

借助對(duì)不同優(yōu)化方案展開(kāi)分析與計(jì)算，確定最優(yōu)方案指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)施工。以可靠度為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)，需要對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的具體影響進(jìn)行充分分析，同時(shí)還需要對(duì)施工質(zhì)量與建材質(zhì)量的不確定性進(jìn)行充分分析，促使最終設(shè)計(jì)方案具有良好的可靠性與安全性。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)對(duì)后期維護(hù)、橋梁使用成本以及C2進(jìn)行充分考慮，進(jìn)而保證造價(jià)設(shè)計(jì)方案達(dá)到最優(yōu)效果，不僅能夠保證結(jié)構(gòu)安全性、美觀性等得到充分滿足，同時(shí)能夠充分提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，以可靠度理論為基礎(chǔ)開(kāi)展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)中的目標(biāo)函數(shù)不定性、隨機(jī)性、模糊性與建材質(zhì)量未知性等進(jìn)行充分考慮。要求設(shè)計(jì)人員開(kāi)展設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)，通過(guò)目標(biāo)可靠度以及結(jié)構(gòu)失效率對(duì)橋梁安全可靠度進(jìn)行充分描述。同時(shí)，對(duì)于各種功能失效概率、維護(hù)成本以及結(jié)構(gòu)運(yùn)行等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要充分進(jìn)行造價(jià)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最低造價(jià)，充分提高經(jīng)濟(jì)效益，保證橋梁設(shè)計(jì)工作的個(gè)性化需求得到充分滿足。開(kāi)展設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)將結(jié)構(gòu)可靠度選做重要控制參數(shù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)隨機(jī)性問(wèn)題進(jìn)行合理解決，促使路橋工程經(jīng)濟(jì)性和安全性能夠得到協(xié)調(diào)發(fā)展，保證設(shè)計(jì)效果滿足實(shí)際要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李繼剛.結(jié)構(gòu)可靠度理論在公路橋梁設(shè)計(jì)中的若干應(yīng)用研究[J].城市道橋與防洪，2015（09）：202-204，22.

[2] 王玉昌，陸久飛，劉經(jīng)偉，等.基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估分項(xiàng)系數(shù)研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2016（09）：152-155.

[3] 邱山，王芳，李鷺陽(yáng).基于LRFD設(shè)計(jì)理論的不良地質(zhì)條件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的影響研究[J].安徽建筑，2020，237（01）：193-195.

[4] 李昕，李健，范方方，等.基于可靠度理論的水下大直徑盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測(cè)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015（04）：146-152，167.