對公路橋涵設計中設計洪水頻率的思考

牟洪仲 安竹石

1 定義

1.1 設計洪水頻率

橋涵設計中的設計洪水頻率是指在設計時采用的某一洪水重現的概率[1],它的實質是一種累計頻率。與之對應的是洪水重現期,它表示在很長的一段時間內,該洪水頻率對應的洪水平均多少年發生一次。即若選定的洪水頻率為1%,表示超過這樣的洪水每年出現的可能性為1%。由此可知,設計洪水頻率是與時間相關的一個概念,而JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范中與時間相關的一個核心概念是設計基準期,所以也簡要陳述一下設計基準期的概念。

1.2 設計基準期

設計基準期為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數[2],是概率分析上采用的概念,我國公路橋涵設計的基準期主要是通過可變荷載統計分布確定的。其實質是抗力函數與作用函數簡化的一個時間參數。《公橋規》中規定：公路橋涵設計基準期為100年。這里涉及到的是一個分析的范疇[3],而在橋梁設計規范中,對于和設計更相關的、業主更關心的設計使用年限概念卻少提及,現結合其他結構說明一下。

1.3 設計使用年限

公路水泥混凝土路面的設計年限是指路面達到預定損壞標準所能使用的時間[4]。對于橋梁設計,我們也可認為橋梁在正常條件下不需大修所能運營的時間。美國對橋梁的設計使用年限為不少于75年～100年[5],該文還提出了公路混凝土橋涵結構設計使用年限的規定建議,對于一般大中小橋均為100年。

2 對比

設計洪水頻率與設計基準期的對比。按設計基準期的定義,材料與荷載的考慮都是在一百年之內以較大概率來保證的,而對于設計洪水頻率,假定以一般大中橋1%的設計洪水設計頻率(即每年不到該洪水位的概率為99%)來設計,根據其滿足二項分布[6]可知,在建橋一百年都不觸及該頻率對應洪水位的概率P=0.99100=36.6%,而這是一個較小的保證概率。由此可見,二者在一定程度上是不對應的。

設計洪水頻率與設計使用年限的對比。根據設計使用年限的定義與一般規定,還是以一般大中橋為例子,在使用年限內洪水將以較大概率1-0.99100=63.4%觸及該頻率對應洪水位,在這種情況下結構能不能真正達到經驗的設計使用年限將有較大的困難。所以,在橋梁設計規范中更明確地規定設計使用年限,并通過一定的設計參數與設計措施保證在設計使用年限內能夠降低洪水的影響是必要的。當然,提高設計洪水頻率也是一個措施,比如美國規范就比我國高,但即使提高1/500,也只能保證50年使用過程中有90%的保證概率,所以單獨以提高設計洪水頻率的方式來提高保證率作用不明顯。

橋梁設計洪水頻率與區域防洪標準的對比。《公橋規》中對于設計洪水頻率大小的規定僅與橋梁跨徑及重要性有關,而不涉及到區域的防洪標準,將防洪標準較低的區域與較高的地區等同對待,將使防洪標準較低的區域很難達到《公橋規》規定的設計洪水頻率值,且極易在防洪標準較低的地區形成橋與路連接不順,甚至單橋凸起的情況。所以,設計洪水頻率可區別對待,根據實際情況適當調整其大小,而這種調整又與橋梁結構自身需以較大概率在較長使用期內保證橋梁不觸及設計水位的目標相抵觸,如何在這種情況下仍能保證橋梁的安全,除了對橋梁本身加強外,對其他臨時性的防洪設施的強化也很重要。文獻[7]中提到的多次設防的方法,即將洪水分為偶遇洪水與罕遇洪水的方法更多的是從效益分析層面來確定洪水頻率的,但這個效益應是以橋梁不造成安全事故為前提,所以即使從效益角度出發設計洪水頻率的標準降低了,橋梁本身的強度與防罕見洪水的措施也是不可少的。

橋梁設計洪水頻率與抗震設計標準的對比。橋梁設計洪水頻率的概念屬于防洪設計的一個范疇,而橋梁設計規范中涉及防洪設計的地方少之又少,這與抗震設計有專門的公路工程抗震設計規范形成對比,防止洪水特別是罕見洪水對橋涵造成的傷害也應重視。另外,抗震設計的標準不論在國內還是國外都相對較高,例如,現行的美國公路橋梁設計規范(AASHTO)地震設計在使用狀態下,是按50年使用期內10%的失效率進行設計的。即在50年內,有90%的把握不會發生超過該設防等級的地震,相當于重現期為475年。

3 結語

本文明晰了在橋梁設計過程中與設計洪水頻率相關的幾個概念,進而進行了四組對比,得出橋梁規范中對設計洪水頻率的規定與對其他一些相關概念的規定在一定程度上的不統一。從設計洪水頻率出發得到的保證率的角度來說,我國的防洪標準是偏低的。所以,可適當提高設計洪水頻率的標準。但如上文所述即使提高了設計洪水頻率的標準,對罕見洪水的防止也是有限的,那么在條件允許的情況下,我們可以以防止偶遇洪水的破壞為主,而對罕見洪水采用特殊的措施進行應對,這樣即使設計洪水頻率降低了,其實質仍保證了較高的安全性。而對于偶遇洪水與罕遇洪水的劃分,以及防止罕遇洪水對橋涵破壞的措施限于篇幅不再詳述。

橋梁設計過程中設計洪水頻率的取值還需充分考慮區域防洪標準并結合效益分析確定。建議橋規中能有業主與設計人員關心的設計使用年限的規定。在不斷完善防洪設計相關規范與理論研究的同時,可對照抗震設計等相關規范,將抗震設計的一些方法運用到防洪設計,將防洪設計的一些方法運用到抗震設計。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[2]GB 50068-2001,建筑結構可靠度設計統一標準[S].

[3]袁賢訊,陳國英.結構設計基準期與設計工作壽命的關系[J].中國建設信息,2001(21)：48-51.

[4]JTG D40-2002,公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[5]張洪波,鮑衛剛.公路橋涵結構的設計基準期與設計使用年限[J].公路,2005(8)：35-37.

[6]周國利.概率論與數理統計[M].南京：南京大學出版社,2007.

[7]齊懷恩,王光遠.公路橋梁抗洪設計標準的反思和建議[J].林業科技情報,1998(3)：7-13.