淺談結構可靠度下的公路橋梁優化設計

劉魯生

摘要：文章關鍵從何為結構可靠性以及在此理論之下的道橋構造的設計規定、公路橋梁結構目標可靠度及基于可靠度的公路橋梁結構優化設計這四個方面進行闡述。

關鍵詞：橋梁結構；結構可靠度；結構設計

在開展橋梁構造的設計的時候，一般是按照如下的理念來開展活動，即安穩，節省費用而且性能優秀。在以往的設置工作中，關鍵是按照定值措施來開展設計，其意義是為了獲取符合設計規定的最低的設計，它不僅僅無法描繪和分析構造中面對的各項不利現象，而且也無法體現別的內容，更加的不能夠處理其存在的不利現象。同時因為很久以來，在該項設計活動進行的時候，過分的看重其強度內容，不關注持久性特征，關注強度，忽略使用極致模式。關注建設活動，不重視檢修活動，導致存在非常多的不利現象。最近一段時間中，我國出現的多起不利現象都是因為構造損壞而引起的，進而導致構造的受力性等被影響。所以為了確保道橋的運作安穩，增加其使用時間，切實的提升道橋項目的穩定性和持續性，降低存在的不利現象，進而節省后續的維護資金，增加對其可靠性的探索等在道橋設計中已經成為了一項要認真關注的內容。

1 何為構造的可靠性

它是構造的安穩性以及持續性等的集合。通常，將對穩定性有作用的要素分成結構構建的荷載效應的R和抗力S。荷載在設計基準期內有不同的組合和效應，抗力在材料性能、幾何參數和計算模式下均具有不定性，所以，在具體狀態中，我們只能從概率學上用失效概率度量結構的可靠性，通過將抗力和作用效應相互獨立。

結合當前的統一思想，可靠度是在構造要求的時限之中，在要求背景下，開展好特定功效的幾率。所謂的要求時間，具體的說是開展該項分析的時候，通過分析構造的使用時間，分析多項變量和時間的聯系而使用的最為有效地時間。所謂的要求的背景，是說構造在平時的設計以及建設等的環境中，也就是說忽略人為的不利現象的前提下。

2 在該背景之中的道橋構造設計規定

可靠度理論下公路橋梁結構設計的總要求是：結構的抗力R應大于或等于結構的綜合荷載效應S，即RS。

在開展該項可靠性的分析的時候，也就是說在明確的背景下的建設，則將截面承載力的安全指標β作為結構的可靠指標；將結構在失效狀態時的概率稱為失效概率。不過具體情況中，抗力等都是不固定的，所以上面的公式是無法完全的符合的，也就是說在設定的幾率中符合規定。即P{RS}=Pr。

其中，Pr為結構的概率可靠度。所以，設計中更明確的規定是：在一定的可靠度Pr或失效概率Pj條件下，開展設計活動，確?？沽Τ^或者是等同于構造的受力性。

但是在道橋的設計中，通常規定由明確的失效信息等，明確構造的目標可靠內容，獲取相關的公式。

3 關于道橋項目構造目的可靠性

目標可靠指標是結構設計的依據，它是構造設計活動期待實現的安全信息。而度量結構可靠性的指標就是可靠度。它的優勢特征是目標可靠指標與失效概率或目標可靠度（可靠概率）有一一對應關系。所以，要將概率極限狀態設計法用于公路橋梁結構設計，第一規定設計人員明確按照多達的概率來當成設計目的，即目標可靠指標應選多大（其以結構的重要性、失效后果、破壞性質、經濟指標等因素分析確定）。當所設計的結構構件失效概率小，即可靠指標大，構造的可靠性增加，對應的項目費用就多，而維護的資金變少，投資活動和給整個社會帶來的不利現象就低很多。相反的，如果概率高的話，也就是說可靠性小的話，構造的穩定性就小，項目的資金就低，維護所需的費用就多，而面對的不利現象等就非常的繁瑣。

現在，通過分析我們國家的有關規定，而且結合相關的建議信息，《公路工程結構可靠度設計統一標準》（CB/T 50283-1999）建議我國公路橋梁二級結構構件在設計基準期內的目標可靠指標為：

主要組合（汽車、人群、結構自重和土引起的或其中部分引起的效應組合）：

延性破壞構件βT=4.2

脆性破壞構件βT=4.7

附加組合（在主要組合的基礎上再加上其他作用效應的組合）：

延性破壞構件βT=3.7

脆性破壞構件βT=4.2

上述建議值分別相應于現行公路橋梁結構設計規范延性破壞構件和脆性破壞構件可靠指標的下限值。

針對一級和三級的構件，它的可靠性數值可以通過分析當前的別的規定來開展，在目前已經明確的二級的前提下增多一級減少0.5，此規定還是項目的經驗性規定。

4 以可靠度為背景的道橋構造的設計活動

4.1 結構優化模型

4.1.1 合理的選取設計變量信息

一般把對設計要求起主要影響作用的參數作為設計變量，如目標控制參數（結構造價C1和損失期望C2）和約束控制參數（結構的可靠度PS）；把那種對于設計規定來說，變動領域不是很寬或者是結合構造規定或者是部分性的分析就可以合乎設計規定的數值當成是設定的數值，此舉能夠有效的降低設計和運算等的活動量。

4.1.2 確定目標函數

一般用全橋所設計的梁結構造價之和作為目標函數進行優化。首先，假設所設計的梁在使用期內失效概率為PF，其失效以達到或超過極限狀態為標志，如果構造受損的話，就要再次的分析。所以，橋梁結構的可靠度優化設計問題就歸結為尋求一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率PF，進而確保費用最少。

minC=C1+ C2PF

式中，C：目標函數；

C1：結構造價；

C2：結構的損失期望，失效概率為PF時可能造成的失效結構的恢復費用。結構失效概率為PF。

4.1.3 確定約束條件

公路橋梁結構基于可靠度優化設計的約束條件，則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。開展設計的時候，應該確保構造的優化設計能夠合理的體現到道橋項目之中，就是把具體的約束內容和設定的信息進行比對，確保所有的要素都可以合乎目前的規定，以此來確保設計最為合理。

4.2 合理的選取設計計算措施

橋梁結構基于可靠度的優化設計問題屬于比較復雜的多變量、多約束非線性優化問題，在開展運算的時候，一般是把有約束的要素變化成為相對的來分析。可以利用的優化設計計算方法有復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

4.3 開展全方位的程序設計活動

根據基于可靠度的結構優化模型和選擇的優化設計計算方法，得到功效綜合，速率快的體系。

4.4 探索結局

對結果開展全方位的比對，得到最佳的規劃。

通過上面的敘述，我們發現以可靠性為前提的道橋項目的設計活動，不但分析到設計信息中的向量和有關的隨機性等，物料以及水泥等品質的不明確特征，導致設計者在開展活動的時候按照目標可靠性等來分析，確保其合乎安穩以及持續性的設計規定。除此之外，還應該分析到各種功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結構運行和維修費用等在內的經濟指標，分析怎樣憑借最少的費用來獲取最好的利潤，進而實現費用最低等的規定。在本文中，將構造的可靠性當成是指標，不但可以分析其中出現的不明確性特征，還可以確保安穩性和費用以及短暫的費用和長遠的費用之間的不利現象得以有效地調節，進而確保道橋項目在安穩有效地背景下實現。