關(guān)于公路橋梁優(yōu)化設(shè)計的分析

【摘要】本文主要從結(jié)構(gòu)可靠度的定義、可靠度理論下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要求、公路橋梁結(jié)構(gòu)目標可靠度及基于可靠度的公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計這四個方面進行闡述。

【關(guān)鍵詞】橋梁結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)可靠度；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、結(jié)構(gòu)可靠度的定義

結(jié)構(gòu)的可靠性是指結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性的統(tǒng)稱。一般情況下，總是將影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素歸納為結(jié)構(gòu)構(gòu)建的荷載效應(yīng)的R和抗力S。荷載在設(shè)計基準期內(nèi)有不同的組合和效應(yīng)，抗力在材料性能、幾何參數(shù)和計算模式下均具有不定性，因此在現(xiàn)實情況下，我們只能從概率學(xué)上用失效概率度量結(jié)構(gòu)的可靠性，通過將抗力和作用效應(yīng)相互獨立。

根據(jù)當前國際上的一致看法，結(jié)構(gòu)可靠度是指工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。“規(guī)定時間”是指結(jié)構(gòu)進行可靠度分析時，結(jié)合結(jié)構(gòu)使用期，考慮各種基本變量與時間的關(guān)系所取用的基準時間；“規(guī)定的條件”是指結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計、施工和使用的條件下，即不考慮人為過失的影響；“預(yù)定功能”是指正常施工和使用時，結(jié)構(gòu)能承受可能出現(xiàn)的各種作用，同時具有良好的工作性能，有足夠的耐久性能，以及在設(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。

可靠度概念中的“規(guī)定時間”是指結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期，一般大多數(shù)國家是50年，且有一個關(guān)系就是：“規(guī)定的時間越長，結(jié)構(gòu)可靠度就越低”。目前，根據(jù)我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ D60-2004）中規(guī)定，公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期為100年。

2、可靠度理論下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

可靠度理論下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的總要求是：結(jié)構(gòu)的抗力R應(yīng)大于或等于結(jié)構(gòu)的綜合荷載效應(yīng)S，即RS。

在公路橋梁結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計中，即規(guī)定的條件就是在正常情況下的施工，則將截面承載力的安全指標β作為結(jié)構(gòu)的可靠指標；將結(jié)構(gòu)在失效狀態(tài)時的概率稱為失效概率。但由于實際中抗力和荷載效應(yīng)均為隨機量，因此上式并不能絕對滿足，而只能在一定概率意義下滿足。即P{RS}=Pr。

其中，Pr為結(jié)構(gòu)的概率可靠度。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計更明確的要求是：在一定的可靠度Pr或失效概率Pj條件下，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)的抗力大于或等于結(jié)構(gòu)的綜合荷載效應(yīng)。

而在公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般需要確定結(jié)構(gòu)的失效標準和失效模型；確定結(jié)構(gòu)的目標可靠指標；推求設(shè)計表達式。

3、公路橋梁結(jié)構(gòu)目標可靠度

目標可靠指標是結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計所要預(yù)期達到的安全水平指標。而度量結(jié)構(gòu)可靠性的指標就是可靠度。其優(yōu)點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(yīng)關(guān)系。因此，要將概率極限狀態(tài)設(shè)計法用于公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先需要設(shè)計者確定以多大的失效概率作為設(shè)計目標，即目標可靠指標應(yīng)選多大（其以結(jié)構(gòu)的重要性、失效后果、破壞性質(zhì)、經(jīng)濟指標等因素分析確定）。當所設(shè)計的結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率小，即可靠指標大，結(jié)構(gòu)的可靠程度提高，相應(yīng)的工程造價高，而維護費用降低，投資風(fēng)險及給社會帶來的后果就小；反之，失效概率大，即可靠指標小，結(jié)構(gòu)的可靠程度低，工程造價低，維護費用高，投資風(fēng)險及給社會帶來的后果等問題就多。

目前，根據(jù)我國現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計規(guī)范條件下橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度校準的結(jié)果，經(jīng)綜合分析，并參考國內(nèi)外各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件目標可靠指標的建議值，《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》（CB/T 50283-1999）建議我國公路橋梁二級結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計基準期內(nèi)的目標可靠指標為：

主要組合（汽車、人群、結(jié)構(gòu)自重和土引起的或其中部分引起的效應(yīng)組合）：

延性破壞構(gòu)件βT=4.2

脆性破壞構(gòu)件βT=4.7

附加組合（在主要組合的基礎(chǔ)上再加上其他作用效應(yīng)的組合）：

延性破壞構(gòu)件βT=3.7

脆性破壞構(gòu)件βT=4.2

上述建議值分別相應(yīng)于現(xiàn)行公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范延性破壞構(gòu)件和脆性破壞構(gòu)件可靠指標的下限值。

對于一級和三級公路橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，相應(yīng)的目標可靠指標可根據(jù)我國《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》（CB 50253-1999）的要求，在已確定的二級結(jié)構(gòu)構(gòu)件目標可靠指標的基礎(chǔ)上各分別增減0.5，這個要求依然是工程經(jīng)驗性的要求。

4、基于可靠度的公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可以決策出各個構(gòu)件的最優(yōu)可靠度，各個構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計就是以最小的造價實現(xiàn)它的最優(yōu)可靠度，這就將結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計方法分成以下三個方面：

4.1.1選擇設(shè)計變量

一般把對設(shè)計要求起主要影響作用的參數(shù)作為設(shè)計變量，如目標控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)造價C1和損失期望C2）和約束控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS）；而將那些對設(shè)計要求來講，變化范圍不大或是根據(jù)結(jié)構(gòu)要求或局部性的設(shè)計考慮就能滿足設(shè)計要求的參數(shù)等作為預(yù)定參數(shù)，這可以大大減少設(shè)計、計算和編制程序的工作量。

4.1.2確定目標函數(shù)

一般用全橋所設(shè)計的梁結(jié)構(gòu)造價之和作為目標函數(shù)進行優(yōu)化。首先，假設(shè)所設(shè)計的梁在使用期內(nèi)失效概率為PF，其失效以達到或超過極限狀態(tài)為標志，一旦結(jié)構(gòu)損壞必須考慮重建。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度優(yōu)化設(shè)計問題就歸結(jié)為尋求一組滿足預(yù)定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率PF，從而使總費用C最小。

minC=C1+ C2PF

式中，C：目標函數(shù)；

C1：結(jié)構(gòu)造價；

C2：結(jié)構(gòu)的損失期望，失效概率為PF時可能造成的失效結(jié)構(gòu)的恢復(fù)費用。結(jié)構(gòu)失效概率為PF。

4.1.3確定約束條件

公路橋梁結(jié)構(gòu)基于可靠度優(yōu)化設(shè)計的約束條件，則包括尺寸約束、結(jié)構(gòu)強度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設(shè)計中，要使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于實際橋梁工程，則是將公路橋梁設(shè)計中實際的約束條件與目標約束條件相比較，保證各約束條件都符合現(xiàn)行規(guī)范的要求，以實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。

4.2選擇優(yōu)化設(shè)計計算方法

橋梁結(jié)構(gòu)基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計問題屬于比較復(fù)雜的多變量、多約束非線性優(yōu)化問題，在計算過程中，通常是將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束問題求解。可以利用的優(yōu)化設(shè)計計算方法有復(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

4.3進行程序設(shè)計

根據(jù)基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和選擇的優(yōu)化設(shè)計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

4.4結(jié)果分析

對計算結(jié)果進行分析，確定最優(yōu)設(shè)計方案。

5、結(jié)束語

綜上所述，基于可靠度的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其不僅考慮到設(shè)計參數(shù)中設(shè)計向量、目標函數(shù)和約束函數(shù)的隨機性、模糊性和未確知性等，以及材料和施工質(zhì)量的不確定性，使得設(shè)計人員在設(shè)計時利用橋梁結(jié)構(gòu)的目標可靠度或失效概率，來描述更為科學(xué)和定量的安全可靠程度，實現(xiàn)安全、適用、耐久的設(shè)計要求；另外其還考慮到不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結(jié)構(gòu)運行和維修費用等在內(nèi)的經(jīng)濟指標，考慮如何以最低的造價實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)經(jīng)濟、合理和美觀的設(shè)計要求。在文章中，以結(jié)構(gòu)可靠度為控制參數(shù)，既能處理橋梁結(jié)構(gòu)中的隨機不確定性，又能使安全與經(jīng)濟之間、近期投資與長遠效益之間的矛盾得到最佳的協(xié)調(diào)，從而使公路橋梁設(shè)計方案在安全、適用、經(jīng)濟的條件下達到最佳優(yōu)化。

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