橋梁設計的冗余度

賀玉娥

(貴州省銅仁公路勘察設計院，貴州 銅仁 554300)

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橋梁設計的冗余度

賀玉娥

(貴州省銅仁公路勘察設計院，貴州 銅仁 554300)

針對目前橋梁設計冗余度過程中存在的問題，文章通過分析冗余度的基本內容、參數影響，提出了設計冗余度的原則方法。結果表明，要想提高橋梁工程結構設計的安全穩定性，可通過控制影響其功能作用的參數指標來實現。

橋梁設計；冗余度；外部橫向連接類型；橋梁跨長

1 橋梁工程設計的冗余度概述

冗余度是決定橋梁工程建設設計穩定性的關鍵。具體來說，冗余度是指儲備橋梁結構強度以及承載力的重要依據。當橋梁工程的局部結構因外力受到了破壞，雖存在一定危險，但只要破壞的范圍處在冗余度的范圍內，則仍能保證工程整體的受荷載能力。換句話說，橋梁設計的冗余度就是將系統行為關聯起來，進而實現整個橋梁系統的荷載能力有效性。然而，在實際設計過程中，橋梁冗余度容易與超靜定次數進行混合使用，這是由于設計未在計算機上實現普及的問題。橋梁設計冗余度的系統系數是作用于構件承載力前的乘數，其與整個橋梁工程結構系統的荷載能力相關聯。為實現整個橋梁計算系統的靜力平衡，相關設計人員要把其與自由度數進行統一。對于形式不同的橋梁結構冗余度設計，研究人員要通過有限元程序來進行檢驗，以保證其適用性。由于系統系數是作用于整個冗余度設計體系中，因而相關設計人員要通過完善兩方面內容來提升其作用價值，分別是，冗余度的計算方法及其作用于連續梁的上部結構。而在將該計算方法應用于連續梁的上部結構中時，主要是進行工字型和箱型截面的后張混凝土以及鋼的設計。這樣一來，橋梁工程的各個結構系統就能形成一個作用整體，進而實現每個部件的功能發揮。

2 影響橋梁設計冗余度的參數內容

2.1 外部橫向連接類型參數

由于橋梁的外部橫向連接或橫隔板是永久性的，這就使其成為直接決定著作用結構安全穩定性的關鍵因素。具體來說，不同的外部橫向連接方式，均能夠保證橋梁系統的橫向傳遞能力。在實際的設計過程中，不同類型的外部橫向連接或橫隔板可以起到對冗余度提升的作用，他們之間也會相互影響，使得橋梁系統獲得最優化的受力系統，從而保證橋梁的安全性和穩固性。值得注意的是，外部橫向連接和實心橫隔板的連接設計必須適宜連接構件全屈服時的荷載狀態。這樣一來，橋梁工程結構設計就具備了可靠的受力系統。此外，對于K形外部橫向連接來說，在某些特殊條件下，實心橫隔板要比其對冗余度的提升效果更好。

2.2 橋梁跨長參數

據大量研究表明，對于橋梁冗余度的設計，要想使不同跨長的橋梁達到相同的R值(冗余度系數)，就要適當的增加橋梁的外部橫向連接。但實質上，橋梁跨長并不是影響橋梁結構冗余度設計的決定性因素。因而，相關設計人員無須對其進行過多的考慮。

2.3 外部橫向連接數量參數

從理論層面上，橋梁結構在受到損壞的最初階段，混凝土橋面位置受到的荷載損壞，很難從梁結構損壞的區域傳遞到橋梁橫向連接的位置上。因而，外部橫向連接的數量參數將對橋梁結構的冗余度設計有效性造成很大的影響。以某雙箱結合梁橋工程為例，當橋梁每一跨的外部橫向連接數量越多，其相應的冗余度就越高。

3 優化橋梁設計冗余度的原則方法

3.1 優化橋梁冗余度設計原則

在進行橋梁結構冗余度的優化設計過程中，應遵循三方面的設計原則。首先，冗余度設計必須要在充分考慮工程建設所處地質情況的基礎上，這是制定出滿足工程結構對冗余度設計需求的原則內容。其次，在橋梁設計中，設計人員應盡可能的采用連續性整體性強的結構體系和建設模式。最后，對于特大跨度的橋梁結構冗余度設計，設計人員要在關鍵構件上設置滿足傳力需求的途徑，這是提高整體結構穩定性的關鍵。

3.2 優化橋梁冗余度的設計方法

優化橋梁的冗余度設計實現方法，關鍵在于當結構構件受損后，承載力能否對其進行分配補償，以保證結構功能的持續履行。首先，橋梁冗余度設計要通過使構件發揮出安全的結構作用；其次，控制好構件的荷載系數；最后，對于設計好的橋梁冗余度，要通過相應的檢驗，來明確結構構件的破壞情況、極限荷載能力以及橋梁受損的極限狀態等。

由于冗余度是橋梁結構體系在特定危機事件中的強度儲備，或是意外發生時保證結構持續履行功能的能力。因此，冗余度的優化設計可借用橋梁結構可靠度的參數和指標來進行描述。在結構體系中，構件自身的冗余度、與外部邊界條件相關的冗余度以及承載途徑的冗余度常處在共同存在或是相互依托的情況下。因此，僅僅在極限狀態驗算式中反映冗余度設計效果是不全面的。

3.3 注意事項

橋梁工程結構的冗余度設計，是保證當橋梁受到不可抗力的破壞時，仍具備持續履行功能的能力。因而，其并不能作為橋梁進行可靠度設計的指標。所以，設計人員應明確，在橋梁結構體系中，持續具備履行功能的能力，是在構件自身冗余度以及相關的外部結構冗余度相互依存的前提下實現的。基于此，相關設計人員在實際設計時，要根據橋梁結構對冗余度設計功能的需求，來制定出具有針對性的冗余度設計要求。此外，設計人員還應充分考慮冗余度設計工程所處的地質情況以及路段建設情況。對于大跨度橋梁工程結構的冗余度設計，可采用三維有限元科學技術來分析結構所受的應力情況，進而找出設計中存在的缺陷。這樣一來，設計人員就能在問題的基礎上，不斷提高冗余度的設計有效性，從而避免橋梁工程結構出現不必要的安全威脅。

檢驗橋梁結構冗余度設計效果，要從構件的破壞程度、橋梁極限的荷載能力以及橋梁受損的極限狀態來進行分析，這是確保橋梁構件體系處在安全使用狀態的關鍵。對于典型橋梁或是普通橋梁，設計人員要采用具有針對性的檢驗方式。具體來說，橋梁的冗余度是與橋梁本身的幾何及橋梁部件相關聯，因而，設計人員應根據這一內容去分析確定檢驗完好的橋梁及受損橋梁的狀態以及在橋梁滿荷載狀態下的情況。在進行檢驗分析時，要從兩方面內容進行細化，分別是：利用非線性的結構分析軟件來具體分析情況；冗余度系數表根據典型的橋梁系統來修正得到的構件強度。

4 結束語

綜上所述，隨著市場經濟發展對橋梁使用年限和質量的要求，這在一定程度上增加結構冗余度的設計難度。針對這一問題，文章通過對影響其作用效果的參數指標進行分析，其目的是為相關建設者提供一些理論依據。事實證明，設計人員應根據工程建設所處的地質條件以及結構設計要求，采取具有適用性的冗余度設計方法，這就確保了橋梁工程建設使用的耐久性。因而，相關建設者應將其作為重要的研究課題，以不斷提高橋梁結構冗余度設計的科學技術水平。

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2016-07-29

賀玉娥，女，湖北天門人，工程師，研究方向：公路與橋梁。

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1008-3383(2016)11-0101-02