200型裝配式公路鋼橋安全性評價及工程應用

折孝明，鄒 順,2,3，王 付,2,3，彭澤友,2,3(.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 70075； 2.西安中交土木科技有限公司 陜西 西安 70075；3.高寒高海拔地區道路工程安全與健康國家重點實驗室 陜西 西安 70075)

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200型裝配式公路鋼橋安全性評價及工程應用

折孝明1，鄒 順1,2,3，王 付1,2,3，彭澤友1,2,3
(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.西安中交土木科技有限公司 陜西 西安 710075；3.高寒高海拔地區道路工程安全與健康國家重點實驗室 陜西 西安 710075)

為了評價裝配式公路鋼橋的安全性，使用公路鋼橋結構可靠度理論和橋梁安全評價等級研究200型裝配式公路鋼橋。借助Matlab和Midas有限元軟件，建立基于結構可靠度的極限狀態方程，求解出可靠度指標；制定安全評估方法，并以工程實例進行驗證。結果表明：安全性評估方法能夠合理地對裝配式鋼橋的安全性能做出評價，可供同類工程參考。

橋梁工程；安全性評價；裝配式公路鋼橋；抗彎承載能力

0 引 言

裝配式公路鋼橋應用于緊急情況下的橋梁搶修，因構件自重輕、安裝架設速度快而得到廣泛應用[1]。隨著重型車輛的增加、特殊設備的運輸以及新建交通對臨時橋梁需求的增大，裝配式公路鋼橋的設計和應用得到進一步發展，吸引更多學者對其展開研究。但目前大多學者主要針對標準桁架的力學性能進行研究，對成橋狀態下整體安全性評價很少提及。文獻[1]基于桁架片設計了大跨徑的斜拉式裝配式公路鋼橋；文獻[2]在山區采用三角桁架形式的鋼桁梁進行橋梁設計；文獻[3]提出應用網絡層次分析法評估應急鋼橋設計的方案；文獻[4]采用修正的AHP法對“321”型鋼橋的安全性進行評價，但評價過程略顯繁瑣；文獻[5]利用計算機和通訊技術建立裝配式公路鋼橋的健康監測評估體系。由于裝配式公路鋼橋的使用具有臨時性，在橋上建立結構狀態監測系統耗費偏大，所以可研究裝配式公路鋼橋結構及應用特點的安全性分析方法，以提高評價結果的科學性，從而保證裝配式公路鋼橋的使用安全[6-7]。基于以上考慮，本文以可靠度理論為基礎，提出一種應用于200型裝配式公路鋼橋的安全性分析方法，該方法既能對結構設計進行校核，又能對結構安全性進行分析，具有較大的實際工程意義。

1 評價方法

1.1 結構可靠度

公路橋梁設計仍以《工程結構可靠性設計統一標準》(GB 50153—2008)提出的概率極限狀態為原則；當工程結構的功能不能滿足設計規定的某項需求時，對應此功能的狀態即為該功能的極限狀態，其實質就是結構的可靠與失效的分界線[8]。承載能力極限狀態和正常使用極限狀態是公路橋涵設計要求的兩類極限狀態，本文主要針對承載能力極限狀態展開研究。假設影響結構某一功能的基本隨機變量為X=(x1,x2,x3,…,xn)，則與此功能對應的結構功能函數為[9]

Z=g(x1,x2,x3,…,xn)

(1)

結構極限狀態分析可概括為需求和抗力2個因素的比較過程。結構需求S定義為作用在結構上的各種荷載引起的內力、變形、位移等荷載效應；結構抗力R定義為結構抵抗破壞或變形能力，如截面強度、剛度等抗力效應。這樣，結構的功能函數就可以表示為

Z=g(R,S)=R-S

(2)

當Z>0時，結構處于安全狀態；當Z=0時，結構處于極限狀態；當Z<0時，結構處于失效狀態。

實際工程分析中認為功能函數Z服從正態分布，其平均值為μZ，標準差為σZ，則結構的失效概率為

(3)

式(3)經過數學變換后得到

(4)

式中：Z=σZ+σZt，則dz=σZdt，當Z=0時，t=-σZ/σZ；β=μZ/σZ，稱為結構可靠指標。因此，只要求得可靠指標，也就獲得了結構的失效概率或可靠度。

1.2 極限狀態方程

裝配式公路鋼橋通行的多是重車荷載或履帶車荷載，故進行可靠度設計時應將恒載和車輛活載作用效應組合作為主要組合，其極限狀態方程為

Z(x)=R-G-Q

(5)

式中：R、G和Q分別為鋼橋構件抗力、恒載效應和重車活載效應。

R、G、Q的均值μR、μG、μQ以及標準差σR、σG、σQ的表達式為

式中：Rn、Gn、Qn分別為鋼橋構件抗力、恒載效應和重車活載效應的規范標準值；kR、kG、kQ分別為鋼橋構件抗力、恒載效應和重車活載效應均值與規范標準值的比值；δR、δQ、δG分別為鋼橋構件抗力、恒載效應和重車活載效應的變異系數。考慮到材料性能不定性、幾何參數不定性和計算模式不定性的影響，裝配式公路鋼橋荷載作用下的抗力統計參數[10-11]，如表1所示。

表1 隨機變量統計參數

裝配式公路鋼橋使用說明規定了選用桁架容許內力作為裝配式公路鋼橋結構應該具備的抗力標準值，對于QSR4裝配式公路鋼橋，容許彎矩[RM]為20 200 kN·m。

1.3 可靠度求解方法

當量正態化的方法(JC法)是當前工程可靠度計算的常用方法，通過變換將非正態隨機變量轉化為正態隨機變量。當量正態化的條件有以下2點。

μx′=x*-Φ-1[Fxi(x*)]σx′

(12)

σx*=φ{Φ-1[Fxi(x*)]}/fxi(x*)

(13)

式中：Fxi(x*)為標準正態分布函數；Φ-1(·)為標準正態分布函數的反函數；φ(·)為標準正態分布的概率密度函數。

當求出非正態隨機變量的平均值和標準差所對應的正態隨機變量的平均值和標準差后，即可計算可靠度指標

(14)

(15)

(16)

公式(14)～(16)構成了一個非線性方程組，經過迭代計算即可得到可靠度指標。

1.4 安全評價流程

裝配式公路鋼橋的安全評價流程如圖1所示。首先確定評價目標，然后建立有限元目標分析模型并求得目標參數，進而利用JC法計算實際可靠度指標，將可靠度指標與安全評價等級體系進行比較，最終得到該橋的安全性評價等級。

圖1 安全性評價流程

2 工程實例

2.1 工程概況

關林子隧道位于留壩縣武關驛鎮武關河村南側約80 m處，G316國道西側。隧道左、右線分離設計，下穿于G316國道K2231+080 m附近，洞頂最小埋深分別為3.486 m、5.50 m。為保證隧道施工期間不中斷G316交通，超載重車行駛不干擾隧道的正常施工，隧道施工期間在G316國道開挖洞室且上方設置簡支鋼便橋，以避免車輛荷載對隧道結構造成不利影響。鋼便橋總長度為42.672 m，是單跨簡支梁橋，行車道寬4.2 m，采用四排單層加強結構形式，為下承重受力設計，下弦桿上橫向安裝I40橫梁，橫梁上鋪設150 mm厚鋼板橋面，橋面上焊制Φ12 mm短鋼筋作為防滑設施。鋼便橋立面和橫斷面如圖2、3所示。

2.2 荷載效應計算

考慮G316國道載重貨車較多，所以使用6軸80 t貨車和公路I級荷載分別作為計算荷載。貨車荷載立面如圖3所示。

圖4 車輛荷載標準

應用Midas Civil軟件建立全橋模型，結合實際按2種工況計算。工況Ⅰ：結構自重、公路一級荷載；工況Ⅱ：結構自重、載重80 t貨車。

從模型計算結果中提取不同工況下的結構內力，具體數值如表2所示。

2.3 安全性評估

根據公式(5)建立極限狀態方程，采用Matlab軟件編程計算2種工況下鋼橋的可靠度指標，結果如表3所示。

表2 各種工況下荷載效應 kN·m

表3 各種工況下可靠度指標

公路工程結構設計可靠度統一標準給出的目標可靠度指標如表4所示。

表4 規范規定的可靠度指標

通過表3、4對比可知，當構件為延性破壞時，工況Ⅰ和工況Ⅱ的可靠度指標均大于目標值4.2，滿足規范要求；當構件為脆性破壞時，由于計算過程中采用的公路Ⅰ級荷載是新規范提升后的荷載標準值，工況Ⅰ的可靠度指標略小于目標值4.7，接近規范要求，工況Ⅱ的可靠度指標大于4.7，滿足規范要求。將鋼橋安全狀況劃分為5個等級，具體如表5所示。

表5 公路鋼橋可靠指標評估界限值

以表5作為安全性評估標準，將表3計算結果與表5評估等級進行對比后發現，工況Ⅰ可靠度指標為4.58，大于目標可靠度指標4.2；工況Ⅱ可靠度指標為4.90，也大于目標可靠度指標4.2；對應的評定狀況等級為一類，橋梁狀況屬于優等，所以本項目工程設計安全。

3 結 語

目前裝配式公路鋼橋的安全性評價主要采用以專家打分為基礎的層次分析法，評價結果依靠專家的工程經驗，當適用于具體的橋梁安全管理決策時，缺乏精細度。本文提出200型裝配式公路鋼橋安全評價方法，以概率論為基礎，兼顧實體工程結構設計的全過程，評價結果具有較高的可信度，并在實際工程中進行驗證，得到如下結論。

(1)建立的裝配式公路鋼橋安全性評價方法，融合可靠度計算和裝配式鋼橋結構設計全過程，評價結果更可靠，可為橋梁安全管理提供技術參考。

(2)建立的裝配式公路鋼橋安全性評價方法計算簡便快捷，便于工程實際操作，是對現有裝配式鋼橋安全性評價方法的有益補充。

(3)由于現行《公路工程結構可靠度設計統一標準》(GB/T 50283—1999)中沒有明確給出裝配式公路鋼橋的安全可靠指標，本文建立的橋梁安全性評價等級不具有通用性，還需要進一步完善。

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[責任編輯:高 甜]

Safety Evaluation and Engineering Application of 200 Type Assembled Highway Steel Bridge

SHE Xiao-ming1, ZOU Shun1,2,3, WANG Fu1,2,3, PENG Ze-you1,2,3
(1. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 2. CCCC Civil Engineering Science & Technology Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 3. State Key Laboratory of Road Engineering Safety and Health in Cold and High-altitude Regions, Xi’an 710075, Shaanxi, China)

In order to evaluate the safety of assembled highway steel bridge, the structural reliability theory and bridge safety rating were applied to study the 200 type assembled highway steel bridge. With the help of finite element software Matlab and Midas, the limit state equation based on structural reliability was established to solve the reliability index; a safety evaluation method was developed and verified in practical applications. The method can reasonably evaluate the safety performance of the assembled steel bridge, which can be used for reference.

bridge engineering; safety evaluation; assembled highway steel bridge; flexural strength

1000-033X(2017)06-0109-04

2017-01-07

國家重點研發計劃重點專項課題(2016YFC0802207)

折孝明(1985-)，男，陜西西安人，工程師，研究方向為橋梁結構設計和橋梁風險評估。

U448.36

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