橋梁設計的冗余度分析

徐 前

(貴州省公路勘察設計院有限公司，貴州 貴陽 550003)

橋梁設計的冗余度分析

徐 前

(貴州省公路勘察設計院有限公司，貴州 貴陽 550003)

針對橋梁結構體系冗余度設計，結合工程實例，在介紹冗余度設計基本定義的基礎上，提出會對冗余度造成實際影響的設計參數，并提出冗余度優化設計方法，最后通過深入分析得出良好的冗余度設計對于保證橋梁結構在產生局部破壞后仍能保持相對穩定性有決定性作用，是保證橋梁整體安全性關鍵環節的結論，為確保橋梁設計合理性奠定良好基礎。

橋梁設計；冗余度設計；安全性

1 橋梁設計標準

(1)汽車荷載等級：新建橋梁采用公路—I級。

(2)橋面寬度：δm(人行道或防撞護欄)+(W+Δ)m(橋面寬度)+δm(人行道或防撞護欄)，全寬8 m+Δ+2δm；

其中δ為人行道或防撞護欄寬度，根據橋位所處位置確定設置人行道或護欄，設置人行道的橋梁根據人流量確定人行道寬度；W為對應路基寬度處橋面行車道寬度值，Δ為路線加寬值；

(3)橋面寬度參照《公路橋涵設計通用規范(JTG D60-2004)》。

(4)設計洪水頻率：大橋、中橋為1/100，小橋、涵洞1/50。

(5)地震：按照《公路橋梁抗震設計細則》JTG/T B02-01-2008要求，本設計路段大橋抗震設防類別為B類，設防等級為7級，小橋為C類，抗震設防等級為6級，地震動峰值加速度小于0.05 g。

(6)結構型式：全線在橋梁結構型式選擇中，主要采用了預應力混凝土T梁，涵洞結構型式統一選用鋼筋混凝土蓋板涵。

2 橋梁設計冗余度

2.1 冗余度基本概念

部分橋梁在產生橋墩破壞等現象以后仍可保持相對穩定，但有些橋梁在結構失穩以后會直接塌裂，造成這種現象的原因可謂是眾說紛紜，雖然很多學者表明具體形成原因具有一定多樣性，但從本質上講冗余度起到了關鍵性作用。對于橋梁設計過程中的結構體系冗余度，在實際的結構設計中，一般會將冗余度設計視作超靜定次數，這是因為當時的計算機技術還未得到廣泛的普及，為對靜力平衡方程進行求解，通常會時自由度和方程的數量完全相同，但在實際情況中，經常會出現支座約束反力對應的未知個數遠遠超出方程數量的現象，也就是結構約束比自由度多，即為超靜定結構。對結構進行設計時，通常將這種結構中的多余約束當做體系的冗余度。正是因為有這些約束作用的影響，可使結構在連接作用失去效果以后，仍能在一定時間段之內保持穩定性。簡單來說，橋梁結構體系的冗余度是以強度儲備形式存在的，使結構能在產生局部破壞后仍可繼續承受一定荷載，在短時內確保結構整體性。

2.2 結構體系冗余度

橋梁結構通常作為整套體系參與研究過程，將功能各異的組件通過連接組成受力系統，確保系統具備良好承載力，冗余度在這種體系中有著十分重大的現實意義。針對不存在冗余度的橋梁結構體系，其安全系統大多很低，如果產生構件破壞與連接破壞，將會造成整體性失穩。而針對有一定冗余度的體系而言，其單個構件在遭到破壞以后并不會造成整體失穩。在對橋梁實施設計的過程中，為確保結構體系穩定性，通常都會設置冗余度，以此使體系具備多重的傳力方式。對于結構體系而言，其承載力儲備率受限于體系自身荷載二次分配性能。

2.3 冗余度系數

在橋梁工程的現行設計規范當中，通常使用代表結構自身冗余度系數。在具體設計時，通常會將ηR結構分成兩大單元，再充分結合可靠性指標，完成設計冗余度定量研究，進而得出儲備率，此外，通過計算還能得出ηR對應的參考取值，以此為冗余度設計提供可靠依據，相關承載力計算公式如下

η∑γiQi≤φRn

(1)

本工程的冗余度系數和主梁總數與間距保持的關系如圖1所示。

圖1 冗余度系數和主梁總數與間距保持的關系

從圖1中可看出，若主梁間距保持固定，則結構體系的冗余度系數和主梁總數呈正比關系，但在主梁總數超過6以后，冗余度系數所受影響將大幅減小。另外，若主梁總數保持固定，則結構體系冗余度和主梁間距呈反比關系。

3 設計參數對冗余度造成的實際影響

3.1 跨長參數

實踐表明，跨長并非冗余度決定性參數，若存在足夠的外部橫向連接，則能使不同橋梁達到完全一致的冗余度。換言之，跨長對于冗余度造成的實際影響相對較小。

3.2 曲線半徑

曲線半徑主要分為三種，即100 m、200 m與300 m，這三種不同的曲線半徑對冗余度造成的實際影響不同。以典型的雙箱梁結構為例，對于45.7 m跨長的梁結構，其曲線半徑和冗余度保持負比例關系；對于68.6 m跨長的梁結構，其冗余度隨半徑增大而增加。

3.3 外部橫向連接

(1)連接種類

對于橋梁結構安全性與穩定性而言，外部橫向連接十分重要，起到橫向傳力的作用。設計過程中，外部橫向連接設計需要適應全屈服狀態下的荷載要求。不同類型的連接能有效提升結構體系冗余度，且存在一定相互影響，使系統獲取最佳受力系統，保證結構安全。此外，鑒于橋梁結構穩定性與安全性，外部連接要盡可能的匹配，而且在特定的環境之下，K形連接冗余度不如實心橫隔板。

(2)連接數量

橋梁損壞早期，橋面結構無法及時傳遞荷載，損壞部位荷載依然較大，所以不同的外部橫向連接數量必然會對結構體系冗余度造成影響。設計過程中，隨外部橫向連接數量的增多，冗余度大顯著提高，二者的關系如圖2所示。

圖2 橫向連接數量和冗余度之間的關系

4 冗余度優化設計策略

針對冗余度設計而言，在實際情況中必須嚴格遵循三大基本原則：(1)充分結合地質條件，選擇滿足結構體系冗余度需求的方案；(2)設計工作中，要盡量選用具備較強整體性與連續性的結構模式；(3)對于大跨度橋梁，為適應其發展趨勢，設計時需對重點構件設立專門傳力方式，以確保結構穩定性。需進行明確的是，冗余度設計本身是存在一定局限性的，只能在橋梁結構產生破壞以后用來確保結構保持發揮功能的能力，不能與可靠度標準混淆。在橋梁結構中，構件、外部邊界對應的冗余度，以及承載途徑冗余度相互并存，一同賦存在體系當中。基于此，在設計規范當中，依據橋梁自身功能，制定特殊事件下的冗余度需求。工程設計中，對于復雜的地質條件，針對不同的區段需要編制對應冗余度設計。另外，在國內的橋梁設計過程中，時常會出現大跨徑橋連接管，這也是日后橋梁工程主要發展趨勢，這就要求設計者使用三維有限元技術對結構的受力狀況進行分析，找出工程設計缺陷，并對結構冗余度設計實施全面優化，以免不必要事故的發生。

5 結束語

伴隨社會對于橋梁設施質量與使用年限要求的提高，加之經濟快速發展局勢下交通的日益繁榮，使得橋梁結構設計穩定性顯得至關重要，設計人員必須對此予以足夠的重視。

[1] 郭冬梅. 沿海在役鋼筋混凝土橋梁性能退化及剩余使用壽命預測[D].浙江大學,2014.

[2] 姜天華,王強,楊壯,黃雯. 在役預應力混凝土橋梁損傷狀態承載力評估[J].鐵道建筑,2016,10(8):31-34.

[3] 楊敏. 基于橋型適應性的公路橋梁橋型選擇研究[D].長安大學,2013.

2016-12-12

徐前(1985-)，男，貴州德江人，工程師，研究方向：公路橋梁。

U442

：C

：1008-3383(2017)07-0121-02