冗余度理念在橋梁結構設計中的應用研究

顏長青 簡佳峰

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

隨著我國進入經濟發(fā)展新常態(tài)，我國基礎設施建設突飛猛進，交通運輸基礎設施網(wǎng)絡建設迎來了高峰，橋梁作為交通線路的重要組成部分，得到了快速的發(fā)展。交通建設是經濟發(fā)展的重要基礎，橋梁建設對創(chuàng)造良好的投資環(huán)境，促進文化交流，減少地域間的差別，促進區(qū)域經濟社會發(fā)展，提高區(qū)域形象起著重要紐帶的作用。因此，人們越來越關注橋梁施工的安全性，耐用性和實用性。

改革開放以來，我國橋梁工程建設發(fā)展迅速，如1997年的888米虎門珠江大橋，2008年的杭州灣跨海大橋，以及55公里的港珠澳大橋等等，都表明中國橋梁工程的發(fā)展水平已進入世界先進水平。

目前，道路和橋梁作為國防建設的重要組成部分越來越被國家重視，橋梁建設伴隨著公路建設的增加而不斷延伸，公路建設的發(fā)展對橋梁的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。但是伴隨大大小小的橋梁垮塌事件，社會對于橋梁工程建設的關注越來越高，因此對橋梁系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進行研究，對現(xiàn)代交通系統(tǒng)的發(fā)展和橋梁質量的提高具有重要意義。

在橋梁設計過程中，為了保證橋梁整體結構的穩(wěn)定性和安全耐久性，冗余度理念在橋梁結構設計中的應用受到越來越多的關注。在橋梁設計過程中，處理好橋梁的冗余度在確保整個橋梁系統(tǒng)的安全性方面起著重要作用。為了更好地分析橋梁結構設計中的安全性和穩(wěn)定性問題，本文將從冗余度理念入手，系統(tǒng)地解釋了冗余度如何影響橋梁結構的安全性和橋梁結構設計中冗余度的實現(xiàn)。

1 橋梁結構設計概述

隨著中國經濟的快速發(fā)展，橋梁建設在近年來進入了新的高潮，橋梁在現(xiàn)在中國交通運輸上發(fā)揮著關鍵作用。在設計橋梁時，有必要對橋梁設計工作進行綜合分析，以克服橋梁的耐久性和疲勞損壞問題，提高橋梁的安全性能和實用性能。因此，在橋梁設計中，應遵循可持續(xù)發(fā)展的適用性，安全性，經濟性，美觀性，技術性原則和可持續(xù)發(fā)展的原則。

適用性原則。適用性原則就是要結合當?shù)氐陌l(fā)展情況，有預見的著重考慮橋梁的經濟服務價值，滿足橋梁建成后當?shù)財?shù)年的社會需要。所以在進行橋梁設計時要根據(jù)規(guī)劃使用時間內的車流量來進行橋梁寬度的設計，要根據(jù)地區(qū)的地形地貌來進行設計，設計應以區(qū)域經濟發(fā)展，區(qū)域資源交換和經濟繁榮為基礎。

安全性原則。安全原則是橋梁結構設計中的重要考慮因素，必須確保橋梁結構及其構件在施工過程中有足夠的強度，在組裝橋結構期間具有足夠的穩(wěn)定性并且在使用期間具有耐久性。

經濟性原則。經濟性原則就是根據(jù)橋梁建設的基本支持條件和實際建設過程中需要具體的花費來進行精確的計算，通過比較各個方案來淘汰超出預算的方案。

技術性原則。技術性原則是指設計方案在原有的技術科技和機械設備可以支持的范圍內，盡量采用最新的技術和理論來提高橋梁的建設效率和質量。在使用最新的技術和理論時，要符合具體的操作規(guī)定，保證新技術和新設備能夠得到合理充分運用。

美觀性原則。在設計橋梁結構時，必須使橋梁美學與工程計劃同步，并有效地將工程與藝術相結合。從環(huán)境統(tǒng)一、色彩合理、風格獨特、比例協(xié)調的角度入手，爭取在保證安全、經濟的前提下做到橋梁造型與周圍的地形地貌及環(huán)境相協(xié)調，帶給人們視覺上的藝術體驗。

可持續(xù)發(fā)展原則。在進行橋梁結構設計時，在保證橋梁結構的安全性和穩(wěn)定性的前提下，要最大限度的實現(xiàn)建筑資源的節(jié)約并減少對環(huán)境負面的影響，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材和環(huán)境保護。為了考慮橋梁施工對環(huán)境的影響，有必要充分考慮基本規(guī)劃，橋梁位置的選擇，橋梁跨度的布置以及橋墩的形狀，實現(xiàn)建筑資源節(jié)約與橋梁建設的可持續(xù)發(fā)展。

2 在橋梁結構設計中應用冗余度理念的意義

毫無疑問，隨著中國經濟的快速發(fā)展，橋梁建設將越來越多，對橋梁建設的要求也將越來越高。在橋梁設計中，設計理念貫穿于橋梁設計的每個關鍵環(huán)節(jié)，這決定了項目的整體設計質量。以下是從冗余度理念出發(fā)，詳細分析冗余度理念在橋梁結構設計中的具體應用。

2.1.冗余度理念的基本概述

冗余度是從英文單詞“redundancy”翻譯而來的，冗余度是從安全角度考慮的多余的一個量。這個量能夠保障結構的部分在遭到一定的破損之后，其整體結構還能夠繼續(xù)承受荷載，冗余度也可以理解為系統(tǒng)結構承載能力的儲備比率。

在工程方面，為了提高系統(tǒng)可靠度，系統(tǒng)關鍵構件的備份被稱為冗余度，冗余度與結構系統(tǒng)密切相關。在橋梁工程中，有兩種常見的結構系統(tǒng)形式，一種是靜定結構，即當結構中的一個部件發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)可能會崩潰；第二種類型是超靜定結構，即使結構中的組件發(fā)生故障，也不會影響整個系統(tǒng)的性能。超靜定結構中的多余的約束稱為冗余度，冗余度使得內力的分布和結構的變形相對均勻，可以確保結構的某些部分被破壞后仍可以在一定的時間內結構維持幾何不變形。

根據(jù)系統(tǒng)中冗余度的不同表達方式，冗余度可分為三類，分別是內部冗余度，結構冗余度和系統(tǒng)冗余度。內部冗余度與單個構件的部分或材料重分布損傷區(qū)域周邊的承載能力有關，因此通過采用損傷容限、剛性材料或者鋼構件連接時采用栓接而非焊接的方式，就可以內部冗余度，焊接構件易將斷裂傳遞給相鄰的板，而栓接構件的非連續(xù)性能有效阻止裂紋的擴展。結構冗余度可以通過多種承載方法獲得，即，當部件失效時，結構可以將內力重新分配到相鄰的跨度。連續(xù)的或者超靜定結構都具備結構冗余度，而簡支結構和連續(xù)結構的端跨不具備結構冗余度。體系冗余度（即，負載路徑的冗余度）指的是結構的負載傳遞路徑和調節(jié)彈力重新分配的內力以應對各個部件的有效性。在橋梁結構中，只要橋面板和隔板具備足夠的內力重分布能力，就可以認為多梁式的橋梁具備系統(tǒng)冗余度。

2.2 在橋梁結構設計中應用冗余度的意義

橋梁的結構系統(tǒng)是通過有效連接不同功能部件而形成的結構系統(tǒng)，這些構建相互作用以承受外部載荷。對于沒有多余約束力的系統(tǒng)，任何一個關鍵組件的故障都將導致整個系統(tǒng)崩潰，但對于有多余約束力（超靜定結構）的系統(tǒng)，兩個或多個構件的故障才會導致系統(tǒng)崩潰。因此，冗余度是橋梁設計的強度儲備。它可以保證橋梁仍能照常運行，穩(wěn)定性和安全性在一定時間內不會發(fā)生太大變化，從而有效避免因特殊事件而導致的橋梁變形甚至倒塌。

在橋結構的設計中，大寫R值通常用于表示結構的冗余度系數(shù)。結合相應的可靠性指標，定量分析橋梁的冗余度值，得到橋梁結構系統(tǒng)承載力的儲備比。然后通過相應的公式計算冗余度系數(shù)，為橋梁冗余度值設計提供參考。

3 在橋梁結構設計中實施冗余度理念策略

在橋梁的實際結構設計中，斷裂控制構件和橋梁設計參數(shù)將對橋梁結構的冗余度設計產生一定的影響。因此，必須要充分考慮裂縫控制構件和橋梁設計參數(shù)對結構冗余度的影響。以下將從斷裂控制構件和橋梁設計參數(shù)兩個方面來進行研究，考察這兩個因素對結構冗余度造成的影響，并討論了冗余度優(yōu)化策略在橋梁結構系統(tǒng)中的應用。

3.1 裂縫控制組件對橋梁冗余度的影響

美國國有公路運輸管理協(xié)會（American State Highway Transportation Management Association，即是AASHTO）將斷裂控制構件（Fracture critical member，即是FCM）定義為“一旦失效就會導致橋梁倒塌或無法履行預期功能的受拉構件”。這些部件可能由于橋的大拉伸而導致結構破裂并最終導致部件的失效。因此，在橋梁冗余度設計中，應注意張力板的構件，以滿足施工的韌性標準。從分析可以看出，橋梁結構的裂縫控制部件是影響橋梁冗余度設計的重要參數(shù)。

3.2 影響橋梁冗余度的參數(shù)分析

在橋梁結構設計中，橋梁跨長，橋梁曲面，橋梁外部連接這些設計參數(shù)對橋梁設計的冗余度都具有一定的影響，以下將具體研究其影響。

3.2.1 跨長對結構冗余度的影響

跨度長度不是橋冗余度的決定性因素，當橋梁存在較多的較多的外部連接時，即使橋梁的跨長有所區(qū)別也可以實現(xiàn)相同的冗余度。

3.2.2 曲面對結構冗余度的影響

橋梁的曲面參數(shù)是橋梁結構設計的關鍵參數(shù)，曲面半徑發(fā)生變化時，冗余度的值也會發(fā)生變化，曲面半徑與冗余度的值是正相關關系，因此，必須在橋梁結構的設計時，著重研究橋梁曲面這一重要參數(shù)。

3.2.3 外部連接對結構冗余度的影響

分析橋梁的外部連接時，可以從兩個方面入手：外部連接類型和外部連接數(shù)量。橋梁的外部連接數(shù)量對橋梁的冗余度系數(shù)有很大影響。冗余度與外部連接類型兩者之間相互影響著，這是因為外部連接類型主要用于確保橋梁系統(tǒng)的橫向傳遞能力，而在橋梁結構的設計中，首先要考慮橋梁承載的最低標準，然后再考慮橋梁外部連接的類型，這表明外部連接的類型對于橋梁結構的穩(wěn)定性和安全性是至關重要的。

3.3 橋梁結構設計冗余度的實施策略

在橋梁結構設計中采用冗余度理念時，應遵循相應的原則，使橋梁結構設計更加合理。

3.3.1 實現(xiàn)橋梁設計冗余度理念的原則

在使用冗余度理念設計橋梁結構時，必須遵循三個原則，結構設計時盡量使用連續(xù)結構，為橋梁提供多重傳力途徑以及具體問題具體分析的原則。

首先是具體問題具體分析原則，橋梁設計要具體問題具體分析，要結合橋梁的特定的使用功能和實際環(huán)境等情況來進行設計，制定出針對特殊事件的冗余度要求，例如根據(jù)道路的部分路段自然災害發(fā)生的概率，比如泥石流，洪水和滑坡等發(fā)生的可能性大小來確定不同路段上橋梁結構體系的冗余度。

然后在結構設計中盡可能使用連續(xù)結構，并為橋梁提供多重傳力途徑的原則。國家公路運輸管理協(xié)會（AASHTO）的設計規(guī)范中，提出了橋梁結構冗余度的原理要求，在設計橋梁時要求最大限度地利用連續(xù)和整體結構模式，以實現(xiàn)冗余度的作用，即當橋系統(tǒng)組件損壞時，系統(tǒng)運行不受局部故障的影響，橋結構系統(tǒng)的功能不受影響。多重傳力途徑原則是為橋梁結構的關鍵部件設置足夠的力傳遞路徑，以確保整個橋梁的穩(wěn)定性。

3.3.2 橋梁設計中冗余度理念的實現(xiàn)

在橋梁結構的設計中，當系統(tǒng)中的一個部件損壞時，冗余度可以將橋梁的整個承載力及時分配給已經施加到橋梁上的荷載，確保一定時間內橋梁結構的功能能夠繼續(xù)實現(xiàn)。因此，分析橋梁結構設計冗余度的主要目的是研究橋梁系統(tǒng)某一構件失效后，橋梁結構機構是否能夠在一定時間內安全地承載交通的荷載能力。

在橋梁的結構設計中通常會有兩個過程，第一是冗余度的計算，第二是將冗余度的計算拓展到橋梁的上部結構當中。在進行橋梁的冗余度計算時，要對橋梁的整體荷載力進行計算，橋梁的整體荷載系數(shù)分析需要從以下幾個方面來進行，第一是具體分析橋梁設計中的關鍵部件是否對橋梁結構的安全性產生重大影響。從而來分析冗余度；二是分析橋梁結構中某個部件的載荷系數(shù)，如果部件的載荷系數(shù)小于1（1是橋梁系統(tǒng)的極限承載力與橋梁關鍵部件的承載能力之比），整個設計的冗余性好，延展性好；反之則不好。在分析橋梁結構的冗余度是否合格時，使用非線性結構分析軟件計算原始完整橋梁系統(tǒng)的總承載能力和受損橋梁系統(tǒng)的總承載能力，以此來驗證強度極限狀態(tài)下的冗余率，工作極限狀態(tài)下的冗余率和橋接損壞時的冗余率是否合格。當橋梁系統(tǒng)構造沒有達到相應的冗余率時，要改變系統(tǒng)的構造，例如從橋梁的結構形態(tài)，特殊的構造細節(jié)，避免采用某些典型的截面等方式來對橋梁系統(tǒng)的荷載效應進行“放大”或“減小”，來保證橋梁系統(tǒng)具有足夠的安全水平。

橋梁的極限承載力，構件的損壞和橋梁受損時的極限狀態(tài)是分析橋梁冗余度和橋梁整個構件系統(tǒng)安全性的重要切入點。因此，在分析橋梁的冗余度時，可以根據(jù)橋梁本身的幾何形狀和與橋組件相關的原理來分析橋梁的冗余度，確保在一定時間內，橋梁的荷載力，橋梁損壞情況以及檢驗橋梁的完好程度，實現(xiàn)橋梁結構冗余度設計深度優(yōu)化，最大限度地減少橋梁安全隱患的發(fā)生，實現(xiàn)橋梁結構設計中的冗余度功能。

但是，應該注意的是，橋梁結構中冗余度的最大影響是確保當橋梁受到外部損壞時，橋的結構功能繼續(xù)運行，但冗余度不是確定橋結構設計可靠性的標準。這是因為在橋梁結構系統(tǒng)中，內部冗余度，系統(tǒng)冗余度和結構冗余度三者共同存在且相互依賴，簡而言之，冗余度理念用于橋梁結構的設計，是為橋梁結構系統(tǒng)保持足夠的安全水平，而不是增加冗余度水平。

4 結語

隨著中國經濟建設的加快，橋梁工程建設取得了創(chuàng)新發(fā)展。橋梁建設體現(xiàn)了經濟建設的繁榮和科技的進步，展現(xiàn)了我國日益增強的綜合國力，因此必須要重視橋梁建設的實用性、穩(wěn)定性和安全性。在橋梁結構設計中，有必要根據(jù)橋梁工程的特點優(yōu)化橋梁結構設計，提高設計方案的可靠性和針對性。在實際設計中，應充分考慮橋梁的冗余度，并且有針對性地進行橋梁結構的冗余度設計，從而使橋梁結構的某個構件損害時能夠不破壞橋梁系統(tǒng)整體性。