基于可靠度理論的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張賢

摘 要：將可靠度理論用于路橋設(shè)計工作中，能夠保證設(shè)計的可靠性，充分提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性與實用性。對此，文章介紹了結(jié)構(gòu)可靠度定義，闡述了基于可靠度理論的路橋設(shè)計要求，介紹了路橋結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度，提出了可靠度理論下的路橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點，希望能夠為相關(guān)企業(yè)與人員提供參考，以不斷提高我國路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與可靠性。

關(guān)鍵詞：可靠度理論;公路橋梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為橋梁事業(yè)發(fā)展提供了良好的經(jīng)濟(jì)保障。橋梁工程數(shù)量不斷增多，然而我國路橋工程整體技術(shù)還有待提升。在早期橋梁項目中，結(jié)構(gòu)體系是主要問題，而在改革開放后，橋梁耐久性與安全性是主要問題。近年因為交通流量不斷增長，負(fù)載增加使得路橋持續(xù)出現(xiàn)疲勞破損與橋梁損壞問題。而通過交通部門關(guān)于橋梁的調(diào)查數(shù)據(jù)也能夠發(fā)現(xiàn)，我國橋梁基本上處于“危險”或是“帶病”工作狀態(tài)。所以，為了保證路橋工程使用壽命，應(yīng)該全面評估橋梁。

1 結(jié)構(gòu)可靠度定義

開展橋梁評估工作過程中，傳統(tǒng)方法主要以專家經(jīng)驗或是外觀調(diào)查為基礎(chǔ)開展，評估時通常邀請經(jīng)驗豐富的工程師全面評價橋梁狀況，并給出一些整改或是優(yōu)化意見。因為此過程中，影響因素較為復(fù)雜并且數(shù)量較多，所以評估工作和相關(guān)人員的工程經(jīng)驗存在密切關(guān)聯(lián)，最終造成評估環(huán)節(jié)中的不定因素增加。而可靠度理論主要通過可靠指標(biāo)β與失效概率進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全性能衡量與評價，因為采用概率統(tǒng)計，所以該理論能夠?qū)沽εc荷載不定性進(jìn)行充分處理，同時能夠?qū)ο嚓P(guān)不定性在橋梁結(jié)構(gòu)安全性與可靠性方面產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效控制。所以，其能夠為橋梁評估工作提供良好的理論框架[1]。

結(jié)構(gòu)可靠度一般指結(jié)構(gòu)適用性與耐久性，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)可靠度的影響因素即荷載效應(yīng)抗力。開展荷載基準(zhǔn)設(shè)計工作時，其各種效應(yīng)存在差異，在材料性能、幾何采納數(shù)以及計算模式中，抗力存在不確定性。開展設(shè)計工作時，僅可以通過概率對結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行衡量，相關(guān)作用效應(yīng)和抗力屬于相互獨立關(guān)系。可靠度主要指工程能夠在規(guī)定時間要求內(nèi)完成設(shè)計功能建設(shè)。對于規(guī)定時間，主要指開展結(jié)構(gòu)可靠度分析工作時，應(yīng)該按照應(yīng)用的基準(zhǔn)時間。對于規(guī)定條件，主要指開展結(jié)構(gòu)施工活動時，并未對建筑過失影響進(jìn)行充分分析，若是發(fā)生突發(fā)事件，應(yīng)該保證整體的穩(wěn)定性。路橋工程結(jié)構(gòu)通常選擇裝配式橋梁結(jié)構(gòu)，此種橋梁模板具有質(zhì)量可靠、流轉(zhuǎn)度高等特點，主要難點是需要充分掌握地質(zhì)情況與水文情況，應(yīng)該對通航、行洪和其他路線相交情況進(jìn)行充分掌握。同時，還應(yīng)對季節(jié)性施工、深墩大跨項目施工、高邊坡支護(hù)工程以及軟土地基處理等工程加以重視，科學(xué)選擇橋型與施工工法。“規(guī)定時間”主要指橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期，通常在50年左右，隨著時間推移，結(jié)構(gòu)可靠性會相對降低。對于橋位選擇而言，難度較小，市政橋梁除外，其主要問題在于需要與不同部門展開調(diào)解，涉及排污、給水、燃?xì)?、電力、通訊、航運、公路、鐵路等部門，并且橋梁結(jié)構(gòu)還需對燈光應(yīng)急造型等問題加以考慮。同時，對于一些使用新工藝的橋梁，如菜園壩長江大橋中的Y形墩即具有較大施工難度。

2 基于可靠度理論的路橋設(shè)計要求

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)時，應(yīng)對橋梁在基準(zhǔn)期中的自然條件、交通荷載增量以及交通量情況等因素進(jìn)行充分分析，以功能角度分析，需要對以下基本要求進(jìn)行充分滿足：第一，安全性良好。開展施工活動以及投入運營過程中，橋梁會承受大量荷載作用，而在此過程中，可以充分保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，充分符合安全性規(guī)定與要求。第二，符合橋梁日常運營過程中的工作性能，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及車輛通行能力等均需達(dá)到設(shè)計要求，為行車安全提供保障。第三，耐久性良好。選擇橋梁原料過程中，應(yīng)盡量采購抗老化性能良好的材料，同時積極提高相應(yīng)的疲勞壽命。第四，基于外力碰撞以及其他偶然事件條件下，可以充分確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)不會發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷。第五，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，應(yīng)在確保結(jié)構(gòu)合理性的基礎(chǔ)上，盡可能減少工程造價。

基于當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，其耐久性、適應(yīng)性與安全性是結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工以及運營等環(huán)節(jié)的重要問題。

2.2 可靠度理論下路橋設(shè)計要求

基于可靠度理論，路橋工程重點需要解決的問題，主要是在已知結(jié)構(gòu)抗力值R以及載荷效應(yīng)值S的基礎(chǔ)上，科學(xué)選擇橋梁界面，確?？煽慷纫蟮玫匠浞譂M足。路橋結(jié)構(gòu)可靠度整體要求是保證抗力值R始終比荷載效應(yīng)值大，在設(shè)計時一般寫作RS。因為受到自然條件以及車輛荷載等因素影響，荷載效應(yīng)值和抗力值在設(shè)計基準(zhǔn)期中始終處于變化過程中，所以要想保證結(jié)構(gòu)設(shè)計要求得到充分滿足，應(yīng)該增設(shè)附加條件。開展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時概率可靠度用Pr表示，失效概率用Pj表示，公式如下所示：Pr=P{RS}。上述公式主要是在橋梁設(shè)計中，結(jié)構(gòu)抗力值始終高于載荷效應(yīng)值條件下保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。開展結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，應(yīng)科學(xué)制定失效標(biāo)準(zhǔn)，合理構(gòu)建失效模型，對可靠性指標(biāo)進(jìn)行合理明確，合理設(shè)計表達(dá)方程式[2]。

3 路橋結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度

目標(biāo)可靠度主要指結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全水平指標(biāo)，可以對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性進(jìn)行度量。目標(biāo)可靠度和失效概率屬于相對應(yīng)關(guān)系，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計合理性充分反映出來。目標(biāo)可靠指標(biāo)情況在結(jié)構(gòu)設(shè)計中屬于首要考慮事項。在指標(biāo)比較小，就是失效概率比較大的情況下，結(jié)構(gòu)可靠度減小，經(jīng)濟(jì)性降低，維護(hù)成本提高，無法有效控制投資風(fēng)險。反之，結(jié)構(gòu)可靠度增加，維護(hù)成本降低、經(jīng)濟(jì)性增加，后期問題以及投資風(fēng)險降低[3]。

現(xiàn)階段，我國路橋以及結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度根據(jù)組合方式，主要涵蓋附加組合與主要組合兩種方式：

第一，主要組合。脆性破壞構(gòu)件βT=5.2;延性破壞構(gòu)件βT=4.7。第二，附加組合。脆性破壞構(gòu)件βT=4.7;延性破壞構(gòu)件βT=4.2。

以上可靠度取值，均是不同類型構(gòu)件可靠度下限值，而二級橋梁構(gòu)件與三級橋梁構(gòu)件目標(biāo)可靠度值，均是以此為基礎(chǔ)遞減0.5。

4 可靠度理論下的路橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 優(yōu)化模型

借助對橋梁不同構(gòu)件展開優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建以可靠度為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，借助對分析計算獲得不同構(gòu)件造價最小值，進(jìn)而對構(gòu)件最優(yōu)可靠度進(jìn)行有效確定。

第一，設(shè)計變量的選擇。為了降低優(yōu)化設(shè)計過程中的計算量，可以把設(shè)計參數(shù)分為預(yù)定參數(shù)與主要參數(shù)兩種類型。主要參數(shù)主要指，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中影響較為嚴(yán)重的參數(shù)，涵蓋約束控制與目標(biāo)控制兩種參數(shù)?；谥饕獏?shù)在優(yōu)化設(shè)計中影響比較大的因素考慮，通常把主要參數(shù)選作設(shè)計變量。對于預(yù)定參數(shù)，是指結(jié)構(gòu)設(shè)計中變化范圍小、影響情況小，或是僅需對橋梁結(jié)構(gòu)展開局部設(shè)計即能夠滿足設(shè)計要求的參數(shù)。開展優(yōu)化設(shè)計工作時，并未將預(yù)定參數(shù)選做設(shè)計變量，目的是降低設(shè)計工作量與計算量。

第二，目標(biāo)函數(shù)的確定。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，橋梁造價總和與失效概率之間構(gòu)建函數(shù)關(guān)系，展開設(shè)計優(yōu)化。應(yīng)對橋梁的失效概率進(jìn)行假設(shè)，為了保證總成本C達(dá)到最低值，可以構(gòu)建minC=C1+C2Pf函數(shù)關(guān)系展開優(yōu)化設(shè)計。其中，C代表目標(biāo)函數(shù)，Pf代表失效概率，C1代表結(jié)構(gòu)造價，C2代表損失期望。

第三，約束條件的確定。為了保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成果可以在橋梁施工活動中得到充分應(yīng)用，應(yīng)對目標(biāo)約束條件和實際約束條件展開比較，基于滿足設(shè)計要求情況下才能夠應(yīng)用，進(jìn)而保證橋梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。

4.2 選擇計算方法

在可靠度理論下，橋梁優(yōu)化設(shè)計具有約束多、變量多以及計算復(fù)雜等特點。因為計算過程非常復(fù)雜，路橋設(shè)計一般選擇Powell法、復(fù)合形法以及拉氏乘子法等形式展開設(shè)計計算工作。

4.3 程序設(shè)計

程序設(shè)計，主要是按橋梁結(jié)構(gòu)可靠度中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算方法與優(yōu)化模型，進(jìn)行符合模型功能、運算準(zhǔn)確性與要求的程序設(shè)計[4]。

4.4 分析結(jié)果

借助對不同優(yōu)化方案展開分析與計算，確定最優(yōu)方案指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)施工。以可靠度為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)，需要對相關(guān)設(shè)計參數(shù)的具體影響進(jìn)行充分分析，同時還需要對施工質(zhì)量與建材質(zhì)量的不確定性進(jìn)行充分分析，促使最終設(shè)計方案具有良好的可靠性與安全性。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計工作時，應(yīng)對后期維護(hù)、橋梁使用成本以及C2進(jìn)行充分考慮，進(jìn)而保證造價設(shè)計方案達(dá)到最優(yōu)效果，不僅能夠保證結(jié)構(gòu)安全性、美觀性等得到充分滿足，同時能夠充分提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

總之，以可靠度理論為基礎(chǔ)開展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，應(yīng)對設(shè)計參數(shù)中的目標(biāo)函數(shù)不定性、隨機(jī)性、模糊性與建材質(zhì)量未知性等進(jìn)行充分考慮。要求設(shè)計人員開展設(shè)計活動時，通過目標(biāo)可靠度以及結(jié)構(gòu)失效率對橋梁安全可靠度進(jìn)行充分描述。同時，對于各種功能失效概率、維護(hù)成本以及結(jié)構(gòu)運行等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要充分進(jìn)行造價設(shè)計，以實現(xiàn)最低造價，充分提高經(jīng)濟(jì)效益，保證橋梁設(shè)計工作的個性化需求得到充分滿足。開展設(shè)計工作時，應(yīng)將結(jié)構(gòu)可靠度選做重要控制參數(shù)，對橋梁結(jié)構(gòu)隨機(jī)性問題進(jìn)行合理解決，促使路橋工程經(jīng)濟(jì)性和安全性能夠得到協(xié)調(diào)發(fā)展，保證設(shè)計效果滿足實際要求。

參考文獻(xiàn)

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