基于可靠度理論的公路橋梁結構設計研究

張賢

摘 要：將可靠度理論用于路橋設計工作中，能夠保證設計的可靠性，充分提高橋梁結構的安全性、經濟性與實用性。對此，文章介紹了結構可靠度定義，闡述了基于可靠度理論的路橋設計要求，介紹了路橋結構的目標可靠度，提出了可靠度理論下的路橋結構優化設計要點，希望能夠為相關企業與人員提供參考，以不斷提高我國路橋結構設計的合理性與可靠性。

關鍵詞：可靠度理論;公路橋梁;結構設計

當前，我國經濟快速發展，為橋梁事業發展提供了良好的經濟保障。橋梁工程數量不斷增多，然而我國路橋工程整體技術還有待提升。在早期橋梁項目中，結構體系是主要問題，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，負載增加使得路橋持續出現疲勞破損與橋梁損壞問題。而通過交通部門關于橋梁的調查數據也能夠發現，我國橋梁基本上處于“危險”或是“帶病”工作狀態。所以，為了保證路橋工程使用壽命，應該全面評估橋梁。

1 結構可靠度定義

開展橋梁評估工作過程中，傳統方法主要以專家經驗或是外觀調查為基礎開展，評估時通常邀請經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化意見。因為此過程中，影響因素較為復雜并且數量較多，所以評估工作和相關人員的工程經驗存在密切關聯，最終造成評估環節中的不定因素增加。而可靠度理論主要通過可靠指標β與失效概率進行橋梁結構安全性能衡量與評價，因為采用概率統計，所以該理論能夠對抗力與荷載不定性進行充分處理，同時能夠對相關不定性在橋梁結構安全性與可靠性方面產生的影響進行有效控制。所以，其能夠為橋梁評估工作提供良好的理論框架[1]。

結構可靠度一般指結構適用性與耐久性，嚴重影響結構可靠度的影響因素即荷載效應抗力。開展荷載基準設計工作時，其各種效應存在差異，在材料性能、幾何采納數以及計算模式中，抗力存在不確定性。開展設計工作時，僅可以通過概率對結構可靠性進行衡量，相關作用效應和抗力屬于相互獨立關系。可靠度主要指工程能夠在規定時間要求內完成設計功能建設。對于規定時間，主要指開展結構可靠度分析工作時，應該按照應用的基準時間。對于規定條件，主要指開展結構施工活動時，并未對建筑過失影響進行充分分析，若是發生突發事件，應該保證整體的穩定性。路橋工程結構通常選擇裝配式橋梁結構，此種橋梁模板具有質量可靠、流轉度高等特點，主要難點是需要充分掌握地質情況與水文情況，應該對通航、行洪和其他路線相交情況進行充分掌握。同時，還應對季節性施工、深墩大跨項目施工、高邊坡支護工程以及軟土地基處理等工程加以重視，科學選擇橋型與施工工法。“規定時間”主要指橋梁結構的設計基準期，通常在50年左右，隨著時間推移，結構可靠性會相對降低。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解，涉及排污、給水、燃氣、電力、通訊、航運、公路、鐵路等部門，并且橋梁結構還需對燈光應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計要求

2.1 橋梁結構設計的基本要求

設計橋梁結構時，應對橋梁在基準期中的自然條件、交通荷載增量以及交通量情況等因素進行充分分析，以功能角度分析，需要對以下基本要求進行充分滿足：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構的整體穩定性，充分符合安全性規定與要求。第二，符合橋梁日常運營過程中的工作性能，結構穩定性以及車輛通行能力等均需達到設計要求，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，應盡量采購抗老化性能良好的材料，同時積極提高相應的疲勞壽命。第四，基于外力碰撞以及其他偶然事件條件下，可以充分確保結構的穩定性，保證結構不會發生結構性損傷。第五，進行結構設計工作時，應在確保結構合理性的基礎上，盡可能減少工程造價。

基于當前橋梁結構的設計工作，其耐久性、適應性與安全性是結構設計、施工以及運營等環節的重要問題。

2.2 可靠度理論下路橋設計要求

基于可靠度理論，路橋工程重點需要解決的問題，主要是在已知結構抗力值R以及載荷效應值S的基礎上，科學選擇橋梁界面，確保可靠度要求得到充分滿足。路橋結構可靠度整體要求是保證抗力值R始終比荷載效應值大，在設計時一般寫作RS。因為受到自然條件以及車輛荷載等因素影響，荷載效應值和抗力值在設計基準期中始終處于變化過程中，所以要想保證結構設計要求得到充分滿足，應該增設附加條件。開展橋梁結構設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計中，結構抗力值始終高于載荷效應值條件下保證結構穩定性。開展結構設計工作時，應科學制定失效標準，合理構建失效模型，對可靠性指標進行合理明確，合理設計表達方程式[2]。

3 路橋結構的目標可靠度

目標可靠度主要指結構設計中的安全水平指標，可以對橋梁結構設計可靠性進行度量。目標可靠度和失效概率屬于相對應關系，能夠將結構設計合理性充分反映出來。目標可靠指標情況在結構設計中屬于首要考慮事項。在指標比較小，就是失效概率比較大的情況下，結構可靠度減小，經濟性降低，維護成本提高，無法有效控制投資風險。反之，結構可靠度增加，維護成本降低、經濟性增加，后期問題以及投資風險降低[3]。

現階段，我國路橋以及結構目標可靠度根據組合方式，主要涵蓋附加組合與主要組合兩種方式：

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

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

4 可靠度理論下的路橋結構優化設計

4.1 優化模型

借助對橋梁不同構件展開優化設計，構建以可靠度為基礎的結構優化模型，借助對分析計算獲得不同構件造價最小值，進而對構件最優可靠度進行有效確定。

第一，設計變量的選擇。為了降低優化設計過程中的計算量，可以把設計參數分為預定參數與主要參數兩種類型。主要參數主要指，在結構設計中影響較為嚴重的參數，涵蓋約束控制與目標控制兩種參數。基于主要參數在優化設計中影響比較大的因素考慮，通常把主要參數選作設計變量。對于預定參數，是指結構設計中變化范圍小、影響情況小，或是僅需對橋梁結構展開局部設計即能夠滿足設計要求的參數。開展優化設計工作時，并未將預定參數選做設計變量，目的是降低設計工作量與計算量。

第二，目標函數的確定。在橋梁結構設計過程中，橋梁造價總和與失效概率之間構建函數關系，展開設計優化。應對橋梁的失效概率進行假設，為了保證總成本C達到最低值，可以構建minC=C1+C2Pf函數關系展開優化設計。其中，C代表目標函數，Pf代表失效概率，C1代表結構造價，C2代表損失期望。

第三，約束條件的確定。為了保證結構優化設計成果可以在橋梁施工活動中得到充分應用，應對目標約束條件和實際約束條件展開比較，基于滿足設計要求情況下才能夠應用，進而保證橋梁結構實現最優設計。

4.2 選擇計算方法

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

4.3 程序設計

程序設計，主要是按橋梁結構可靠度中的結構優化設計計算方法與優化模型，進行符合模型功能、運算準確性與要求的程序設計[4]。

4.4 分析結果

借助對不同優化方案展開分析與計算，確定最優方案指導橋梁結構施工。以可靠度為基礎優化設計橋梁結構，需要對相關設計參數的具體影響進行充分分析，同時還需要對施工質量與建材質量的不確定性進行充分分析，促使最終設計方案具有良好的可靠性與安全性。進行優化設計工作時，應對后期維護、橋梁使用成本以及C2進行充分考慮，進而保證造價設計方案達到最優效果，不僅能夠保證結構安全性、美觀性等得到充分滿足，同時能夠充分提高經濟效益。

5 結語

總之，以可靠度理論為基礎開展橋梁結構設計工作時，應對設計參數中的目標函數不定性、隨機性、模糊性與建材質量未知性等進行充分考慮。要求設計人員開展設計活動時，通過目標可靠度以及結構失效率對橋梁安全可靠度進行充分描述。同時，對于各種功能失效概率、維護成本以及結構運行等經濟指標，需要充分進行造價設計，以實現最低造價，充分提高經濟效益，保證橋梁設計工作的個性化需求得到充分滿足。開展設計工作時，應將結構可靠度選做重要控制參數，對橋梁結構隨機性問題進行合理解決，促使路橋工程經濟性和安全性能夠得到協調發展，保證設計效果滿足實際要求。

參考文獻

[1] 李繼剛.結構可靠度理論在公路橋梁設計中的若干應用研究[J].城市道橋與防洪，2015（09）：202-204，22.

[2] 王玉昌，陸久飛，劉經偉，等.基于可靠度理論的結構安全評估分項系數研究[J].公路交通科技（應用技術版），2016（09）：152-155.

[3] 邱山，王芳，李鷺陽.基于LRFD設計理論的不良地質條件對橋梁結構可靠度的影響研究[J].安徽建筑，2020，237（01）：193-195.

[4] 李昕，李健，范方方，等.基于可靠度理論的水下大直徑盾構隧道襯砌結構服役壽命預測研究[J].現代隧道技術，2015（04）：146-152，167.