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基于可靠度理論的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

2020-09-10 07:22:44張賢
科技尚品 2020年12期
關(guān)鍵詞:公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)濟快速發(fā)展,為橋梁事業(yè)發(fā)展提供了良好的經(jīng)濟保障。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)可靠性進行衡量,相關(guān)作用效應(yīng)和抗力屬于相互獨立關(guān)系??煽慷戎饕腹こ棠軌蛟谝?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?!耙?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、燃氣、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(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)進行合理明確,合理設(shè)計表達方程式[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)濟性降低,維護成本提高,無法有效控制投資風(fēng)險。反之,結(jié)構(gòu)可靠度增加,維護成本降低、經(jīng)濟性增加,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,進而對構(gòu)件最優(yōu)可靠度進行有效確定。

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)。基于主要參數(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行假設(shè),為了保證總成本C達到最低值,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。進行優(yōu)化設(shè)計工作時,應(yīng)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(shè)計方案達到最優(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、隨機性、模糊性與建材質(zhì)量未知性等進行充分考慮。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行充分描述。同時,對于各種功能失效概率、維護成本以及結(jié)構(gòu)運行等經(jīng)濟指標(biāo),需要充分進行造價設(shè)計,以實現(xiàn)最低造價,充分提高經(jīng)濟效益,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)隨機性問題進行合理解決,促使路橋工程經(jīng)濟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

[1] 李繼剛.結(jié)構(gòu)可靠度理論在公路橋梁設(shè)計中的若干應(yīng)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(jīng)偉,等.基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)安全評估分項系數(shù)研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2016(09):152-155.

[3] 邱山,王芳,李鷺陽.基于LRFD設(shè)計理論的不良地質(zhì)條件對橋梁結(jié)構(gòu)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(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015(04):146-152,167.

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