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(jīng)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(yōu)化設計要點，希望能夠為相關企業(yè)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(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(xù)出現(xiàn)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(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(tǒng)方法主要以專家經(jīng)驗或是外觀調查為基礎開展，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，影響因素較為復雜并且數(shù)量較多，所以評估工作和相關人員的工程經(jīng)驗存在密切關聯(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(tǒng)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(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(shù)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(guī)定時間要求內完成設計功能建設。對于規(guī)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(guī)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(fā)生突發(fā)事件，應該保證整體的穩(wěn)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(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，科學選擇橋型與施工工法。“規(guī)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(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，結構穩(wěn)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(wěn)定性，保證結構不會發(fā)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(huán)節(jié)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(wěn)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(jīng)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(jīng)濟性增加，后期問題以及投資風險降低[3]。

現(xiàn)階段，我國路橋以及結構目標可靠度根據(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(yōu)化設計

4.1 優(yōu)化模型

借助對橋梁不同構件展開優(yōu)化設計，構建以可靠度為基礎的結構優(yōu)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(yōu)可靠度進行有效確定。

第一，設計變量的選擇。為了降低優(yōu)化設計過程中的計算量，可以把設計參數(shù)分為預定參數(shù)與主要參數(shù)兩種類型。主要參數(shù)主要指，在結構設計中影響較為嚴重的參數(shù)，涵蓋約束控制與目標控制兩種參數(shù)。基于主要參數(shù)在優(yōu)化設計中影響比較大的因素考慮，通常把主要參數(shù)選作設計變量。對于預定參數(shù)，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(shù)。開展優(yōu)化設計工作時，并未將預定參數(shù)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(shù)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(shù)關系，展開設計優(yōu)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(shù)關系展開優(yōu)化設計。其中，C代表目標函數(shù)，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(yōu)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(xiàn)最優(yōu)設計。

4.2 選擇計算方法

在可靠度理論下，橋梁優(yōu)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(yōu)化設計計算方法與優(yōu)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(yōu)化方案展開分析與計算，確定最優(yōu)方案指導橋梁結構施工。以可靠度為基礎優(yōu)化設計橋梁結構，需要對相關設計參數(shù)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(yōu)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(yōu)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(jīng)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(shù)中的目標函數(shù)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(jīng)濟指標，需要充分進行造價設計，以實現(xiàn)最低造價，充分提高經(jīng)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(shù)，對橋梁結構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)調發(fā)展，保證設計效果滿足實際要求。

參考文獻

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[2] 王玉昌，陸久飛，劉經(jīng)偉，等.基于可靠度理論的結構安全評估分項系數(shù)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(xiàn)代隧道技術，2015（04）：146-152，167.