橋梁結構承載力的定義、形成和變化分析

段鋼文

(黑龍江省收費公路管理局)

按照國際、國內現(xiàn)行的結構可靠度設計理念，橋梁結構應具備的功能要求有安全性、適用性和耐久性三個方面，其中安全性是與橋梁承載力直接相關的最基本、最重要的功能要求，即要求橋梁及其構件能夠承擔結構在正常施工和正常使用期間出現(xiàn)的各種荷載和作用。然而橋梁結構本身是一個由諸多構件按一定方式連接并受地基基礎等邊界條件約束的復雜體系，這個體系還會隨著時間推移受各種因素影響而發(fā)生變化甚至變異;此外，橋梁承載的對象——荷載和作用，在空間分布和時間歷程上隨機變化，難以描述。因此，橋梁承載力首先應視為橋梁自身抗力與外界荷載和作用效應之間的動態(tài)對比關系，是一個涉及結構體系本身和荷載(作用)兩方面諸多人為和自然因素、時間效應明顯的復雜問題，有待深入研究;其次，橋梁結構體系的整體承載力與其組成構件、地基基礎的承載力的關系如何確定，目前尚難以給出統(tǒng)一、明確的量化模型加以描述。

從目前設計規(guī)范中橋梁承載能力極限狀態(tài)計算所涉及到的結構材料、幾何尺寸、荷載(作用)等參數(shù)(視為隨機變量或隨機過程)的設計取值來看，乃是使用概率統(tǒng)計方法，根據(jù)橋梁規(guī)定的設計基準期和可靠指標，通過對各參數(shù)進行采樣統(tǒng)計分析然后取得足夠保證率的某一分位值用于設計。這一計算過程依據(jù)的是現(xiàn)有各設計參數(shù)的“正?！苯y(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本并排除在將來可能出現(xiàn)的較大偏差和難以預料的變化，是從過去引申、推知將來，對于設計工作而言，這是一條必由之路，因而通過設計計算得到的結構承載力和可靠度只能是理想化的理論值。但是，當橋梁結構服役到一定年限成為舊橋，設計階段難以控制的施工偏差、失誤等已經發(fā)生，未能預料到的結構使用條件(包括荷載條件和使用環(huán)境條件等)變化已經出現(xiàn)并對結構產生影響，結構已經出現(xiàn)病害、損傷等異化、退化現(xiàn)象，這時候再來對舊橋實際性態(tài)和承載使用性能作出評估，就可以更為真切地獲得對應于各種橋梁設計參數(shù)的現(xiàn)實值，這些現(xiàn)實值包含和反應了結構從設計、施工到運營維護各階段受多種因素影響的效果，利用這些現(xiàn)實值對舊橋進行承載力評定，可以獲得較為真實的結果和結論，不僅能對相關部門在管理運營和維護工作中采取合理對策措施提供科學依據(jù)，而且通過結構參數(shù)設計取值與實際值的對照、設計承載力與實際承載力的對照，更為深刻地了解結構參數(shù)和性態(tài)變化和變異規(guī)律，為設計中各參數(shù)的合理取值提供指導。設計、施工和使用階段橋梁承載力的形成和變化如圖1所示。

現(xiàn)實的橋梁結構相對于給定荷載總是可能存在薄弱(抗力不足)的控制部件和部位，而由于控制部件和部位的破壞失效會導致橋梁功能的完全喪失，因而橋梁的整體承載力即取決于這些薄弱環(huán)節(jié)的承載力，表達成式(1)的數(shù)學模型。

式中:Rt為橋梁整體承載力，簡稱橋梁承載力;Rwi(i=1，2，…，n)為第i個薄弱環(huán)節(jié)的承載力。

圖1 設計、施工和使用階段橋梁承載力的形成和變化

由此可見，要獲得舊橋承載力，必須先通過荷載作用下結構力學分析來確定舊梁控制部件和部位，獲得控制部件和部位的效應，然后通過承載力驗算得到對應于這些效應的抗力，接著通過抗力—效應對比找出薄弱環(huán)節(jié)，最后利用最薄弱環(huán)節(jié)的承載力來評定舊梁承載力。所有這些分析和計算的有效性都離不開對舊橋基本參數(shù)的準確獲取，如前所述，這些參數(shù)是由設計參數(shù)受施工和使用維護過程中各種影響因素先后綜合作用后得到的結果，要獲取較為接近真實的參數(shù)值，就需要基于現(xiàn)場檢測對影響這些參數(shù)的各種因素及其影響機理、規(guī)律進行研究和分析，這也是本文研究的主要內容之一。

決定橋梁承載力的參數(shù)主要有:構成材料的物理、力學性能指標;構件幾何尺寸和形式;構件連接方式和結構體系類型;地基基礎條件;荷載形式和作用方式等。這些參數(shù)并不是恒定的，會受施工和使用過程多種因素影響而發(fā)生變化和變異。

［1］ 王有志，徐鴻儒，任鋒.鋼筋混凝土梁式橋的安全性評估系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.公路交通技術，2002，(2).

［2］ 單德山，李喬，徐威.不確定層次分析法在混凝土橋梁性能評價中的應用［J］.重慶交通學院學報，2007，(2):19-22.