橋梁設(shè)計的冗余度

賀玉娥

(貴州省銅仁公路勘察設(shè)計院，貴州 銅仁 554300)

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橋梁設(shè)計的冗余度

賀玉娥

(貴州省銅仁公路勘察設(shè)計院，貴州 銅仁 554300)

針對目前橋梁設(shè)計冗余度過程中存在的問題，文章通過分析冗余度的基本內(nèi)容、參數(shù)影響，提出了設(shè)計冗余度的原則方法。結(jié)果表明，要想提高橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全穩(wěn)定性，可通過控制影響其功能作用的參數(shù)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。

橋梁設(shè)計；冗余度；外部橫向連接類型；橋梁跨長

1 橋梁工程設(shè)計的冗余度概述

冗余度是決定橋梁工程建設(shè)設(shè)計穩(wěn)定性的關(guān)鍵。具體來說，冗余度是指儲備橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及承載力的重要依據(jù)。當(dāng)橋梁工程的局部結(jié)構(gòu)因外力受到了破壞，雖存在一定危險，但只要破壞的范圍處在冗余度的范圍內(nèi)，則仍能保證工程整體的受荷載能力。換句話說，橋梁設(shè)計的冗余度就是將系統(tǒng)行為關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個橋梁系統(tǒng)的荷載能力有效性。然而，在實(shí)際設(shè)計過程中，橋梁冗余度容易與超靜定次數(shù)進(jìn)行混合使用，這是由于設(shè)計未在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)普及的問題。橋梁設(shè)計冗余度的系統(tǒng)系數(shù)是作用于構(gòu)件承載力前的乘數(shù)，其與整個橋梁工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的荷載能力相關(guān)聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)整個橋梁計算系統(tǒng)的靜力平衡，相關(guān)設(shè)計人員要把其與自由度數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一。對于形式不同的橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計，研究人員要通過有限元程序來進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證其適用性。由于系統(tǒng)系數(shù)是作用于整個冗余度設(shè)計體系中，因而相關(guān)設(shè)計人員要通過完善兩方面內(nèi)容來提升其作用價值，分別是，冗余度的計算方法及其作用于連續(xù)梁的上部結(jié)構(gòu)。而在將該計算方法應(yīng)用于連續(xù)梁的上部結(jié)構(gòu)中時，主要是進(jìn)行工字型和箱型截面的后張混凝土以及鋼的設(shè)計。這樣一來，橋梁工程的各個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)就能形成一個作用整體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)每個部件的功能發(fā)揮。

2 影響橋梁設(shè)計冗余度的參數(shù)內(nèi)容

2.1 外部橫向連接類型參數(shù)

由于橋梁的外部橫向連接或橫隔板是永久性的，這就使其成為直接決定著作用結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。具體來說，不同的外部橫向連接方式，均能夠保證橋梁系統(tǒng)的橫向傳遞能力。在實(shí)際的設(shè)計過程中，不同類型的外部橫向連接或橫隔板可以起到對冗余度提升的作用，他們之間也會相互影響，使得橋梁系統(tǒng)獲得最優(yōu)化的受力系統(tǒng)，從而保證橋梁的安全性和穩(wěn)固性。值得注意的是，外部橫向連接和實(shí)心橫隔板的連接設(shè)計必須適宜連接構(gòu)件全屈服時的荷載狀態(tài)。這樣一來，橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計就具備了可靠的受力系統(tǒng)。此外，對于K形外部橫向連接來說，在某些特殊條件下，實(shí)心橫隔板要比其對冗余度的提升效果更好。

2.2 橋梁跨長參數(shù)

據(jù)大量研究表明，對于橋梁冗余度的設(shè)計，要想使不同跨長的橋梁達(dá)到相同的R值(冗余度系數(shù))，就要適當(dāng)?shù)脑黾訕蛄旱耐獠繖M向連接。但實(shí)質(zhì)上，橋梁跨長并不是影響橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計的決定性因素。因而，相關(guān)設(shè)計人員無須對其進(jìn)行過多的考慮。

2.3 外部橫向連接數(shù)量參數(shù)

從理論層面上，橋梁結(jié)構(gòu)在受到損壞的最初階段，混凝土橋面位置受到的荷載損壞，很難從梁結(jié)構(gòu)損壞的區(qū)域傳遞到橋梁橫向連接的位置上。因而，外部橫向連接的數(shù)量參數(shù)將對橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計有效性造成很大的影響。以某雙箱結(jié)合梁橋工程為例，當(dāng)橋梁每一跨的外部橫向連接數(shù)量越多，其相應(yīng)的冗余度就越高。

3 優(yōu)化橋梁設(shè)計冗余度的原則方法

3.1 優(yōu)化橋梁冗余度設(shè)計原則

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)冗余度的優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)遵循三方面的設(shè)計原則。首先，冗余度設(shè)計必須要在充分考慮工程建設(shè)所處地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，這是制定出滿足工程結(jié)構(gòu)對冗余度設(shè)計需求的原則內(nèi)容。其次，在橋梁設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)盡可能的采用連續(xù)性整體性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系和建設(shè)模式。最后，對于特大跨度的橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計，設(shè)計人員要在關(guān)鍵構(gòu)件上設(shè)置滿足傳力需求的途徑，這是提高整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3.2 優(yōu)化橋梁冗余度的設(shè)計方法

優(yōu)化橋梁的冗余度設(shè)計實(shí)現(xiàn)方法，關(guān)鍵在于當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損后，承載力能否對其進(jìn)行分配補(bǔ)償，以保證結(jié)構(gòu)功能的持續(xù)履行。首先，橋梁冗余度設(shè)計要通過使構(gòu)件發(fā)揮出安全的結(jié)構(gòu)作用；其次，控制好構(gòu)件的荷載系數(shù)；最后，對于設(shè)計好的橋梁冗余度，要通過相應(yīng)的檢驗(yàn)，來明確結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞情況、極限荷載能力以及橋梁受損的極限狀態(tài)等。

由于冗余度是橋梁結(jié)構(gòu)體系在特定危機(jī)事件中的強(qiáng)度儲備，或是意外發(fā)生時保證結(jié)構(gòu)持續(xù)履行功能的能力。因此，冗余度的優(yōu)化設(shè)計可借用橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的參數(shù)和指標(biāo)來進(jìn)行描述。在結(jié)構(gòu)體系中，構(gòu)件自身的冗余度、與外部邊界條件相關(guān)的冗余度以及承載途徑的冗余度常處在共同存在或是相互依托的情況下。因此，僅僅在極限狀態(tài)驗(yàn)算式中反映冗余度設(shè)計效果是不全面的。

3.3 注意事項(xiàng)

橋梁工程結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計，是保證當(dāng)橋梁受到不可抗力的破壞時，仍具備持續(xù)履行功能的能力。因而，其并不能作為橋梁進(jìn)行可靠度設(shè)計的指標(biāo)。所以，設(shè)計人員應(yīng)明確，在橋梁結(jié)構(gòu)體系中，持續(xù)具備履行功能的能力，是在構(gòu)件自身冗余度以及相關(guān)的外部結(jié)構(gòu)冗余度相互依存的前提下實(shí)現(xiàn)的?；诖耍嚓P(guān)設(shè)計人員在實(shí)際設(shè)計時，要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)對冗余度設(shè)計功能的需求，來制定出具有針對性的冗余度設(shè)計要求。此外，設(shè)計人員還應(yīng)充分考慮冗余度設(shè)計工程所處的地質(zhì)情況以及路段建設(shè)情況。對于大跨度橋梁工程結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計，可采用三維有限元科學(xué)技術(shù)來分析結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力情況，進(jìn)而找出設(shè)計中存在的缺陷。這樣一來，設(shè)計人員就能在問題的基礎(chǔ)上，不斷提高冗余度的設(shè)計有效性，從而避免橋梁工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不必要的安全威脅。

檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計效果，要從構(gòu)件的破壞程度、橋梁極限的荷載能力以及橋梁受損的極限狀態(tài)來進(jìn)行分析，這是確保橋梁構(gòu)件體系處在安全使用狀態(tài)的關(guān)鍵。對于典型橋梁或是普通橋梁，設(shè)計人員要采用具有針對性的檢驗(yàn)方式。具體來說，橋梁的冗余度是與橋梁本身的幾何及橋梁部件相關(guān)聯(lián)，因而，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)這一內(nèi)容去分析確定檢驗(yàn)完好的橋梁及受損橋梁的狀態(tài)以及在橋梁滿荷載狀態(tài)下的情況。在進(jìn)行檢驗(yàn)分析時，要從兩方面內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，分別是：利用非線性的結(jié)構(gòu)分析軟件來具體分析情況；冗余度系數(shù)表根據(jù)典型的橋梁系統(tǒng)來修正得到的構(gòu)件強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展對橋梁使用年限和質(zhì)量的要求，這在一定程度上增加結(jié)構(gòu)冗余度的設(shè)計難度。針對這一問題，文章通過對影響其作用效果的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，其目的是為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。事實(shí)證明，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)所處的地質(zhì)條件以及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，采取具有適用性的冗余度設(shè)計方法，這就確保了橋梁工程建設(shè)使用的耐久性。因而，相關(guān)建設(shè)者應(yīng)將其作為重要的研究課題，以不斷提高橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計的科學(xué)技術(shù)水平。

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[2] 童志華,夏飛.對橋梁設(shè)計冗余度的研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2014,(6):260-261.

[3] 吳志芳.冗余度理念在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].交通世界(運(yùn)輸.車輛),2015,(10):90-91.

2016-07-29

賀玉娥，女，湖北天門人，工程師，研究方向：公路與橋梁。

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1008-3383(2016)11-0101-02