基于不同規(guī)范的滿堂支架現澆施工連續(xù)梁橋確定性及可靠性對比分析

沈建康

(江蘇建筑職業(yè)技術學院， 江蘇 徐州　221116)

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基于不同規(guī)范的滿堂支架現澆施工連續(xù)梁橋確定性及可靠性對比分析

沈建康

(江蘇建筑職業(yè)技術學院， 江蘇 徐州221116)

[摘要]針對分別采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTJ 023-85)設計的滿堂支架現澆施工連續(xù)梁橋進行確定性和可靠性對比分析，通過有限元程序對成橋階段選取的典型截面可靠指標進行計算。結果表明，確定性分析和可靠性分析結果有不同的規(guī)律，不能單從確定性分析結果的大小來判斷結構安全儲備，需將確定性分析與可靠性分析相結合，才能對結構有合理準確的判斷與評價。

[關鍵詞]連續(xù)梁橋； 滿堂支架現澆施工； 規(guī)范； 確定性； 可靠性； 可靠指標

0前言

滿堂支架現場澆筑(也稱支架整體現澆)連續(xù)梁橋具有悠久的歷史，可以說是最原始、最基本的施工方法，主要特點是橋梁的整體性好，施工方法簡便易行，施工質量可靠，平面及豎曲線線形容易控制，對機具和起重能力要求不高。隨著鋼支架的采用及支架構件的標準化和裝配化，整體式支架施工又恢復了活力，不僅用于橋墩較低的中、小跨徑連續(xù)梁橋，而且在長大跨徑橋梁中亦有應用。

滿堂支架現澆施工法作為連續(xù)梁橋施工工藝中的一種，技術很成熟，應用范圍非常廣泛。近年來，國內外眾多學者針對滿堂支架現澆施工的連續(xù)梁橋作了大量設計與評估，但都是進行確定性分析[1-4]，引入可靠度理念的研究相對較少[5，6]。并且由于新建橋梁與在役橋梁都需要進行可靠性評估以確保結構在施工階段和使用階段的受力安全，而目前大部分在役橋梁都是依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTJ 023-85)進行設計，新建橋梁則依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)進行設計，不同規(guī)范對抗力及荷載模型規(guī)定的差異，導致同一座橋梁施工階段及成橋階段可靠指標計算值之間的差異。本文針對上述問題，以一座實橋為依托工程，采用不同規(guī)范規(guī)定的荷載及抗力統(tǒng)計參數進行滿堂支架現澆施工連續(xù)梁橋的確定性和可靠性指標[7]計算及比較，以期為國內外同類型橋梁設計及加固提供參考。

1實橋資料

本實例是某立交橋主線橋的一聯，標準跨徑為30 m+45 m+30 m，實際橋長為104.96 m，另外的4 cm為預留伸縮縫寬度，橋梁結構計算圖式如圖1所示。

圖1　橋梁計算圖式(單位： cm)Figure 1　Calculation mode of the bridge(unit： cm)

主梁采用變高度箱形截面。箱梁根部高取為2.4 m，高跨比為H1/L=1/18.75；跨中最小梁高H2為1.2 m，H1/H2=2，箱梁底緣按二次拋物線變化。每幅橋面全寬為16 m箱梁，頂板翼緣外懸2.5 m，箱梁底板寬度為11 m，箱梁頂板厚度為22 cm，箱梁頂板翼緣端部厚度為20 cm，翼緣根部厚度為30 cm。腹板與頂、底板相接處均做成10 cm×10 cm承托，主梁橫截面構造如圖2所示。

圖2　主梁橫斷面構造(單位： cm)Figure 2　Girder cross section dimension(unit： cm)

2有限元建模

本實例橋梁跨徑較小，將每孔計算跨徑8等分建立單元。四個支承點處設置節(jié)點，在B、C支承點兩邊分別增設0.6 m的單元，邊支承點以外增設0.58 m的小單元。本實例離散后共計74個單元，75個節(jié)點，單元劃分(僅標注8分點截面號)如圖3所示。

圖3　單元劃分(尺寸單位： cm)Figure 3　Elements meshing

預應力混凝土連續(xù)梁橋主要由混凝土、普通鋼筋和預應力鋼筋組成，04、85橋規(guī)中3種材料型號和強度方面均有所區(qū)別。本例原設計主梁采用40號混凝土，按04規(guī)范設計時，采用C40混凝土。預應力鋼筋采用公稱直徑為15.2 mm、截面面積為140 mm2的高強度、低松弛鋼絞線，標準強度均為1 570 MPa。用R235鋼筋和HRB235鋼筋分別代替Ⅰ級熱軋光圓鋼筋和Ⅱ級熱軋帶肋鋼筋。

計算汽車荷載時，橋面寬度為15 m，單向車道橋梁設計車道數為4。由04通規(guī)可知：4車道橫向折減系數為0.67，而按89通規(guī)時四行車隊布載，汽車荷載可折減30%。同時考慮汽車偏載作用及箱梁扭轉作用，將荷載內力提高10%。04和85規(guī)范[8-11]計算參數見表1。

表1 JTGD62-2004和JTJ023-85規(guī)范計算參數Table1 CalculationparametersoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85項目04規(guī)范85規(guī)范汽車荷載公路Ι級汽車-超20、掛車-120車道折減及偏載系數0.67×1.1=0.8580.7×1.1=0.88梯度溫度正溫差:14℃→5.5℃→0℃ 反溫差:-7℃→-2.75℃→0℃箱梁頂板升溫5℃荷載組合基本組合、作用短期效應組合、作用長期效應組合組合Ι、組合ΙΙ、組合ΙΙΙ汽車沖擊系數按04通規(guī)4.3.2條取為0.0343按89通規(guī)表2.3.2-1取為0主梁材料C40混凝土40號混凝土

3荷載統(tǒng)計參數

公路橋梁承受的主要荷載有恒載、活載、動載、環(huán)境荷載(溫度、風和地震)和其他形式的荷載(碰撞和制動力等)。荷載模型根據已有調查統(tǒng)計數據、研究報告和仿真分析確定。荷載隨機變量用累積分布函數來描述，主要數字特征為均值或偏差系數(均值與標準值之比)和變異系數。

恒載由結構單元和非結構單元(如預應力)的自重產生并永久作用于結構上?；钶d由在橋梁上移動的車隊產生，本研究中考慮活荷載的靜力和沖擊效應[12]。依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTJ 023-85)規(guī)定的荷載統(tǒng)計參數見表2。其中活荷載的沖擊效應由活荷載的靜力效應乘以沖擊系數來表示，故二者的統(tǒng)計數據相同。

表2 JTGD62-2004和JTJ023-85規(guī)范規(guī)定的荷載統(tǒng)計參數Tablele2 LoadstatisticalparametersoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85概率分布均值方差變異系數D62-2004023-85D62-2004023-85D62-2004023-85自重正態(tài)分布1.02131.01480.03280.04370.03210.0431預應力正態(tài)分布10.040.04活載極值-I型分布0.68610.66840.10760.24930.15690.3730沖擊荷載極值-I型分布0.68610.66840.10760.24930.15690.3730溫度荷載極值-I型分布10.0390.039

4抗力統(tǒng)計參數

抗力表示結構承受荷載的能力大小，受材料、幾何和模型分析不確定性的影響?？沽Ψ植碱愋陀射摻詈突炷恋母怕史植己瘮禌Q定?？沽Ω鶕牧蠌姸?、幾何尺寸及模型分析來確定，一般情況下為對數正態(tài)分布[13，14]。

承載能力系數反應截面實際承載力與理論計算承載能力的相對大小，其值大于1。用承載能力系數分析依據JTG D62-2004 和 JTJ 023-85規(guī)范設計的預應力混凝土滿堂支架現澆施工連續(xù)梁橋正截面的可靠指標[15]。這里假定根據JTG D62-2004 和 JTJ 023-85規(guī)范確定的抗彎承載能力統(tǒng)計參數相同，如表3所示。

表3 JTGD62-2004和JTJ023-85規(guī)范確定的正截面抗彎承載能力系數統(tǒng)計參數Table3 FlexuralcapacitystatisticalparametersoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85概率分布均值方差變異系數承載能力系數對數正態(tài)分布1.22620.17340.1414

5荷載組合

本文僅對滿堂支架現澆施工連續(xù)梁橋的承載能力進行可靠度分析，故僅對承載能力荷載組合進行分析。對于承載能力極限狀態(tài)，1989年《通規(guī)》采用荷載安全系數與荷載標準值乘積作為設計代表值，2004年《通規(guī)》引進結構重要性系數、作用效應分項系數，用組合系數和各項作用標準值乘積來計算效應組合設計值。

1989年《通規(guī)》承載能力荷載組合如下：

Md=1.1結構重力效應+1.3汽車荷載效應(含沖擊力)+1.3(溫度作用效應+預加力次內力)

2004年《通規(guī)》承載能力荷載組合如下：

Md=1.2結構重力效應+1.2預加力次內力+1.4汽車荷載效應(含沖擊力)+0.98溫度作用效應

其中：Md為承載能力極限狀態(tài)下作用效應組合設計值。

6確定性和可靠性分析

可靠度分析是用可靠指標β來對結構的性能進行評估，可靠指標β是失效概率的函數。通過考慮結構類型和荷載來建立表征結構性能的承載能力極限狀態(tài)函數來對結構進行可靠度分析。在可靠度分析時，荷載和抗力作為隨機變量，荷載和抗力模型的統(tǒng)計參數如前所述根據已有文獻參考得到。

本研究的極限狀態(tài)功能函數為：

g(R，Q)=R-Q

(1)

式中：R為抗力；Q為荷載效應或需求。

如果極限狀態(tài)函數g的值大于0，結構就是安全的，如果g小于0，結構就失效。所以，失效概率為極限狀態(tài)功能函數小于0的概率：

Pf=P(R-Q<0)=P(g<0)

(2)

針對橋例進行可靠度分析，用可靠指標用來反映結構的失效概率，可靠指標與失效概率的關系為：

β=-Φ-1(Pf)

(3)

式中：β為結構可靠指標；Φ-1為標準正態(tài)分布函數的反函數；Pf為結構失效概率。

根據式(1)可得可靠指標計算如下：

(4)

式中：μR、μQ分別為抗力和荷載效應均值；σR、σQ分別為抗力和荷載效應標準差。

本文選取預應力混凝土連續(xù)梁橋的正截面抗彎承載能力來建立極限狀態(tài)方程，并以此來評估滿堂支架現澆施工的預應力混凝土連續(xù)梁橋的可靠度水平。本實例預應力混凝土橋梁結構為對稱結構，故選取半橋特征截面最為研究對象來評估橋梁結構的可靠水平[16]，具體計算結果見表4。

根據表4計算結果分析可知：

表4 85和04規(guī)范可靠度計算結果Table4 ReliabilityindicesoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85截面號截面位置抗力Mu/(kN·m)JTJ023-85JTGD62-2004作用效應自重效應/(kN·m)預加力次內力/(kN·m)汽車(含沖擊力)(kN·m)JTJ023-85JTGD62-2004JTJ023-85JTGD62-2004JTJ023-85JTGD62-20042A-14275-15268-42.5-42.517.319.1-237-6328L1/4358663758870957095106110906651706015L1/23473733494256325632487250470868287203L1/4-57688-67922-13893-1389336923732-8542-870425B-108372-124560-43701-4370139134060-12465-1379032L/43079043983-559-559392240694313537438L/2428505014513136131363936407679918677截面號截面位置作用效應溫度效應/(kN·m)JTJ023-85JTGD62-2004作用效應組合值/(kN·m)安全系數Mu/Md可靠指標JTJ023-85JTGD62-2004JTJ023-85JTGD62-2004JTJ023-85JTGD62-20042A00-69.24-936.340.9016.2810.03249.57058L1/4806132920596218231.7421.737.45187.412515L1/21612265819636215241.771.558.09797.3589203L1/424193988-32787-297431.762.297.72678.539725B32255317-74341-729731.481.716.23447.019732L/43225531715220191472.022.308.04218.602438L/23225531733574393231.271.286.43667.0731

① 恒載作用效應：85和04規(guī)范計算結果一樣，原因是85和04規(guī)范規(guī)定的混凝土和預應力鋼筋的容重一樣，結構剛度一樣，內力按剛度分配。

② 預加力次內力：按04規(guī)范計算的預應力次內力值基本比按85規(guī)范計算結果大10%左右，原因是按04規(guī)范計算的預應力損失值比按85規(guī)范計算結果小，永存預應力比按85計算結果大；

③ 汽車荷載效應：按04規(guī)范計算的汽車荷載效應基本比按85規(guī)范計算結果稍大；

④ 溫度效應：按04規(guī)范計算的溫度效應基本比按85規(guī)范計算結果大60%左右；

⑤ 作用組合效應：3L1/4和B截面按04規(guī)范計算的作用效應組合值比按85規(guī)范計算結果稍小之外，其余截面按04規(guī)范計算的作用效應組合值比按85規(guī)范計算結果稍大；

⑥ 抗彎承載能力：L1/2截面按04規(guī)范計算的抗彎承載能力比按85規(guī)范計算結果稍小之外，其余截面按04規(guī)范計算的抗彎承載能力比按85規(guī)范計算結果稍大；

⑦ 安全系數：A截面按04規(guī)范計算的安全系數比按85規(guī)范計算結果大很多，L1/4和L1/2截面按04規(guī)范計算的安全系數比按85規(guī)范計算結果稍小，3L1/4、B、L/4和L/2截面按04規(guī)范計算的安全系數比按85規(guī)范計算結果稍大。

⑧ 可靠指標：A、L1/4和L1/2截面按04規(guī)范計算的可靠指標比按85規(guī)范計算結果稍小，3L1/4、B、L/4和L/2截面按04規(guī)范計算的可靠指標比按85規(guī)范計算結果稍大。

7結論

依據85和04規(guī)范對一次落架施工的預應力混凝土連續(xù)梁橋進行確定性和可靠性分析比較，得到以下結論：

① 從確定性分析對比來看，按04規(guī)范計算的荷載效應基本比按85規(guī)范計算值大，按04規(guī)范計算的抗彎承載能力基本比按85規(guī)范計算稍大，但是作用效應組合和安全系數卻不遵循同樣的規(guī)律。

② 從可靠性分析對比來看，靠近邊支座的半跨內截面的可靠指標按04規(guī)范計算值比按85規(guī)范計算小，其余截面規(guī)律相反。

③ 從確定性分析與可靠性相互對比分析來看，一般情況下安全系數大的截面，可靠指標也相對較大，但也有例外，故不能單從安全系數的大小來判斷截面的安全儲備能力。

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Analysis of Deterministic and Reliability for Continuous Girder Bridges Using Full Framing Method Construction Based on

SHEN Jiankang

(Jiangsu Institute of Architectural Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China)

[Abstract]The object of this paper is to study the deterministic and reliability analysis of the continuous girder bridges using the full framing method construction based on the Codes for Design of Highway Reinforced Concrete and Pre-stressed Concrete and Culverts(JTG D62-2004)and(JTJ 023-85).The results of typical selected cross sections show that the different regularities exist in the deterministic and reliability analysis，which indicates that accuracy and reasonable assessment of structural safety statement must base on the combination of deterministic and reliability analysis，not the deterministic analyzing.

[Key words]pre-stressed continuous girder bridge； full framing method construction； codes； deterministic； reliability； reliable index

[中圖分類號]U 448.21+5

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0120-05

[作者簡介]沈建康(1962-)，男，江蘇無錫人，從事橋梁結構理論研究與教學工作。

[收稿日期]2014-12-01