桥梁设计的冗余度分析

2017-09-20徐前

黑龙江交通科技 2017年7期

关键词：冗余度主梁荷载

徐前

(贵州省公路勘察设计院有限公司，贵州贵阳 550003)

桥梁设计的冗余度分析

徐前

(贵州省公路勘察设计院有限公司，贵州贵阳 550003)

针对桥梁结构体系冗余度设计，结合工程实例，在介绍冗余度设计基本定义的基础上，提出会对冗余度造成实际影响的设计参数，并提出冗余度优化设计方法，最后通过深入分析得出良好的冗余度设计对于保证桥梁结构在产生局部破坏后仍能保持相对稳定性有决定性作用，是保证桥梁整体安全性关键环节的结论，为确保桥梁设计合理性奠定良好基础。

桥梁设计；冗余度设计；安全性

1 桥梁设计标准

(1)汽车荷载等级：新建桥梁采用公路—I级。

(2)桥面宽度：δm(人行道或防撞护栏)+(W+Δ)m(桥面宽度)+δm(人行道或防撞护栏)，全宽8 m+Δ+2δm；

其中δ为人行道或防撞护栏宽度，根据桥位所处位置确定设置人行道或护栏，设置人行道的桥梁根据人流量确定人行道宽度；W为对应路基宽度处桥面行车道宽度值，Δ为路线加宽值；

(3)桥面宽度参照《公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)》。

(4)设计洪水频率：大桥、中桥为1/100，小桥、涵洞1/50。

(5)地震：按照《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01-2008要求，本设计路段大桥抗震设防类别为B类，设防等级为7级，小桥为C类，抗震设防等级为6级，地震动峰值加速度小于0.05 g。

(6)结构型式：全线在桥梁结构型式选择中，主要采用了预应力混凝土T梁，涵洞结构型式统一选用钢筋混凝土盖板涵。

2 桥梁设计冗余度

2.1 冗余度基本概念

部分桥梁在产生桥墩破坏等现象以后仍可保持相对稳定，但有些桥梁在结构失稳以后会直接塌裂，造成这种现象的原因可谓是众说纷纭，虽然很多学者表明具体形成原因具有一定多样性，但从本质上讲冗余度起到了关键性作用。对于桥梁设计过程中的结构体系冗余度，在实际的结构设计中，一般会将冗余度设计视作超静定次数，这是因为当时的计算机技术还未得到广泛的普及，为对静力平衡方程进行求解，通常会时自由度和方程的数量完全相同，但在实际情况中，经常会出现支座约束反力对应的未知个数远远超出方程数量的现象，也就是结构约束比自由度多，即为超静定结构。对结构进行设计时，通常将这种结构中的多余约束当做体系的冗余度。正是因为有这些约束作用的影响，可使结构在连接作用失去效果以后，仍能在一定时间段之内保持稳定性。简单来说，桥梁结构体系的冗余度是以强度储备形式存在的，使结构能在产生局部破坏后仍可继续承受一定荷载，在短时内确保结构整体性。

2.2 结构体系冗余度

桥梁结构通常作为整套体系参与研究过程，将功能各异的组件通过连接组成受力系统，确保系统具备良好承载力，冗余度在这种体系中有着十分重大的现实意义。针对不存在冗余度的桥梁结构体系，其安全系统大多很低，如果产生构件破坏与连接破坏，将会造成整体性失稳。而针对有一定冗余度的体系而言，其单个构件在遭到破坏以后并不会造成整体失稳。在对桥梁实施设计的过程中，为确保结构体系稳定性，通常都会设置冗余度，以此使体系具备多重的传力方式。对于结构体系而言，其承载力储备率受限于体系自身荷载二次分配性能。

2.3 冗余度系数

在桥梁工程的现行设计规范当中，通常使用代表结构自身冗余度系数。在具体设计时，通常会将ηR结构分成两大单元，再充分结合可靠性指标，完成设计冗余度定量研究，进而得出储备率，此外，通过计算还能得出ηR对应的参考取值，以此为冗余度设计提供可靠依据，相关承载力计算公式如下

η∑γiQi≤φRn

(1)

本工程的冗余度系数和主梁总数与间距保持的关系如图1所示。

图1 冗余度系数和主梁总数与间距保持的关系

从图1中可看出，若主梁间距保持固定，则结构体系的冗余度系数和主梁总数呈正比关系，但在主梁总数超过6以后，冗余度系数所受影响将大幅减小。另外，若主梁总数保持固定，则结构体系冗余度和主梁间距呈反比关系。

3 设计参数对冗余度造成的实际影响

3.1 跨长参数

实践表明，跨长并非冗余度决定性参数，若存在足够的外部横向连接，则能使不同桥梁达到完全一致的冗余度。换言之，跨长对于冗余度造成的实际影响相对较小。

3.2 曲线半径

曲线半径主要分为三种，即100 m、200 m与300 m，这三种不同的曲线半径对冗余度造成的实际影响不同。以典型的双箱梁结构为例，对于45.7 m跨长的梁结构，其曲线半径和冗余度保持负比例关系；对于68.6 m跨长的梁结构，其冗余度随半径增大而增加。

3.3 外部横向连接

(1)连接种类

对于桥梁结构安全性与稳定性而言，外部横向连接十分重要，起到横向传力的作用。设计过程中，外部横向连接设计需要适应全屈服状态下的荷载要求。不同类型的连接能有效提升结构体系冗余度，且存在一定相互影响，使系统获取最佳受力系统，保证结构安全。此外，鉴于桥梁结构稳定性与安全性，外部连接要尽可能的匹配，而且在特定的环境之下，K形连接冗余度不如实心横隔板。

(2)连接数量

桥梁损坏早期，桥面结构无法及时传递荷载，损坏部位荷载依然较大，所以不同的外部横向连接数量必然会对结构体系冗余度造成影响。设计过程中，随外部横向连接数量的增多，冗余度大显著提高，二者的关系如图2所示。

图2 横向连接数量和冗余度之间的关系

4 冗余度优化设计策略

针对冗余度设计而言，在实际情况中必须严格遵循三大基本原则：(1)充分结合地质条件，选择满足结构体系冗余度需求的方案；(2)设计工作中，要尽量选用具备较强整体性与连续性的结构模式；(3)对于大跨度桥梁，为适应其发展趋势，设计时需对重点构件设立专门传力方式，以确保结构稳定性。需进行明确的是，冗余度设计本身是存在一定局限性的，只能在桥梁结构产生破坏以后用来确保结构保持发挥功能的能力，不能与可靠度标准混淆。在桥梁结构中，构件、外部边界对应的冗余度，以及承载途径冗余度相互并存，一同赋存在体系当中。基于此，在设计规范当中，依据桥梁自身功能，制定特殊事件下的冗余度需求。工程设计中，对于复杂的地质条件，针对不同的区段需要编制对应冗余度设计。另外，在国内的桥梁设计过程中，时常会出现大跨径桥连接管，这也是日后桥梁工程主要发展趋势，这就要求设计者使用三维有限元技术对结构的受力状况进行分析，找出工程设计缺陷，并对结构冗余度设计实施全面优化，以免不必要事故的发生。