银鑫　姚海鹰

公路预应力混凝土桥梁的可靠度分析

银鑫姚海鹰

近年来随着科学技术的不断发展，人们对工程结构的认识也在不断加深，对结构分析和设计的要求越来越高，更多人开始重视不确定性因素的处理与研究，因此目前结构分析与设计的科学性与合理性更高，也更加符合实际情况。鉴于此，笔者结合自己的工作经验，从不同角度针对公路预应力混凝土桥梁的可靠度展开了分析，希望可以为同行带来一些参考。

公路；预应力混凝土；桥梁；可靠度

传统工程结构分析通常会将相关信息看成是确定性的东西，在一定条件下是必然要发生的存在定量关系或者确定数值的事物，实际上工程结构中存在着很多不确定因素，近年来随着时代的发展，人们对工程结构的认识程度不断加深，对工程结构的设计及分析要求逐渐提高，这种情况下人们开始重视不确定性信息的处理，与以前的工程结构相比要更加科学、合理一些。结构可靠性分析的应用克服了以前定值方法在应用过程中暴露的不足，可以对工程结构中存在的不确定性因素进行合理考虑，并对各种结构可靠度进行统一衡量，这样就可以将工程结构的设计、施工及验收等规范在可靠性理论分析的基础上进行统一协调，从而获得更高的经济和社会效益。

1　公路桥梁荷载及抗力概率模型

1.1作用与作用效应分析

本文索要研究的恒载是指结构桥梁与附加建筑的重力荷载，具体来说是水泥或沥青混凝土铺装层自重以及预应力混凝土梁预制构件自重等，在具体工程中可以将桥梁结构自重荷载看成是桥面铺装层自重及桥梁结构自重按照相应比例叠加之后得到的荷载。恒载属于永久作用，它随时间的变化非常小，因此可以将其看作是设计基准期中保持恒定的量值，利用随机变量概率模型对其进行分析。据相关资料显示，我国学者共在9省针对18座水泥混凝土桥面、18座沥青混凝土桥面中展开了实测调查，得到数据2095个，有关沥青混凝土桥面厚度数据2045个，总分布面积达28140多平方米，利用随机抽样的方式在14个省、市以及自治区中的42个预制场中对钢筋混凝土进行了实测。并对实测数据中的异常值进行剔除处理，并将其作为对数据进行统计分析的数据。

表1　桥面铺装层厚度、容重及构件自重统计分析结果

桥梁恒载主要由桥面重和构件重组成，需要将这些统计参数结合在一起，按照统计学原理服从正态分布，同时在任意点上结构实测自重Gi的概率分布也服从于正态分布，因此可以算出实测自重的统计参数。

1.2车辆荷载模型

车辆荷载是车辆在行驶过程中对桥梁产生的力，因为模型同时在时间与空间上存在双重随机性，因此可以利用随机过程概率模型对其展开模拟，通常可以利用车重、轴距、车辆通过观测点的时刻等参数对模型进行描述，因为车辆荷载具有很强的随机性，建立模型往往需要大量数据和资料。我国交通部根据相关统计分析数据针对汽车荷载及荷载效应展开了比较详尽的统计分析，利用“公路车辆动态测试仪”针对汽车荷载展开了一系列调查，在江苏扬州、河北承德等多个地点展开了测试，这些测量的车辆其交通情况不同，直接反映了我国不同界别公路的车流情况，通过连续5d的检测，得到了共6万多辆车的数据，同时还利用人工方法得到了300多辆汽车的自然拥堵情况，这些数据共同构成了汽车荷载效应分析基础。

2　承载能力极限状态可靠度分析

简支桥梁在梁式桥中是应用最为广泛的一种桥型，它的受力非常简单，适用T形梁等构造简单的截面形式，在体系文编以及张拉预应力等情况下不会在梁中产生附加压力，设计及计算非常方便，各种标准跨径装配式结构中都适用，因为简支梁属于静定结构，其结构内力不会受到地基变形等相关因素的影响，机上对基础要求比较低，可以在地基交叉的桥址上建桥，通常多孔简支梁桥相邻桥孔都各自受力，以便施工管理的简化以及桥梁的架设和预制，施工费用也比较低，所以目前在我国城市的跨河桥梁及高架桥中得到了广泛的应用。

通常在设计过程中采用跨中正弯矩展开控制，如果跨径增大，跨中恒载及活载就会加剧，如果恒载弯矩比例非常大，其结构能够承载的能力就会相应减小，结构恒载减小了，抵抗活载的能力增大。现阶段预应力混凝土简支梁的最大跨径为76m，如果跨径超过了50m，那么就会为工地施工带来困难，也不能体现出经济性的原则。

在结构可靠性分析过程中，因为每个因素都会对结构失效造成不同程度的影响，因此结构可靠性分析的一种重要标准就是研究不同因素对可靠度的影响。但是现阶段并没有针对灵敏度形成统一的定义，不同研究者的研究利用的定义都不同，但是通常情况下随机变量灵敏度分析应从两方面进行分析：①随机变量分布参数的分析，又被称为分布参数的敏感度；②当分布参数一定，极限状态方程因为受到随机变量的影响，对结构可靠度产生了影响，这时被称为极限状态下方程参数的敏感度。

通过进一步的分析与研究，发现目前新旧规范对桥梁敏感性分析存在一致的规律，同时桥梁可靠指标受到预应力钢筋抗拉强度的影响非常大，车辆荷载效应、腹板及翼缘厚度的变异性对构件可靠度影响比较小，在进行可靠度简化计算时，可以将其作为常数进行处理。

3　正常使用极限状态可靠度分析

承载能力极限状态对结构安全性提出了要求，处于这种极限状态下设计的公路桥梁结构构件在设计过程中，极限状态的正常使用往往起到了控制性的作用，对应结构适用性及及耐久性要求，提出了抗裂性、应力及挠度等方面的限制，这种极限状态目前相关标准中提出了目标可靠指标及各指标的限值，但是并没有对各规定的可靠度水平进行明确规定。随着预应力混凝土桥梁应用越来越广泛，其正常使用问题开始引起人们的关注，特别是在抗裂性分析上，因为受到各种主观因素的影响，其中一些内容已经不能适应技术发展的步伐，因此在抗裂可靠性上出现了一些问题。

新旧桥规将预应力混凝土构件抗裂性验算分成斜截面和正截面两个部分，本文仅针对正截面抗裂性可靠度进行分析。按照新桥规，预应力混凝土构件在正截面抗裂性验算时，应符合以下要求：

式中：σst表示荷载短期效应组合下，梁底缘产生的混凝土法向应力。σpc表示将全部预应力损失的预加力扣除以后，在梁底缘产生的混凝土预压应力；0.85σpc表示结构构件应具有的抗力。利用σpc与0.85的乘积作为保证新旧规范之间衔接的重要依据。

4　结语

综上所述，新旧规范在抗弯承载能力极限状态下的可靠指标都比较高，因为新桥规汽车荷载计算模式中做了一些改进，加上得到的效应也比旧桥规计算结果高一些，所以可靠指标要较旧规范低一些。桥梁结构可靠性的影响因素有很多，但是能够起到控制可靠指标作用的并不多，其中预应力钢筋抗拉强度的可靠度影响最大，其他印度的影响都比较小，因此在可靠度简化计算过程中可以将其当做常量进行处理。

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2015-9-25