沈建康

(江苏建筑职业技术学院， 江苏 徐州　221116)



基于不同规范的满堂支架现浇施工连续梁桥确定性及可靠性对比分析

沈建康

(江苏建筑职业技术学院， 江苏 徐州221116)

[摘要]针对分别采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023-85)设计的满堂支架现浇施工连续梁桥进行确定性和可靠性对比分析，通过有限元程序对成桥阶段选取的典型截面可靠指标进行计算。结果表明，确定性分析和可靠性分析结果有不同的规律，不能单从确定性分析结果的大小来判断结构安全储备，需将确定性分析与可靠性分析相结合，才能对结构有合理准确的判断与评价。

[关键词]连续梁桥； 满堂支架现浇施工； 规范； 确定性； 可靠性； 可靠指标

0前言

满堂支架现场浇筑(也称支架整体现浇)连续梁桥具有悠久的历史，可以说是最原始、最基本的施工方法，主要特点是桥梁的整体性好，施工方法简便易行，施工质量可靠，平面及竖曲线线形容易控制，对机具和起重能力要求不高。随着钢支架的采用及支架构件的标准化和装配化，整体式支架施工又恢复了活力，不仅用于桥墩较低的中、小跨径连续梁桥，而且在长大跨径桥梁中亦有应用。

满堂支架现浇施工法作为连续梁桥施工工艺中的一种，技术很成熟，应用范围非常广泛。近年来，国内外众多学者针对满堂支架现浇施工的连续梁桥作了大量设计与评估，但都是进行确定性分析[1-4]，引入可靠度理念的研究相对较少[5，6]。并且由于新建桥梁与在役桥梁都需要进行可靠性评估以确保结构在施工阶段和使用阶段的受力安全，而目前大部分在役桥梁都是依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023-85)进行设计，新建桥梁则依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)进行设计，不同规范对抗力及荷载模型规定的差异，导致同一座桥梁施工阶段及成桥阶段可靠指标计算值之间的差异。本文针对上述问题，以一座实桥为依托工程，采用不同规范规定的荷载及抗力统计参数进行满堂支架现浇施工连续梁桥的确定性和可靠性指标[7]计算及比较，以期为国内外同类型桥梁设计及加固提供参考。

1实桥资料

本实例是某立交桥主线桥的一联，标准跨径为30 m+45 m+30 m，实际桥长为104.96 m，另外的4 cm为预留伸缩缝宽度，桥梁结构计算图式如图1所示。

图1　桥梁计算图式(单位： cm)Figure 1　Calculation mode of the bridge(unit： cm)

主梁采用变高度箱形截面。箱梁根部高取为2.4 m，高跨比为H1/L=1/18.75；跨中最小梁高H2为1.2 m，H1/H2=2，箱梁底缘按二次抛物线变化。每幅桥面全宽为16 m箱梁，顶板翼缘外悬2.5 m，箱梁底板宽度为11 m，箱梁顶板厚度为22 cm，箱梁顶板翼缘端部厚度为20 cm，翼缘根部厚度为30 cm。腹板与顶、底板相接处均做成10 cm×10 cm承托，主梁横截面构造如图2所示。

图2　主梁横断面构造(单位： cm)Figure 2　Girder cross section dimension(unit： cm)

2有限元建模

本实例桥梁跨径较小，将每孔计算跨径8等分建立单元。四个支承点处设置节点，在B、C支承点两边分别增设0.6 m的单元，边支承点以外增设0.58 m的小单元。本实例离散后共计74个单元，75个节点，单元划分(仅标注8分点截面号)如图3所示。

图3　单元划分(尺寸单位： cm)Figure 3　Elements meshing

预应力混凝土连续梁桥主要由混凝土、普通钢筋和预应力钢筋组成，04、85桥规中3种材料型号和强度方面均有所区别。本例原设计主梁采用40号混凝土，按04规范设计时，采用C40混凝土。预应力钢筋采用公称直径为15.2 mm、截面面积为140 mm2的高强度、低松弛钢绞线，标准强度均为1 570 MPa。用R235钢筋和HRB235钢筋分别代替Ⅰ级热轧光圆钢筋和Ⅱ级热轧带肋钢筋。

计算汽车荷载时，桥面宽度为15 m，单向车道桥梁设计车道数为4。由04通规可知：4车道横向折减系数为0.67，而按89通规时四行车队布载，汽车荷载可折减30%。同时考虑汽车偏载作用及箱梁扭转作用，将荷载内力提高10%。04和85规范[8-11]计算参数见表1。

表1 JTGD62-2004和JTJ023-85规范计算参数Table1 CalculationparametersoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85项目04规范85规范汽车荷载公路Ι级汽车-超20、挂车-120车道折减及偏载系数0.67×1.1=0.8580.7×1.1=0.88梯度温度正温差:14℃→5.5℃→0℃ 反温差:-7℃→-2.75℃→0℃箱梁顶板升温5℃荷载组合基本组合、作用短期效应组合、作用长期效应组合组合Ι、组合ΙΙ、组合ΙΙΙ汽车冲击系数按04通规4.3.2条取为0.0343按89通规表2.3.2-1取为0主梁材料C40混凝土40号混凝土

3荷载统计参数

公路桥梁承受的主要荷载有恒载、活载、动载、环境荷载(温度、风和地震)和其他形式的荷载(碰撞和制动力等)。荷载模型根据已有调查统计数据、研究报告和仿真分析确定。荷载随机变量用累积分布函数来描述，主要数字特征为均值或偏差系数(均值与标准值之比)和变异系数。

恒载由结构单元和非结构单元(如预应力)的自重产生并永久作用于结构上。活载由在桥梁上移动的车队产生，本研究中考虑活荷载的静力和冲击效应[12]。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023-85)规定的荷载统计参数见表2。其中活荷载的冲击效应由活荷载的静力效应乘以冲击系数来表示，故二者的统计数据相同。

表2 JTGD62-2004和JTJ023-85规范规定的荷载统计参数Tablele2 LoadstatisticalparametersoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85概率分布均值方差变异系数D62-2004023-85D62-2004023-85D62-2004023-85自重正态分布1.02131.01480.03280.04370.03210.0431预应力正态分布10.040.04活载极值-I型分布0.68610.66840.10760.24930.15690.3730冲击荷载极值-I型分布0.68610.66840.10760.24930.15690.3730温度荷载极值-I型分布10.0390.039

4抗力统计参数

抗力表示结构承受荷载的能力大小，受材料、几何和模型分析不确定性的影响。抗力分布类型由钢筋和混凝土的概率分布函数决定。抗力根据材料强度、几何尺寸及模型分析来确定，一般情况下为对数正态分布[13，14]。

承载能力系数反应截面实际承载力与理论计算承载能力的相对大小，其值大于1。用承载能力系数分析依据JTG D62-2004 和 JTJ 023-85规范设计的预应力混凝土满堂支架现浇施工连续梁桥正截面的可靠指标[15]。这里假定根据JTG D62-2004 和 JTJ 023-85规范确定的抗弯承载能力统计参数相同，如表3所示。

表3 JTGD62-2004和JTJ023-85规范确定的正截面抗弯承载能力系数统计参数Table3 FlexuralcapacitystatisticalparametersoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85概率分布均值方差变异系数承载能力系数对数正态分布1.22620.17340.1414

5荷载组合

本文仅对满堂支架现浇施工连续梁桥的承载能力进行可靠度分析，故仅对承载能力荷载组合进行分析。对于承载能力极限状态，1989年《通规》采用荷载安全系数与荷载标准值乘积作为设计代表值，2004年《通规》引进结构重要性系数、作用效应分项系数，用组合系数和各项作用标准值乘积来计算效应组合设计值。

1989年《通规》承载能力荷载组合如下：

Md=1.1结构重力效应+1.3汽车荷载效应(含冲击力)+1.3(温度作用效应+预加力次内力)

2004年《通规》承载能力荷载组合如下：

Md=1.2结构重力效应+1.2预加力次内力+1.4汽车荷载效应(含冲击力)+0.98温度作用效应

其中：Md为承载能力极限状态下作用效应组合设计值。

6确定性和可靠性分析

可靠度分析是用可靠指标β来对结构的性能进行评估，可靠指标β是失效概率的函数。通过考虑结构类型和荷载来建立表征结构性能的承载能力极限状态函数来对结构进行可靠度分析。在可靠度分析时，荷载和抗力作为随机变量，荷载和抗力模型的统计参数如前所述根据已有文献参考得到。

本研究的极限状态功能函数为：

g(R，Q)=R-Q

(1)

式中：R为抗力；Q为荷载效应或需求。

如果极限状态函数g的值大于0，结构就是安全的，如果g小于0，结构就失效。所以，失效概率为极限状态功能函数小于0的概率：

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

(2)

针对桥例进行可靠度分析，用可靠指标用来反映结构的失效概率，可靠指标与失效概率的关系为：

β=-Φ-1(Pf)

(3)

式中：β为结构可靠指标；Φ-1为标准正态分布函数的反函数；Pf为结构失效概率。

根据式(1)可得可靠指标计算如下：

(4)

式中：μR、μQ分别为抗力和荷载效应均值；σR、σQ分别为抗力和荷载效应标准差。

本文选取预应力混凝土连续梁桥的正截面抗弯承载能力来建立极限状态方程，并以此来评估满堂支架现浇施工的预应力混凝土连续梁桥的可靠度水平。本实例预应力混凝土桥梁结构为对称结构，故选取半桥特征截面最为研究对象来评估桥梁结构的可靠水平[16]，具体计算结果见表4。

根据表4计算结果分析可知：

表4 85和04规范可靠度计算结果Table4 ReliabilityindicesoncodesofJTGD62-2004andJTJ023-85截面号截面位置抗力Mu/(kN·m)JTJ023-85JTGD62-2004作用效应自重效应/(kN·m)预加力次内力/(kN·m)汽车(含冲击力)(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截面号截面位置作用效应温度效应/(kN·m)JTJ023-85JTGD62-2004作用效应组合值/(kN·m)安全系数Mu/Md可靠指标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 恒载作用效应：85和04规范计算结果一样，原因是85和04规范规定的混凝土和预应力钢筋的容重一样，结构刚度一样，内力按刚度分配。

② 预加力次内力：按04规范计算的预应力次内力值基本比按85规范计算结果大10%左右，原因是按04规范计算的预应力损失值比按85规范计算结果小，永存预应力比按85计算结果大；

③ 汽车荷载效应：按04规范计算的汽车荷载效应基本比按85规范计算结果稍大；

④ 温度效应：按04规范计算的温度效应基本比按85规范计算结果大60%左右；

⑤ 作用组合效应：3L1/4和B截面按04规范计算的作用效应组合值比按85规范计算结果稍小之外，其余截面按04规范计算的作用效应组合值比按85规范计算结果稍大；

⑥ 抗弯承载能力：L1/2截面按04规范计算的抗弯承载能力比按85规范计算结果稍小之外，其余截面按04规范计算的抗弯承载能力比按85规范计算结果稍大；

⑦ 安全系数：A截面按04规范计算的安全系数比按85规范计算结果大很多，L1/4和L1/2截面按04规范计算的安全系数比按85规范计算结果稍小，3L1/4、B、L/4和L/2截面按04规范计算的安全系数比按85规范计算结果稍大。

⑧ 可靠指标：A、L1/4和L1/2截面按04规范计算的可靠指标比按85规范计算结果稍小，3L1/4、B、L/4和L/2截面按04规范计算的可靠指标比按85规范计算结果稍大。

7结论

依据85和04规范对一次落架施工的预应力混凝土连续梁桥进行确定性和可靠性分析比较，得到以下结论：

① 从确定性分析对比来看，按04规范计算的荷载效应基本比按85规范计算值大，按04规范计算的抗弯承载能力基本比按85规范计算稍大，但是作用效应组合和安全系数却不遵循同样的规律。

② 从可靠性分析对比来看，靠近边支座的半跨内截面的可靠指标按04规范计算值比按85规范计算小，其余截面规律相反。

③ 从确定性分析与可靠性相互对比分析来看，一般情况下安全系数大的截面，可靠指标也相对较大，但也有例外，故不能单从安全系数的大小来判断截面的安全储备能力。

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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

[中图分类号]U 448.21+5

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0120-05

[作者简介]沈建康(1962-)，男，江苏无锡人，从事桥梁结构理论研究与教学工作。

[收稿日期]2014-12-01