芻議橋梁設(shè)計(jì)的冗余度

■張 犁 ■湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075

1 冗余度以及其在橋梁設(shè)計(jì)中的內(nèi)在意義

1．1 冗余度的定義及內(nèi)涵

橋梁穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用的應(yīng)該是整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的冗余度，冗余度是在橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中作為一種強(qiáng)度儲(chǔ)備或者承載能力儲(chǔ)備的角色而出現(xiàn)，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)局部發(fā)生某種被破壞的發(fā)生危險(xiǎn)的情況下時(shí)，整個(gè)橋梁的負(fù)荷載能力還在其本身可以承受的范圍內(nèi)，在這一范圍內(nèi)保持橋梁的整體受荷載的能力。冗余度歸根結(jié)底是與系統(tǒng)的行為相關(guān)聯(lián)的，一般我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該把系統(tǒng)的系數(shù)考慮進(jìn)來(lái)，進(jìn)而估算整個(gè)橋梁系統(tǒng)的有效荷載能力。然而在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中和容易與超靜定次數(shù)混合使用，這一情況主要出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)未在設(shè)計(jì)當(dāng)中全面普及所導(dǎo)致。系統(tǒng)系數(shù)是用于名義構(gòu)件承載力之前的乘數(shù)，與整個(gè)橋梁系統(tǒng)的冗余度及荷載能力相關(guān)聯(lián)。為了計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的靜力平衡，通常做法是把自由度數(shù)與靜力平衡相統(tǒng)一。關(guān)于橋梁矩陣形式中，橋梁的間距和橋梁的數(shù)目是這一矩陣中的變數(shù)，這一概念是基于對(duì)跨徑的修正而提出。對(duì)于其他形式的橋梁結(jié)構(gòu)的冗余度，相關(guān)工程人員可以通過(guò)有限元程序來(lái)檢驗(yàn)。在設(shè)計(jì)中往往會(huì)遇到所設(shè)計(jì)橋梁的冗余度難以用上述標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確判斷，這樣一來(lái)就不得不要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初對(duì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要更加中規(guī)中矩。與此不同的橋梁，冗余度也相對(duì)較好，在其設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中可以相對(duì)開(kāi)放。系統(tǒng)系數(shù)的作用始終會(huì)貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)體系當(dāng)中。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中通常會(huì)涉及到2個(gè)階段的過(guò)程。一是冗余度的計(jì)算方法，而且要有一個(gè)系統(tǒng)系數(shù)的簡(jiǎn)便計(jì)算表，可以在橋梁設(shè)計(jì)和估算時(shí)采取此種方式進(jìn)行計(jì)算。二是將第一種計(jì)算方法拓展到連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)當(dāng)中。上述系統(tǒng)系數(shù)的計(jì)算方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工字型或者箱型截面的鋼和后張混凝土結(jié)構(gòu)中去。整個(gè)橋梁系統(tǒng)是渾然一體的一個(gè)整體，每個(gè)部件都發(fā)揮其各自功能?，F(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)往往是對(duì)某一單獨(dú)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，而忽視了橋梁整個(gè)系統(tǒng)。

1．2 橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度

橋梁結(jié)構(gòu)中的冗余度在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系中占有很重要的地位，但是研究整個(gè)橋梁的機(jī)構(gòu)時(shí)候結(jié)構(gòu)體系通常只是是將具有不同功能的結(jié)構(gòu)部件通過(guò)受力系統(tǒng)科學(xué)有序的鏈接起來(lái)，以保證整個(gè)橋梁有充足的荷載能力。而一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)如若沒(méi)有冗余度，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全系數(shù)也必然會(huì)很低。這是因?yàn)槿粼谀硞€(gè)時(shí)候整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)某一連接部件被破壞的情況下，就會(huì)另整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生變化，這一情況在美國(guó)某鋼橋出現(xiàn)過(guò)。而一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)有冗余度的情況下，結(jié)果會(huì)大大不同，一般情況下某個(gè)部件被破壞的情況下并不會(huì)影響整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性發(fā)生變化。因此，在實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中為了整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和安全性，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)冗余度，使得整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有不同途徑的多條傳力方式，這也就說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)的承載力大小與橋梁結(jié)構(gòu)體系的荷載與再分配能力的大小有正相關(guān)的關(guān)系。

1．3 冗余度系數(shù)

冗余度系數(shù)一般用R表示，這一情況在橋梁設(shè)計(jì)中得到了體現(xiàn)。在實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)中，會(huì)把橋梁結(jié)構(gòu)分為2個(gè)部分進(jìn)行冗余度的定量計(jì)算分析，通過(guò)分析可以得到整個(gè)橋梁的承載力及再分配能力的大小。R可以通過(guò)公式計(jì)算得出，可為橋梁冗余度的設(shè)計(jì)提供客觀的參考依據(jù)。

2 橋梁各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

橋梁跨長(zhǎng)、曲線半徑、外部橫向連接類型和數(shù)量等等指標(biāo)都是在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中主要使用的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。上述參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)或多或少的對(duì)冗余度產(chǎn)生一定的影響。以下我們將分別對(duì)這幾個(gè)影響因子進(jìn)行分析。

2．1 跨長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

若要不同跨長(zhǎng)的橋梁達(dá)到相同的R值就要使得橋梁外部橫向連接要足夠的多。這一發(fā)現(xiàn)是通過(guò)不斷的實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)的，也就是跨長(zhǎng)實(shí)際不是冗余度的主要決定性影響因素，換言之跨長(zhǎng)這一設(shè)計(jì)參數(shù)在實(shí)際的設(shè)計(jì)冗余度可以考慮的比較少。

2．2 曲線半徑對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

我們以跨徑80m的設(shè)計(jì)橋梁為對(duì)象進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的冗余度系數(shù)會(huì)與曲線半徑之間成正相關(guān)關(guān)系。據(jù)此我們可以得出一個(gè)結(jié)論，跨徑不相同的橋梁曲線半徑會(huì)得出不同的冗余度。這一結(jié)論是建立在對(duì)曲線半徑為150米、200米、250米三個(gè)等級(jí)的曲線半徑與冗余度之間的關(guān)系研究之上。

2．3 外部橫向連接類型對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響

在橋梁設(shè)計(jì)之初，外部橫向連接的類型和實(shí)心橫隔板的鏈接要滿足結(jié)構(gòu)部件全區(qū)服時(shí)滿荷載為最低標(biāo)準(zhǔn)。這也就意味著外部橫向連接的類型和實(shí)心橫隔板的鏈接對(duì)于橋梁系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)參考因素對(duì)橋梁系統(tǒng)的橫向傳力能力會(huì)有很重要的作用。當(dāng)然外部橫向連接類型的不同或者橫隔板的不同對(duì)橋梁冗余度的提升也會(huì)有不同的表現(xiàn)。從橋梁設(shè)計(jì)的安全性和穩(wěn)定性角度出發(fā)，外部橫向連接的類型和實(shí)心橫隔板的鏈接相互之間的最佳搭配才會(huì)形成最可靠的受力系統(tǒng)。此外，需要特別提出的一點(diǎn)是，在某些情況之下，實(shí)心橫隔板要比K形連接對(duì)冗余度的提高更加有效。

2．4 外部橫向連接數(shù)量的影響

理論上，在橋梁收到破壞在損壞的最初階段，混凝土橋面所收到的損壞荷載難以及時(shí)從梁損壞區(qū)域傳遞到最近的橫向連接部位，因此我們可以得出，外部橫向連接的的類型及數(shù)量的多少對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的冗余度有很大的影響。然而在實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不難發(fā)現(xiàn)冗余度的高低與橋梁每一個(gè)跨度中所含有的外部橫向連接的類型及多少有很大關(guān)系。

3 橋梁設(shè)計(jì)冗余度的實(shí)現(xiàn)方法

橋梁設(shè)計(jì)的冗余度大小在于當(dāng)某一個(gè)構(gòu)件受損，橋梁整個(gè)承載力發(fā)生變化其能否及時(shí)的分配對(duì)已經(jīng)施加在其上的荷載，這其中還包括其橫向、縱向分配荷載的能力。橫向縱向分配荷載的能力大小則取決于縱梁特性、橋面板、幾何構(gòu)造、基座出橋梁構(gòu)件的延性等等方面。橋梁荷載的系數(shù)需要從幾個(gè)方面來(lái)分析，一是橋梁設(shè)計(jì)中某個(gè)構(gòu)件是否對(duì)結(jié)構(gòu)安全有實(shí)質(zhì)作用繼而來(lái)區(qū)分其冗余度的是與非。二是某一構(gòu)件的荷載系數(shù)的大小，冗余度好，延展性肯定也好，說(shuō)明荷載系數(shù)要比1小;反之如果某一構(gòu)件的荷載系數(shù)如果要是大于1的情況，說(shuō)明整個(gè)設(shè)計(jì)的冗余度不是很好，其延展性必然會(huì)受到影響。

構(gòu)件的破壞、橋梁極限荷載能力、橋梁受損時(shí)的極限狀態(tài)這幾個(gè)是可以檢驗(yàn)橋梁冗余度和整個(gè)構(gòu)件體系是否安全的狀態(tài)指標(biāo)。我們針對(duì)典型橋梁之外的其他橋梁，也有相對(duì)應(yīng)的分析方法。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)一致，根據(jù)這一原則去分析確定應(yīng)當(dāng)時(shí)間的荷載、檢驗(yàn)完好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。在分析時(shí)還需要兩個(gè)方面的支持，一是冗余度系數(shù)表根據(jù)典型的橋梁系統(tǒng)來(lái)修正得到的構(gòu)件強(qiáng)度。二是利用非線性的結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)具體分析情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展迅速，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展也加大了重視程度，因此也就客觀的對(duì)橋梁的使用壽命及質(zhì)量提出了更高的要求。加之交通工具的發(fā)達(dá)，使得我們必須保證橋梁設(shè)計(jì)本身的穩(wěn)定性、安全性、實(shí)用性及耐久性。在設(shè)計(jì)之初就要充分的考慮到橋梁冗余度的情況，包括要考慮到構(gòu)件的破壞、橋梁極限荷載能力、橋梁受損時(shí)的極限狀態(tài)這幾個(gè)檢驗(yàn)橋梁示范安全的狀態(tài)指標(biāo)。

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