橋梁設(shè)計(jì)中冗余度以及安全性問題的探討

何玉柱

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)迎來了新的高峰，交通量與日俱增，許多橋梁修建因?yàn)闅v史比較久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)方面存在一些薄弱環(huán)節(jié)，很難滿足當(dāng)今社會(huì)交通行業(yè)的實(shí)際需求。再加上交通荷載量的增加，對(duì)橋梁本身的穩(wěn)定性以及耐久性有著很高的要求，在這樣的背景下，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就變得尤為重要，其中冗余度問題是關(guān)鍵。

1 冗余度的基本定義

關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)安全問題，冗余度在一定程度上起到?jīng)Q定作用，和整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在直接聯(lián)系，當(dāng)橋梁的局部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞危險(xiǎn)時(shí)，橋梁負(fù)荷載能力處于自身可以承擔(dān)的范圍，在一定范圍內(nèi)可以保持受荷載能力不發(fā)生變化，這種能力就是冗余度。

冗余度說白了就是和系統(tǒng)行為存在直接聯(lián)系，通常情況下，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最初階段，橋梁設(shè)計(jì)者就應(yīng)該將冗余度考慮進(jìn)去，這樣估算橋梁的有效荷載能力時(shí)，才更加科學(xué)和準(zhǔn)確。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者還是比較習(xí)慣和超靜定次數(shù)搭配使用，這是一種較為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段，主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域還沒有完全普及。系統(tǒng)系數(shù)主要是指構(gòu)件承載力的乘數(shù)，和橋梁體系的冗余度有著密切聯(lián)系，還和荷載能力存在關(guān)系。在橋梁設(shè)計(jì)階段，為了可以準(zhǔn)確計(jì)算出整個(gè)橋梁系統(tǒng)的靜力平衡參數(shù)，常用的方法是實(shí)現(xiàn)自由度數(shù)參數(shù)與靜力平衡參數(shù)的高度統(tǒng)一［1]。

2 橋梁設(shè)計(jì)中的冗余度以及安全性分析

冗余度在橋梁設(shè)計(jì)中可以直接反映出橋梁的穩(wěn)定性以及建設(shè)質(zhì)量，橋梁結(jié)構(gòu)存在不同的類型，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計(jì)要區(qū)分對(duì)待，找到最理想方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。什么是最佳設(shè)計(jì)？就是要確保每個(gè)構(gòu)件在力學(xué)連接之后，可以增強(qiáng)整個(gè)橋梁系統(tǒng)的負(fù)載能力，使橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以滿足橋梁建設(shè)的實(shí)際需求。如果在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，橋梁結(jié)構(gòu)完全忽視了冗余度，沒有進(jìn)行冗余度的相關(guān)設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)的安全性能必然會(huì)有所下降，影響橋梁的建設(shè)質(zhì)量和使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，如果橋梁系統(tǒng)中一個(gè)連接構(gòu)件出現(xiàn)問題，都會(huì)降低橋梁的整體穩(wěn)定性，引發(fā)安全事故。但是如果將冗余度考慮了進(jìn)去，并且進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一旦構(gòu)件受到破壞，橋梁系統(tǒng)也依然可以保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，正常運(yùn)行下去，整體穩(wěn)定性并不會(huì)受到影響。一個(gè)合理科學(xué)的冗余度，可以確保橋梁系統(tǒng)具備多條傳力途徑以及方式［2]。

在橋梁矩陣形式中，存在兩個(gè)主要的變數(shù)，一個(gè)是橋梁的間距；另一個(gè)是橋梁的數(shù)目，主要是用于跨徑的修正。而對(duì)于其他形式的結(jié)構(gòu)冗余度，技術(shù)人員可以借助有限元程序來進(jìn)行檢驗(yàn)。與此同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常常會(huì)遇到冗余度無法用上述標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的情況，當(dāng)遇到這樣的情況時(shí)，就需要在設(shè)計(jì)開始對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)要做到精確和中規(guī)中矩。整個(gè)橋梁系統(tǒng)是一個(gè)整體，由許多的部件組成，每個(gè)部件在橋梁系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要的作用，有各自的功能。就目前的情況來看，橋梁設(shè)計(jì)比較側(cè)重對(duì)某一構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種方法忽視了整體性，橋梁整個(gè)系統(tǒng)的功能沒有完全發(fā)揮出來。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 冗余度劃分

現(xiàn)階段，在工程實(shí)踐中，關(guān)于冗余度的理解是當(dāng)結(jié)構(gòu)體系具備合理的冗余度，那么就代表結(jié)構(gòu)具備多重傳力方式。當(dāng)系統(tǒng)中的任意一個(gè)或者是多個(gè)連接構(gòu)件被外力損壞后，橋梁結(jié)構(gòu)依然可以保持一定的穩(wěn)定性，并在科學(xué)的范圍內(nèi)繼續(xù)擔(dān)任承載任務(wù)。這種儲(chǔ)備承載能力的方式，主要依賴于結(jié)構(gòu)體系關(guān)于荷載再分配的實(shí)際能力。參照荷載再分配的不同，可以將冗余度劃分成3類：第一種，構(gòu)件自身就有的冗余度。這一類冗余度主要是指即使某一構(gòu)件突然失效，也不會(huì)影響其他構(gòu)件，產(chǎn)生失效的連鎖反應(yīng)。例如：當(dāng)某一構(gòu)件發(fā)生開裂時(shí)，這種開裂不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，延伸到另一構(gòu)件。第二種，結(jié)構(gòu)的冗余度。這一類冗余度主要表現(xiàn)為荷載再分配。在實(shí)際橋梁施工中，連續(xù)梁以及剛性節(jié)點(diǎn)剛架都屬于此類。第三種，傳力途徑冗余度。這一類冗余度可以將其定義為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)冗余度。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑并不是單一的，擁有內(nèi)力重新分布的功能，這種功能的價(jià)值主要體現(xiàn)在應(yīng)對(duì)構(gòu)件失效上。例如：同一跨徑只有一片主梁的梁橋就基本上判定為不具備冗余度，主要是因?yàn)楫?dāng)并行分布的兩片主梁有一片失效時(shí)，結(jié)合梁橋構(gòu)造形式，此時(shí)的荷載可以有效轉(zhuǎn)移到另一片梁的機(jī)會(huì)不大，另一片梁起不到什么作用。

3.2 荷載分配途徑

針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)來說，關(guān)于荷載的再分配主要存在兩條潛在途徑，一種是橫向分配；另一種是縱向分配。其中橫向分配程度完全由縱向構(gòu)件的受力特性決定，例如：橋面板、構(gòu)件間的連接等。決定橋梁系統(tǒng)冗余度的特性有：主梁數(shù)量（在橫向布置的）、主梁間距、跨度數(shù)和跨長等［3]。荷載實(shí)現(xiàn)縱向再分配主要由構(gòu)件變形能力決定，這一特點(diǎn)主要體現(xiàn)在多跨連續(xù)梁中。與橋梁上部結(jié)構(gòu)的原理相同，橋梁下部結(jié)構(gòu)也是完全由豎向荷載進(jìn)行控制。例如：獨(dú)柱墩和雙柱墩相比，在承受豎向荷載方面有著相同強(qiáng)度，但是在抵抗橫向荷載或者是傾覆方面，雙柱墩效果顯然更明顯。綜上可以得出，雙柱墩具有的冗余度要優(yōu)于獨(dú)柱墩。

3.3 老橋基礎(chǔ)利用

在設(shè)計(jì)城市高架橋梁時(shí)，要考慮遠(yuǎn)期規(guī)劃要求，在預(yù)留高架接口或者遠(yuǎn)期高架主線接長的橋位處，橋梁構(gòu)造要求適宜的冗余度，例如在市政高架橋梁上部結(jié)構(gòu)改造或頂升時(shí)，保留原有橋墩基礎(chǔ)，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，橋墩要富余的截面尺寸和承載力。

在老橋改造加固的時(shí)候，需要將整個(gè)縱斷面抬高，進(jìn)行橋面鋪裝加厚，通過鋪裝加厚的方法可以在一定程度上增大主梁高度，從根本上改善荷載橫向分布情況，提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，無論是整體荷載能力還是單梁承載能力都可以得到明顯的提升。在恒載增加的情況下，由于橋梁有冗余度，所以在實(shí)際施工中就要滿足主梁的要求，又要滿足基礎(chǔ)的要求。

3.4 橋梁拼寬

目前，雙向四車道和雙向六車道比較常見，因此在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮高速公路遠(yuǎn)期拓寬的需要，現(xiàn)階段橋梁設(shè)計(jì)不僅要滿足遠(yuǎn)期橋梁拼寬的需要，還要有適宜的冗余度，滿足老橋拼寬及改造時(shí)荷載增加，如橋梁縱坡調(diào)整，鋪裝加厚導(dǎo)致的恒載加大，以及新建拼寬橋?qū)蠘虻挠绊憽?/p>

在老橋拼寬工程中，通過優(yōu)化冗余度設(shè)計(jì)，來提升拼寬工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也是十分常見的。針對(duì)寬拼接橋，當(dāng)拼接部分大于5m時(shí)，拼接部分主要為獨(dú)立受力模式，拼接原則是上部構(gòu)造要進(jìn)行弱連接，而下部構(gòu)造要盡可能不連接。針對(duì)窄拼接橋，拼接部分無法獨(dú)立受力或者是受力性能不佳，在這樣的情況下需要與原結(jié)構(gòu)一起共同受力，在拼接原則上要秉持上部構(gòu)造強(qiáng)連接的方法。介于二者之間的，可結(jié)合實(shí)際情況靈活選擇拼接方式。

4 注意事項(xiàng)

首先，冗余度是一種結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度儲(chǔ)備，在特定事件中發(fā)揮重要作用，或是當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，冗余度可以保證結(jié)構(gòu)持續(xù)運(yùn)行的能力，冗余度可以通過橋梁結(jié)構(gòu)可靠系數(shù)和指標(biāo)來進(jìn)行描述，而不應(yīng)該將其變成結(jié)構(gòu)可靠度的貢獻(xiàn)［4]。

其次，在橋梁結(jié)構(gòu)體系中，連接構(gòu)件自帶的冗余度和外部邊界相關(guān)的冗余度，或者是承載途徑冗余度，這三種冗余度往往是共同存在的，并且三者之間是相互依托的關(guān)系。例如：多重承載途徑想要實(shí)現(xiàn)需要借助科學(xué)的橫向聯(lián)結(jié)系，也就是結(jié)構(gòu)冗余度才可以實(shí)現(xiàn)。

最后，針對(duì)大跨度橋梁，一般建議采取三維有限元分析的方法，并運(yùn)用逐步迭代方式，對(duì)連鎖破壞模式進(jìn)行追蹤，找出結(jié)構(gòu)體系中現(xiàn)存的“短板”構(gòu)件，從而進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、制造環(huán)節(jié)、架設(shè)環(huán)節(jié)和養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)等各個(gè)環(huán)節(jié)避免事故隱患。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著橋梁工程的增多，將冗余度充分考慮到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以極大限度提高結(jié)構(gòu)的安全性以及耐久性，是當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀要求。社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)于橋梁使用年限和建設(shè)質(zhì)量有了更加嚴(yán)格的要求，再加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)了交通繁榮，促使橋梁工程一定要從源頭保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，將橋梁建設(shè)推向一個(gè)新高度。