橋梁施工臨時結構體系可靠性評估方法

盧平

摘 要：近年來，隨著社會的不斷發(fā)展以及人們生活水平的顯著提高，城市化進程的速度也不斷加快。基于這種時代背景，橋梁工程數(shù)量不斷增多。與此同時，人們對橋梁結構和質量有了更高的要求，致使業(yè)內(nèi)人士對橋梁施工臨時結構體系可靠性引起了重視。作者在文章中就橋梁施工臨時結構體系可靠性評估進行了深入細致地分析和探討。

關鍵詞：橋梁施工；臨時結構體系；可靠性；評估

現(xiàn)階段，在我國橋梁施工中，臨時結構體系以其獨有的優(yōu)勢和特點得到了較為廣泛的應用。臨時結構體系具有較強的可加工性，且重復利用率較高。然而，在該結構的具體應用中，也引發(fā)了一些安全事故。為此，橋梁施工臨時結構體系可靠性評估已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士亟待研究的一項重要課題。

1 橋梁施工臨時結構體系可靠性分析

1.1 臨時結構體系失效模式

如果橋梁臨時結構的抗力以及荷載都服從正態(tài)分布，并且相互獨立，則結構的失效模式與多種因素相關，如結構構造以及材料性質、受力形式等等。我們無法對所有的失效模式一一進行分析，并且各個失效模式對橋梁臨時結構體系可靠度的影響也不一致。現(xiàn)階段，通過串并聯(lián)的方式對體系的失效模式進行判斷受到業(yè)內(nèi)諸多人士的推崇。

橋梁臨時結構體系的構造并不復雜，且耦合度也比較高。在這種情況下，工作人員可以較為精準的預判出橋梁臨時結構體系可能產(chǎn)生的失效行為。據(jù)研究顯示：通過實驗或者數(shù)值仿真等串并聯(lián)失效模型可靠度分析的方式，比較契合已知體系失效行為的橋梁結構[1]。鑒于此，作者在文章中在對橋梁臨時結構構件的受力狀態(tài)和構件間相互作用分析的基礎之上，通過串并聯(lián)模型來明確橋梁臨時結構體系失效模式。

1.2 選擇目標可靠度指標

于構件方面，無論是規(guī)范CHBD，還是AASHTO均采用3.75作為去橋梁構件設計的目標可靠度指標，在橋梁臨時結構中，最好將可靠度指標優(yōu)化到3.5。我國相關方面的標準通過在橋梁結構破壞后帶來的影響對目標可靠度指標進行了合理制定，將目標可靠度指標分為三個等級。在此過程中，延性破壞構件為4.7以及4.2、3.7，脆性破壞構件則有所提高，具體為5.2以及4.7和4.2。我國在體系層方面尚未有明確的規(guī)定。有國外專家認為，在體系可靠度指標為4.5時，橋梁結構是比較安全的[2]。

在橋梁施工過程中，之所以事故頻發(fā)，與臨時結構設計過于經(jīng)濟有很大的關系。為此，一定要適當將橋梁臨時結構的目標可靠度提高。通過對各方面要素的綜合考量，可將橋梁結構體系可靠度指標設為4.2。

2 隨機變量的統(tǒng)計參數(shù)

2.1 抗力的統(tǒng)計參數(shù)

在橋梁施工臨時結構體系中，結構抗力受到多方面因素的影響，有幾何參數(shù)的不定性；材料性能的不定性；計算模式的不定性。文章中主要針對幾何參數(shù)的不定性以及材料性能的不定性進行探討。

目前階段，鋼筋結構以及混凝土結構具有一定離散性，且材料具有一定的不確定性。就這兩點而言，其與鋼結構相比，明顯偏高。然而，分析鋼結構的幾何參數(shù)以及材料性能的不定性也是很有現(xiàn)實意義和價值的。

幾何參數(shù)：對于構件的幾何尺寸變異系數(shù)以及厚度變異系數(shù)，不同的專家所持的觀點不同。有專家認為對于普通加工的鋼構件，可將其平均截面特性變異系數(shù)設為5%，而對于多次重復利用的鋼構件，其截面特性變異系數(shù)可相應有所提升，提升至8%。文章綜合各方面的因素進行考量，在計算中假定結構的截面積有10%的變異。

2.2 荷載統(tǒng)計的參數(shù)

2.2.1 永久荷載

永久荷載包含有兩個層面：一是混凝土重量，二是臨時結構自重。在混凝土澆筑期間，恒載的變異系數(shù)取值是有一定規(guī)律的，其范圍主要在0.08-0.10之間。也有專家認為，變異系數(shù)的取值應為0.05。對此，不同專家的觀點不一而足。就目前施工質量的控制情況來看，混凝土的自重偏差系數(shù)和變異系數(shù)應分別取為1.00和0.05，與高斯分布相契合[2]。通過截面的變異可以使臨時結構的自重變異得以實現(xiàn)。

2.2.2 可變荷載

在橋梁工程施工過程中，可變荷載的取值是混凝土澆筑完成后所對應的荷載值。在橋梁施工中，臨時結構承受豎向荷載以及風載等橫向荷載。尤其是于跨海跨江的大橋工程施工過程中，風荷載比較大。鑒于此，在具體進行計算時，宜對橫向的風荷載進行充分考慮，且應將施工地數(shù)十年乃至百年一遇的風壓值考慮進來，但對風壓的變異性可不予考慮。

2.2.3 人為因素的差錯的統(tǒng)計參數(shù)

橋梁施工臨時結構在安裝以及移動時，之所以會出現(xiàn)結構整體失效的狀況，多半是由人為因素造成的。為此，在橋梁臨時結構體系可靠性分析過程中，一定要將人為因素充分考慮進來，對其進行量化。然而，目前階段，和人為因素有關的差錯的統(tǒng)計資料非常少。經(jīng)過周密分析和計算，可以假定全部人為因素造成的差錯只對橋梁施工臨時結構抗力分布的期望值產(chǎn)生影響，對分布的離散性無影響。與此同時，可以假定全部受到人為因素的差錯的影響的工作被全面細致地檢查兩次。

3 算例的具體分析

3.1 工程基本概況

在對橋梁施工臨時結構體系可靠性評估的過程中，可以一三跨預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁矮塔斜拉橋為例。該工程的最大懸澆節(jié)段箱梁的高度和長度分別為5.173米和5.000米，工程的混凝土方量為68.7立方米，通過對稱懸臂的方式進行施工，在此過程中，每一節(jié)段的混凝土要一次性澆筑完。該橋梁箱懸臂施工所采用的是自錨式三角掛籃，構件為Q235型鋼，立柱和主縱梁部分選用的是Q345的鋼銷連接[3]。

3.2 體系失效的模式

掛籃失效行為的產(chǎn)生，主要與以下幾方面原因相關：（1）掛籃傾覆或者墜落。（2）掛籃的部分桿件失效。以上是造成掛籃失效的兩種最主要的原因。文章在充分研究三角掛籃失效資料的基礎上，對掛籃可能失效的情況進行明確，并查找出可能的原因，具體有如下幾種：（1）掛籃因傾覆而失效，通常與后錨失效有很大關系。（2）主縱梁或者立柱、后拉桿等構件失效。（3）四個橫梁失效。（4）單根吊帶或者相鄰、非相鄰的吊帶失效。

通過對造成吊籃失效的原因進行綜合分析，有針對性的明確計算工況，并通過有限元對本算例掛籃有效計算，將有限元的計算結果和串并聯(lián)模型相結合，可以明確該掛籃可能的失效模式。在具體進行計算的過程中，通過從屬面積的方式，將混凝土節(jié)段自重和施工可變荷載施加到底板小縱梁，將風荷載分攤到掛籃主桁架上。通過周密的分析和計算，該三角掛籃的失效模式具體變現(xiàn)如下：（1）就桁架子體系而言，一定要確保三榀桁架的有效性，因為其中任一環(huán)節(jié)或構件失效，都會致使掛籃體系失效。鑒于此，宜使各榀桁架為串聯(lián)關系。在這種情況下，只有主縱梁產(chǎn)生失效，才會發(fā)生榀桁架失效的狀況。（2）在吊帶子體系中，如果發(fā)生相鄰兩吊帶失效的狀況，便會導致吊帶子體系失效，并進一步致使掛籃體系失效。在這種情況下，可將吊帶子體系的失效模式看作相連吊帶并聯(lián)的失效模式。（3）如果部分構件和后錨、連接中任一環(huán)節(jié)或者構件失效，便會發(fā)生掛籃體系失效的現(xiàn)象。鑒于此，這一部分的失效模式都應串聯(lián)[4]。綜合以上現(xiàn)象進行分析，掛籃結構的失效模式可看作是桁架以及橫梁、吊帶等的串聯(lián)失效模式。圖1是三角掛籃模式失效圖。

3.3 結果分析

3.3.1 構件層次分析

綜合分析構件的受力形式，在此基礎之上，明確對應的破壞模式，并且采用行之有效的抽樣法計算出各構件的可靠度指標。通過計算結果，可以得出以下結論：（1）在具體施工過程中，掛籃的前斜撐可靠度的指標最低，說明掛籃符合相關要求，且安全儲備性較強。（2）相比其它構建，上橫梁的可靠度指標較高，鑒于此，可適當將該構件更換為較小截面積的構件。（3）風荷載在絕大多數(shù)情況下對構件的可靠性指標的影響都不大，主要是因為相比橫向荷載，同豎向荷載過小。

3.3.2 體系層次分析

對掛籃體系進行可靠度計算分析的結果如下：（1）掛籃體系可靠度指標比最小子體系可靠度指標小，之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，主要是因為掛籃體系的失效模式的構成所致。（2）在考慮和不考慮人因差錯和風荷載的情況下，掛籃體系的可靠度指標表現(xiàn)出一定程度的不同，說明該掛籃較安全。（3）相比其它子體系，后錨子體系的可靠度指標明顯偏高，但綜合考慮，不建議對后錨部分進行調整。

4 結束語

終上所述，在對橋梁施工臨時結構的失效模式進行判定的過程中，有限單元計算和串并聯(lián)失效模型相結合的方式非常有效。同時，通過體系可靠度來評估橋梁施工臨時結構的安全性，可以使在施工過程中產(chǎn)生的一些問題得到很好的解決。鑒于此，橋梁施工的永久荷載取值和變異參數(shù)、可變荷載均值、變異系數(shù)宜分別取1.0、0.05、0.3倍名義值、0.7，此外，在分析臨時結構的可靠度時，一定要充分考慮人因差錯。通過以上措施，可以提升橋梁施工臨時結構體系的可靠性，使橋梁工程更好地服務于新時期的發(fā)展需要。

參考文獻

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