探究橋梁設計的冗余度

寧森全

[摘 要]設計人員在對橋梁進行設計的過程中，為了保證橋梁整體結構的安全性和穩固性，對冗余度的運用越來越注重，他們通過將橋梁的斷裂和破壞模式與冗余度聯系起來進行分析，確定了橋梁抵抗一般結構損壞力的能力。本文主要通過分析美國鋼橋和俄亥俄州I-275四跨連續鋼板梁橋為例，首先對冗余度的定義以及其在橋梁結構體系中的內在意義，其次簡要的介紹了冗余系數與橋梁各設計參數的關系，最后針對橋梁結構的冗余度設計提出了幾點合理化建議。

[關鍵詞]橋梁設計；冗余度；安全性；鋼橋； 疲勞斷裂

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）26-0029-01

1 冗余度以及其在橋梁設計中的內在意義

1.1 冗余度的定義及內涵

通過媒體報刊的報道，分析美國鋼橋和俄亥俄州I-275四跨連續鋼板梁橋的破壞過程，不難發現在I-275四跨連續鋼板梁橋中，即使出現了局部的橋墩破壞橋體仍然還可以保持穩定約十分鐘，而美國鋼橋則是突然地結構失穩而塌裂，產生這一現象的主要原因眾說紛紜，盡管有學者分析指出了其產生原因的多樣性，但歸根結底起關鍵作用的是結構體系的冗余度。而關于冗余度，通常我們在結構設計過程中，往往會將其與與超靜定次數混用，這主要是在計算機技術還沒普及到結構設計之前，為了可以求解靜力平衡方程，一般會保證靜定結構的自由度數目與靜力平衡方程數目相同，而實際的工程設計中，往往會存在結構支座約束反力的未知個數超過平衡方程的個數的情況，即結構的約束多于結構的自由度，即是我們常稱的超靜定結構。而一般情況下，在結構設計中，我們把超靜定結構中多余的約束稱作冗余度。正是由于存在這些多余約束，也就可以保證結構在部分約束或連接失效后，仍然可以保證在一定時間內保持結構的整體穩固性。也就是說，冗余度是作為一種強度儲備或者承載能力儲備而存在的，使得其可以在橋梁結構局部發生破壞的情況下，整體結構還能夠承受相應的荷載，在一定時間內保持其整體性。

1.2 橋梁結構體系的冗余度

橋梁結構往往是作為一個結構體系被用來研究的，其將不同功能的構件有效連接形成結構受力系統，保證其擁有足夠的承載能力。而冗余度在橋梁結構體系中也具有重要的意義。對于沒有冗余度的結構體系，往往安全系數較低，因為一旦發生構件或連接的破壞，以美國鋼橋為例，就會使得結構整體失穩而破壞。而對于有冗余度的結構來說，以俄亥俄州I-275四跨連續鋼板梁橋為例，一般的單一構件的破壞不會死的結構整體失穩。在實際的橋梁工程設計中，為了保證結構的穩定性一般都會設置一定的冗余度，保證結構體系具備多重傳力途徑。橋梁結構體系承載能力的儲備率的大小主要取決于結構體系的荷載再分配能力。

1.3 冗余度系數

在橋梁設計規范中，一般用ηR表示結構的冗余度系數。在實際的公路橋設計過程中，一般會將橋梁結構合理的分為上下兩個結構單元，結合相應的可靠度指標，對其進行冗余度的定量分析，從而得到特定橋梁的度儲備率，另外，通過相應的公式計算得到冗余度系數ηR的參考取值，以此為橋梁冗余度的設計提供參考依據。以下主要是根據實際的工程案例分析得到的關于簡支梁的數據圖解，通過整理，得到如圖所示：

冗余度系數與主梁總數和主梁間距之間的關系

依據上圖不難發現，當主梁間距不變時，結構冗余度系數隨著主梁數的增加而增大，但是當主梁數大于6之后，結構冗余度系數受到主梁總數影響就非常小了。除此之外，當主梁總數一定時，結構冗余度系數隨著梁間距的增大而逐漸減小。

2 橋梁各設計參數對結構冗余度的影響

在橋梁設計中，通常使用較多的結構設計參數主要有橋梁跨長、曲線半徑、外部橫向連接類型和數量等，這些設計參數或多或少都對結構的冗余度產生了一定的影響，以下將分別研究其影響的大小及差異。

2.1 跨長對結構冗余度的影響

通過實際研究發現，跨長不是冗余度決定性的設計參數，這主要是體現在當外部橫向連接足夠多的時候，可以使得不同跨長的橋梁達到相同的冗余度Rd值。換句話說，就是橋梁跨長對結構冗余度的影響相對比較小。

2.2 曲線半徑對結構冗余度的影響

研究中針對曲線半徑分別為100m、200m和300m，通過比較3種不同級別的曲線半徑對冗余度的影響，對結構進行了合理的研究分析，從而得出在不同跨徑橋梁曲線半徑會產生不同的冗余度變化。以跨徑為70米的橋梁為例，結構冗余度系數會隨著曲線半徑增加而不斷增加。

2.3 外部橫向連接類型對結構冗余度的影響

永久性外部橫向連接或橫隔板的設計對于結構的穩定性和安全性質至關重要的，它主要起到保證橋梁系統的橫向傳遞能力。在設計時，外部橫向連接和心橫隔板的連接設計必須適宜連接構件全屈服時的荷載狀態。不同類型的外部橫向連接或橫隔板可以起到對冗余度提升的作用，他們之間也會相互影響，使得橋梁系統獲得最優化的受力系統，從而保證橋梁的安全性和穩固性。另外，需要特別指出的是，在特定環境下，實心橫隔板比K形連接的冗余度更高。

2.4 外部橫向連接數量的影響

橋梁發生損壞的初期，混凝土橋面很難及時將荷載從梁損壞區域擴展到就近的橫向連接部位，不難得到外部橫向連接的數量對橋梁冗余度有較大的影響。在實際的工程設計中，會發現這樣一個規律：當橋梁每一跨所包括的外部橫向連接數量越多，相應的其冗余度越高。

3 關于橋梁結構冗余度的優化設計

對于橋梁結構體系的冗余度的優化設計，我們需要堅持的原則有以下三點：第一是在實際的橋梁設計中，必須結合當地的實際地質情況，制定符合當地冗余度要求的結構設計；第二是在橋梁設計中，應該盡可能的利用連續性整體性強的結構體系和模式，從而保證橋梁的安全性；第三是針對目前建設比較多的特大跨度橋梁，在設計階段應該對關鍵構件設置足夠的傳力途徑，以保證整體的穩定性。我們需要指出的是冗余度的設計只是用以在橋梁發生不可抗力破壞時保證結構持續履行功能的能力，不能作為橋梁的可靠度設計的指標，在結構體中，構件自身的冗余度、與外部邊界條件相關的冗余度，以及承載途徑的冗余度彼此相互依托、共同存在于結構體系中。建議在規范中，根據橋梁的特定使用功能，具體制定針對特殊事件的冗余度要求。在橋梁設計中，針對不同的地質狀況，對不同路段制定相應的橋梁結構體系的冗余度設計。除此之外，在我國目前橋梁設計中，比較頻繁的出現大跨度橋梁，這就需要我們采用三維有限元分析結構受力情況，找出設計中存在的不足和缺陷，優化結構的冗余度設計，避免出現本可避免的安全事故隱患。

結束語

隨著我們對于橋梁使用的質量和使用年限有了更高的要求，加上我國經濟發展帶來的交通繁榮，使得我們必須保證橋梁設計的穩定性、安全性以及耐久性。本文針對橋梁設計過程中比較重要的冗余度設計，做了簡單的分析和探究，并針對相應情境下的冗余度設計提出了相應的優化目標，并指出了橋梁冗余度設計的基本原則，期望本文的研究可以為今后類似的橋梁工程的設計提供一定的參照依據。

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