橋梁結構冗余度的評價指標研究

張宏錸+田娟

摘 要：冗余度是結構體系在特定危機事件中的強度儲備，或是意外發生時，保證結構持續履行功能的能力。冗余度更多應該是結構整體的一種對“災難”的承受能力。橋梁結構的冗余度可以借用橋梁結構可靠度的某些參數和指標來描述，而不應該成為結構可靠度的一種貢獻。文章重點介紹了在不同荷載水平下，對橋梁結構冗余度的評估，并提供一種非主觀性的、確定性的評價指標。

關鍵詞：冗余度；結構體系；橋梁結構；評價指標

引言

美國1967年銀橋（Silver Bridge or Point Pleasant Bridge）的垮塌和1983年米阿納斯河橋（Mianus River Bridge）的垮塌事故，對AASHTO規范有很顯著的影響。在1996年AASHTO的首版荷載抗力系數設計法規范中，首次在設計原則中明確提出冗余度的要求。

1 橋梁結構冗余度的定義

橋梁結構的冗余度是指結構在局部破壞的情況下，整體結構繼續承受荷載的能力。更確切一些也可以理解為結構系統的承載能力儲備率（或者稱為強度儲備率）。橋梁結構的局部破壞形式可以是構件或連接突然的脆性破壞，也可以是橋梁局部發生大變形后的延性破壞；破壞的原因可能是嚴重的活載超載、構件的疲勞斷裂、水流沖刷導致地基承載力下降，或是突發事故如車撞、船撞、地震等。

2 橋梁結構的冗余度分析

冗余度分析的主要目的不是判斷橋梁失效在損失一個構件后能否繼續服務，而是研究橋梁系統在失去一個構件后，在相關部門發現損傷并采取處理措施（如關閉交通、維修、重建）之前的這一時間段內，能繼續安全承擔交通荷載的能力。

評估橋梁冗余水平，首先要理解橋梁系統在荷載作用下的響應。橋梁系統的性能可用圖1表示。該圖反映了不同荷載水平下的橋梁的響應，以及橋梁構件安全性、系統安全性、系統冗余評估的相應準則。橋梁響應用臨界截面的最大位移來衡量。

圖1中的A線表示某一完好、延性橋梁系統在不同荷載水平下的最大撓度，“完好系統”指橋梁結構未經受破壞性荷載或事件。

在進行承載能力分析時，最初只考慮橋梁恒載，然后在此基礎上逐級施加瞬載。當瞬載達到LF1時，第一個構件失效，LF1反映構件安全水平。LF1代表結構系統在第一構件達到極限承載能力之前能承受的荷載，可以用實際荷載值衡量，也可以用基本荷載的倍數衡量，如設計貨車荷載的輛數。

通常，荷載達到LF1后，整個橋梁還可繼續承載加載，直到瞬載達到LFu。LFu可衡量橋梁系統安全性。橋梁撓度過大，則其功能性不滿足要求，不宜繼續使用，LFf用來衡量系統功能性，荷載達到此值則橋梁失去功能性。

如果橋梁因一個或多個構件發生了脆性破壞而經受了大的破壞，其行為可用圖1B曲線“受損橋梁”表示。瞬載達到LFd時，受損橋梁達到極限承載能力，LFd衡量受損系統的殘余安全度。

因為冗余的定義是結構在失去一個主要構件后繼續承擔荷載的能力，原始完好橋梁系統和受損橋梁系統的總承載力分別用圖1中的LFu，LFf，LFd衡量。這些值與最關鍵構件的承載力LF1的比值，即是橋梁冗余的度量。研究者將其定義為“系統儲備率”或者“冗余率”，強度極限狀態對應的冗余率表示為Ru，工作極限狀態的冗余率表示為Rf，受損橋梁的冗余率表示為Rd。

冗余率Ru，Rf與Rd為橋梁冗余提供了非主觀的、確定性的評價指標。例如，如果Ru=1，（即Lfu=LF1），橋梁系統的極限承載能力等于橋梁關鍵構件的承載能力，該類橋梁是非冗余橋梁。橋梁冗余水平隨著Ru的增大而增大。

為了檢查橋梁系統是否有足夠的冗余水平，只需利用非線性結構分析軟件計算LFu，LFf，LFd及LF1，以驗證Ru，Rf和Rd是否足夠。如果系統構造不能提供足夠的冗余度，則應改變構造。需要注意的是即使Ru，Rf和Rd低于預期，只要LFu，LFf，LFd及LF1值比較高，橋梁仍可能具備較高的構件、系統安全水平，而有些橋梁雖然冗余水平足夠高，但由于構件安全水平LF1太低，在一些情況下仍然不安全。

因此，橋梁設計規范的目的不是提供足夠的冗余水平，而是保障足夠的系統安全水平。如果橋梁系統的冗余水平低，應提高橋梁構件的安全儲備，即提高LF1，LFu，LFf，和LFd，降低構件失效的概率，更重要的是，降低系統坍塌的概率。

3 結束語

評價構件和系統安全性，需要借助非線性分析方法，計算LF1，LFu，LFf及LFd，看其是否滿足要求。計算橋梁結構冗余度的方法是用3D有限元軟件（如abaqus，midascivil），建立橋梁模型，先計算橋梁在初始（完好）狀態的承載力，然后分析不同破壞工況下橋梁的承載力，通過對比分析，得出橋梁的冗余水平。但是，系統安全與冗余分析需要較高的專業水平，不適用于常規橋梁的常規評估。因此建議針對常見類型橋梁的設計與安全評價，引入系統因子，簡化系統安全與冗余分析，對于冗余水平低不滿足要求的橋梁，提高其構件的安全儲備。

參考文獻

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