橋梁結構的可靠度分析

摘要：本文根據相關文獻及資料，通過結構可靠度理論研究的歷史和橋梁結構可靠度理論研究現狀及應用簡例，工程結構可靠度發展趨勢等方面對可靠度理論在橋梁結構中的應用進行了綜述。按照中國《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004），分析了預應力混凝土簡支梁橋的可靠度指標。得出結論：中國公路橋梁設計規范的目標可靠度指標處于國際較高水平。

關鍵詞：可靠度；簡支梁橋；設計規范

一、結構可靠度理論

結構可靠性理論的產生，是在20世紀初期把概率論及數理統計學應用在結構安全度上，但發展初期研究學者較少。1991年匈牙利布達佩斯的卡欽奇就是提出用統計數學的方法研究荷載及材料強度問題；1926年德國的邁耶最早提出應用概率理論分析結構安全，即基于隨機變量均值和方差的設計方法；1926—1929年前蘇聯的哈奇諾夫和馬耶羅夫制定了概率的設計方法，但未能實施；弗羅伊登徹爾提出的在隨機荷載作用下結構安全度基本問題首次被工程界贊同，并在1947年發表了《結構安全度》奠定了結構可靠性的理論基礎。

（一）橋梁結構的可靠性研究內容

結構設計要解決的根本問題是：在安全適用與經濟合理之間選擇一種合理的平衡，力求以最經濟的途徑，使建造的結構滿足下列各項預定功能要求：①正常施工和使用時，結構能承受可能出現的各種作用，在設計規定的偶然事件發生時和發生后，結構能夠保持必需的整體穩定性；②在正常使用時，結構具有良好的工作性能，不會產生過大的裂縫和變形；③在正常維護下，結構具有足夠的耐久性能，不會過早地發生破壞。在上述功能要求中，第一項關系到人身安全，因此稱其為結構的安全性；第二項關系到結構的適用性；第三項關系到結構的耐久性。安全性、適用性和耐久性總稱為結構的可靠性。結構可靠性的數值度量用可靠度，其安全性的數值度量則用安全度。靜態和瞬態動載作用下結構可靠性研究的重點是結構的安全問題，循環荷載作用下結構可靠性研究的重點通常是結構的耐久性問題。橋梁可靠性設計研究內容是：在結構承受外荷載和結構抗力的統計特征已知的條件下，根據規定的目標可靠指標，選擇結構（構件）截面幾何參數，使結構在規定的時間內，在規定的條件下，保證其可靠性不低于預先給定的值。可靠性的數量描述一般用可靠性。我國對結構可靠性的研究只限于理論方面，且側重于可靠性設計方面，對結構耐久性方面的研究，特別是對耐久性評估理論的研究還很落后。

二、國內外工程結構可靠度理論應用現狀

1970——1980年間，結構可靠度理論不斷完善并被各國規范、標準相繼采用。林德根據康奈爾的可靠指標，推證出一整套荷載和抗力安全系數，使可靠度分析與實際易行的設計方法聯系起來。德國的拉克維茨和菲斯勒，對基本變量為非正態分布情況提出了一種等價正態變量求法，這種方法經過系統改進之后，作為結構安全度聯合委員會（JCSS）的文件附錄推薦給土木工程界。該方法也被許多國家所采納，我國的《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001）也是以該方法作為可靠度校準的基礎。近年來，我國公路橋梁事故頻發，相比之下，美國和歐洲的公路橋梁發生事故較少，我國鐵路橋梁也未曾發生過重大事故。這一事實使得對比研究中、美、歐公路橋梁以及相關行業設計規范的可靠度水平十分有意義。2010年4月起，交通部公路規劃設計院主持了《公路工程結構可靠性設計統一標準》的修編工作。本文的研究作為該項目專題研究的一部分，其目的是對比中美歐公路橋梁設計規范以及我國鐵路橋梁設計規范的可靠度水平，以期對編寫《公路工程結構可靠性設計統一標準》有所幫助。預應力混凝土橋是目前采用最為廣泛的橋梁類型，在建橋梁中50%以上均為該種橋型。相比于其他橋梁類型，預應力混凝土橋設計方法成熟，耐久性能良好目后期維護較少。預應力混凝土橋梁的可靠性設計要滿足承載能力極限狀態和使用階段極限狀態。

三、可靠度理論在橋梁結構中的應用現狀

在結構設計中，結構的安全性、適用性和耐久性是采用功能極限狀態作為判別條件。我國新編的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62-2004）是按慨率極限狀態設計法編寫的，這一理論基礎即為可靠度理論。之前，我國橋梁結構設計由長期沿用的、不甚合理的“定值設計法”轉變為“概率極限狀態設計法”，即在度量結構可靠性上由經驗方法轉變為運用統計數學的方法，這無疑是設計思想和設計理論的一大進步，使結構設計更符合實際情況。但近年來，國內大橋坍塌或局部破壞事故時有發生，這也給人們一個警示：繼續深人對橋梁結構可靠度進行研究非常必要。

四、工程結構可靠度理論研究發展趨勢

20世紀80年代，結構系統的可靠度理論研究工作已經逐漸成為結構工程中的研究熱點，關于復雜的結構系統可靠度分析和更為先進的計算方法發展迅速。目前的研究熱點有：

（1）結構系統的可靠度分析，系統可靠度分析研究內容豐富，難度較大。

（2）對結構極限狀態分析的改進，除考慮強度極限狀態外，還應考慮結構的正常使用極限狀態、破壞安全極限狀態。

（3）目標可靠度的量化問題。

（4）在役結構的可靠度評估與維修決策問題

（5）模糊隨機可靠度的研究。

五、結束語

要解決橋梁工程問題需要理論與工程經驗的結合，通過應用更多的知識理論的到更為合理的橋梁結構，是橋梁工程技術研究追求的方向。橋梁結構可靠度理論內容極其豐富且復雜，不僅僅需要在理論上解決許多重大問題，而且在將其應用到橋梁結構設計、評估及維修決策之中時仍有許多細節工作需要完善。

參考文獻：

[1]張樹仁.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（JTGD62-2004）學習與應用講評.哈爾濱工業大學，2004.

[2]鄒天一.結構可靠度、人民交通出版社，1998.

[3]張建仁，張起森。公路工程結構可靠度理論及其應用.人民交通出版社，1995.

[4]李鐵夫.鐵路橋梁可靠度設計[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[5]李鐵夫，周孝賢.我國常用的結構可靠性評估[R].北京：鐵道部第三勘測設計院，1987.

作者簡介：

李云飛（1997.8.17.-），男，漢族，河南省三門峽市，身份證號：411224199708179019，本科生，研究方向：水利水電工程