公路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)可靠度理論的應(yīng)用研究

摘 要：中國交通基礎(chǔ)設(shè)施正處于向建設(shè)運營轉(zhuǎn)型的重要階段。一方面，大量新技術(shù)和新材料被廣泛應(yīng)用于路橋工程中，提高公路橋梁的安全性和耐久性。另一方面，正確分析和探討公路橋梁設(shè)計中存在的問題并不斷改進，也給相關(guān)設(shè)計人員提出新的要求。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多道路和橋梁因結(jié)構(gòu)損壞而遭受嚴(yán)重的安全事故，不利于道路的穩(wěn)定運行。做好公路橋梁設(shè)計是非常有必要的，實踐證明，在公路橋梁設(shè)計中采用結(jié)構(gòu)可靠性理論，可以有效提高設(shè)計可靠性，使橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計更加實用、經(jīng)濟和安全。文章的研究主要針對基于結(jié)構(gòu)可靠性的公路橋梁設(shè)計中的常見問題，提出一些可行的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：公路橋梁設(shè)計;結(jié)構(gòu)可靠度理論;應(yīng)用研究

一、 公路橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)可靠度理論

（一）結(jié)構(gòu)可靠度內(nèi)涵

結(jié)構(gòu)可靠度在航空、機械、土木工程等領(lǐng)域中非常常見，設(shè)計人員在設(shè)計階段通常需要考慮其可靠性，尤其是疲勞可靠性，并通過相關(guān)的公式計算設(shè)計結(jié)構(gòu)或部件的可靠度?？煽慷仁潜硎臼Ц怕实囊粋€量?？煽慷仍礁撸Ц怕试降?，反之則越高，可靠度可以直接讓設(shè)計者知道結(jié)構(gòu)的失效概率，從而做好設(shè)計的優(yōu)化。結(jié)構(gòu)可靠度的概率度量定義為在規(guī)定的條件（不考慮人為錯誤或過失因素，結(jié)構(gòu)正常設(shè)計、正常施工和正常使用的條件下實驗）和規(guī)定的時間（考慮各種基本變量與時間的關(guān)系所采用的基準(zhǔn)時間）之下，完成預(yù)定的功能存在的概率。

（二）結(jié)構(gòu)可靠度公式

一般情況下路橋工程的結(jié)構(gòu)可靠度可歸納為兩個綜合度量值，

Z=G（R，S）=R-S（1）;

其中：S——荷載效應(yīng);R——抗力。

若求得的Z大于0，則說明路橋結(jié)構(gòu)可靠;如果Z=0，則說明路橋結(jié)構(gòu)處于一種極限的狀態(tài)，而Z小于0的現(xiàn)象則需要盡可能避免。

（三）結(jié)構(gòu)可靠度度量標(biāo)準(zhǔn)

通常情況下公路橋梁工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的概率設(shè)計和經(jīng)驗安全系數(shù)設(shè)計，目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢正逐步從經(jīng)驗安全系數(shù)設(shè)計方法向概率設(shè)計方法轉(zhuǎn)變。根據(jù)發(fā)展階段和精確度劃分為三個水準(zhǔn)：水準(zhǔn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，分別代表半概率、近似概率和全概率。目前中國的《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等文件用的就是近似概率來度量結(jié)構(gòu)的可靠程度。《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，公路橋梁結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠性指標(biāo)如下：（1）延伸破壞，一、二、三級指標(biāo)分別為4.7、4.2、3.7;（2）脆性破壞，一、二、三級指標(biāo)分別為45.2、4.7、4.2。同時降低或提高一個安全等級，可靠性指標(biāo)會變化0.5。

二、 應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠度理論提升公路橋梁設(shè)計質(zhì)量的策略分析

（一）基于荷載特點分析的結(jié)構(gòu)可靠性評價

不用的可變荷載和統(tǒng)計參數(shù)都有不同概率分布，故而根據(jù)中心極限定理，公路橋梁工程的結(jié)構(gòu)抗力是正態(tài)分布，在實際的檢驗中會采用中心點法來計算結(jié)構(gòu)可靠度，但是這種方式最大的劣勢在于，其不適用與曲墻式的是隧道荷載計算，結(jié)合隨機有限元法分析精讀不夠，所以現(xiàn)在比較常用的優(yōu)化后的二次二階矩法計算。

（二）基于構(gòu)件抗力統(tǒng)計下的結(jié)構(gòu)可靠性評價

構(gòu)件對抗力的概率統(tǒng)計分析可以更好地了解結(jié)構(gòu)所能承受的荷載最大值，從而得到結(jié)構(gòu)可靠度與構(gòu)件對抗力之間的關(guān)系。這種方式之下的結(jié)構(gòu)可靠度分析采用的是間接的統(tǒng)計評價，通過各種因素的統(tǒng)計參與推導(dǎo)出要求的構(gòu)建對抗力參數(shù)，這種方法需要考慮到材料的性能、計算模型的不定性，才能得出更加準(zhǔn)確的方案。

三、 公路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)可靠度計算的影響因素

（一）公路橋梁工程構(gòu)件材料性能的不同

對于不同的建設(shè)項目和不同的工廠生產(chǎn)出來的構(gòu)件，由于生產(chǎn)技術(shù)和管理水平的不同，即使是同一批次同一等級的構(gòu)件材料，其性能差異也可能是非常明顯的。材料的不均勻性在材料生產(chǎn)過程中形成不可避免。而所有的結(jié)構(gòu)材料都由不同的成分的構(gòu)件組成。各種成分比例的隨機差異將不可避免地導(dǎo)致材料性能的不一致，因此在計算的時候能得出的也只是一個大體的估計值，如果這一批材料中質(zhì)量參差，或者材料混用，那么對結(jié)構(gòu)可靠度評價會造成較大的影響。

（二）構(gòu)件所處環(huán)境的差異

環(huán)境條件如溫度、濕度等、施工工藝都都會對路橋工程的可靠度產(chǎn)生影響，嚴(yán)格地說，路橋工程構(gòu)件的抗力是一個與使用時間、溫度相關(guān)的隨機過程。例如，混凝土是公路橋梁施工的重點，混凝土結(jié)構(gòu)處于良好的環(huán)境條件和養(yǎng)護下，混凝土的強度會隨著時間的推移而緩慢增加，那么抗力也會隨之增加，可靠度增強。但是在不利環(huán)境中，混凝土的強度可能不會緩慢增加甚至?xí)S著時間的推移而緩慢下降，抗力也會下降。這就說明如果沒有對施工的環(huán)境進行有效的界定，也可能造成路橋工程的可靠度下降。

（三）設(shè)計人員素質(zhì)

設(shè)計人員的素質(zhì)會影響可靠度，有著豐富的路橋施工經(jīng)驗，其對于結(jié)構(gòu)的可靠度也會隨之提升，但是如果在設(shè)計階段就存在問題，那么路橋的穩(wěn)定性也得不到保證。目前關(guān)于構(gòu)件的可靠性還處與研究正截面、側(cè)界面和局部承壓的階段，這就容易導(dǎo)致設(shè)計人員不重視細部設(shè)計，導(dǎo)致計算的結(jié)構(gòu)可靠度不高。

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作者簡介：

羅麗杰，貴州共筑未來建設(shè)工程有限公司。