橋梁設計中冗余度以及安全性問題的探討

何玉柱

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著經濟的發展，交通運輸業迎來了新的高峰，交通量與日俱增，許多橋梁修建因為歷史比較久遠，設計方面存在一些薄弱環節，很難滿足當今社會交通行業的實際需求。再加上交通荷載量的增加，對橋梁本身的穩定性以及耐久性有著很高的要求，在這樣的背景下，優化橋梁結構設計就變得尤為重要，其中冗余度問題是關鍵。

1 冗余度的基本定義

關于橋梁結構安全問題，冗余度在一定程度上起到決定作用，和整個結構系統存在直接聯系，當橋梁的局部結構發生破壞危險時，橋梁負荷載能力處于自身可以承擔的范圍，在一定范圍內可以保持受荷載能力不發生變化，這種能力就是冗余度。

冗余度說白了就是和系統行為存在直接聯系，通常情況下，在橋梁結構設計的最初階段，橋梁設計者就應該將冗余度考慮進去，這樣估算橋梁的有效荷載能力時，才更加科學和準確。但是在實際設計中，設計者還是比較習慣和超靜定次數搭配使用，這是一種較為傳統的設計手段，主要是因為當時的計算機技術在橋梁設計領域還沒有完全普及。系統系數主要是指構件承載力的乘數，和橋梁體系的冗余度有著密切聯系，還和荷載能力存在關系。在橋梁設計階段，為了可以準確計算出整個橋梁系統的靜力平衡參數，常用的方法是實現自由度數參數與靜力平衡參數的高度統一［1]。

2 橋梁設計中的冗余度以及安全性分析

冗余度在橋梁設計中可以直接反映出橋梁的穩定性以及建設質量，橋梁結構存在不同的類型，針對不同結構的冗余度設計要區分對待，找到最理想方案，實現設計的最優化。什么是最佳設計？就是要確保每個構件在力學連接之后，可以增強整個橋梁系統的負載能力，使橋梁結構的穩定性可以滿足橋梁建設的實際需求。如果在實際設計環節，橋梁結構完全忽視了冗余度，沒有進行冗余度的相關設計，整體結構的安全性能必然會有所下降，影響橋梁的建設質量和使用壽命。在實際應用中，如果橋梁系統中一個連接構件出現問題，都會降低橋梁的整體穩定性，引發安全事故。但是如果將冗余度考慮了進去，并且進行一定的優化設計，一旦構件受到破壞，橋梁系統也依然可以保持較為穩定的狀態，正常運行下去，整體穩定性并不會受到影響。一個合理科學的冗余度，可以確保橋梁系統具備多條傳力途徑以及方式［2]。

在橋梁矩陣形式中，存在兩個主要的變數，一個是橋梁的間距；另一個是橋梁的數目，主要是用于跨徑的修正。而對于其他形式的結構冗余度，技術人員可以借助有限元程序來進行檢驗。與此同時，在結構設計中常常會遇到冗余度無法用上述標準來進行準確判斷的情況，當遇到這樣的情況時，就需要在設計開始對構件設計要做到精確和中規中矩。整個橋梁系統是一個整體，由許多的部件組成，每個部件在橋梁系統中都發揮著重要的作用，有各自的功能。就目前的情況來看，橋梁設計比較側重對某一構件進行設計，這種方法忽視了整體性，橋梁整個系統的功能沒有完全發揮出來。

3 實際應用

3.1 冗余度劃分

現階段，在工程實踐中，關于冗余度的理解是當結構體系具備合理的冗余度，那么就代表結構具備多重傳力方式。當系統中的任意一個或者是多個連接構件被外力損壞后，橋梁結構依然可以保持一定的穩定性，并在科學的范圍內繼續擔任承載任務。這種儲備承載能力的方式，主要依賴于結構體系關于荷載再分配的實際能力。參照荷載再分配的不同，可以將冗余度劃分成3類：第一種，構件自身就有的冗余度。這一類冗余度主要是指即使某一構件突然失效，也不會影響其他構件，產生失效的連鎖反應。例如：當某一構件發生開裂時，這種開裂不會繼續擴展，延伸到另一構件。第二種，結構的冗余度。這一類冗余度主要表現為荷載再分配。在實際橋梁施工中，連續梁以及剛性節點剛架都屬于此類。第三種，傳力途徑冗余度。這一類冗余度可以將其定義為結構系統冗余度。因為結構的荷載傳遞路徑并不是單一的，擁有內力重新分布的功能，這種功能的價值主要體現在應對構件失效上。例如：同一跨徑只有一片主梁的梁橋就基本上判定為不具備冗余度，主要是因為當并行分布的兩片主梁有一片失效時，結合梁橋構造形式，此時的荷載可以有效轉移到另一片梁的機會不大，另一片梁起不到什么作用。

3.2 荷載分配途徑

針對橋梁上部結構來說，關于荷載的再分配主要存在兩條潛在途徑，一種是橫向分配；另一種是縱向分配。其中橫向分配程度完全由縱向構件的受力特性決定，例如：橋面板、構件間的連接等。決定橋梁系統冗余度的特性有：主梁數量（在橫向布置的）、主梁間距、跨度數和跨長等［3]。荷載實現縱向再分配主要由構件變形能力決定，這一特點主要體現在多跨連續梁中。與橋梁上部結構的原理相同，橋梁下部結構也是完全由豎向荷載進行控制。例如：獨柱墩和雙柱墩相比，在承受豎向荷載方面有著相同強度，但是在抵抗橫向荷載或者是傾覆方面，雙柱墩效果顯然更明顯。綜上可以得出，雙柱墩具有的冗余度要優于獨柱墩。

3.3 老橋基礎利用

在設計城市高架橋梁時，要考慮遠期規劃要求，在預留高架接口或者遠期高架主線接長的橋位處，橋梁構造要求適宜的冗余度，例如在市政高架橋梁上部結構改造或頂升時，保留原有橋墩基礎，橋梁設計時，橋墩要富余的截面尺寸和承載力。

在老橋改造加固的時候，需要將整個縱斷面抬高，進行橋面鋪裝加厚，通過鋪裝加厚的方法可以在一定程度上增大主梁高度，從根本上改善荷載橫向分布情況，提高橋梁結構的穩定性，無論是整體荷載能力還是單梁承載能力都可以得到明顯的提升。在恒載增加的情況下，由于橋梁有冗余度，所以在實際施工中就要滿足主梁的要求，又要滿足基礎的要求。

3.4 橋梁拼寬

目前，雙向四車道和雙向六車道比較常見，因此在進行橋梁設計時，要考慮高速公路遠期拓寬的需要，現階段橋梁設計不僅要滿足遠期橋梁拼寬的需要，還要有適宜的冗余度，滿足老橋拼寬及改造時荷載增加，如橋梁縱坡調整，鋪裝加厚導致的恒載加大，以及新建拼寬橋對老橋的影響。

在老橋拼寬工程中，通過優化冗余度設計，來提升拼寬工程的結構穩定性也是十分常見的。針對寬拼接橋，當拼接部分大于5m時，拼接部分主要為獨立受力模式，拼接原則是上部構造要進行弱連接，而下部構造要盡可能不連接。針對窄拼接橋，拼接部分無法獨立受力或者是受力性能不佳，在這樣的情況下需要與原結構一起共同受力，在拼接原則上要秉持上部構造強連接的方法。介于二者之間的，可結合實際情況靈活選擇拼接方式。

4 注意事項

首先，冗余度是一種結構體系的強度儲備，在特定事件中發揮重要作用，或是當發生意外時，冗余度可以保證結構持續運行的能力，冗余度可以通過橋梁結構可靠系數和指標來進行描述，而不應該將其變成結構可靠度的貢獻［4]。

其次，在橋梁結構體系中，連接構件自帶的冗余度和外部邊界相關的冗余度，或者是承載途徑冗余度，這三種冗余度往往是共同存在的，并且三者之間是相互依托的關系。例如：多重承載途徑想要實現需要借助科學的橫向聯結系，也就是結構冗余度才可以實現。

最后，針對大跨度橋梁，一般建議采取三維有限元分析的方法，并運用逐步迭代方式，對連鎖破壞模式進行追蹤，找出結構體系中現存的“短板”構件，從而進行針對性的優化設計，從設計環節、制造環節、架設環節和養護環節等各個環節避免事故隱患。

5 結語

綜上所述，隨著橋梁工程的增多，將冗余度充分考慮到橋梁結構設計中，可以極大限度提高結構的安全性以及耐久性，是當今社會經濟發展的客觀要求。社會的進步，對于橋梁使用年限和建設質量有了更加嚴格的要求，再加上經濟發展促進了交通繁榮，促使橋梁工程一定要從源頭保證設計的穩定性，將橋梁建設推向一個新高度。