基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度分析

[摘要]公路桥梁的设计的第一准则是要求结构安全、可靠、适用。但是，如今我国公路桥梁建设尽管多年吸取外国经验，自我创新，有了很大的水平提高，但是仍然存在很多不足，近几年，发生的几起桥梁坍塌事件，造成了庞大的生命和财产损失，在很大程度是桥梁坍塌的原因是由于桥梁的结构损坏、变形，导致整体性事情要求的承载能力尔坍塌。所以对桥梁的可靠性分析变得尤为重要。但是目前桥梁的可靠度分析的传统方法是对桥梁材质寿命等的分析，主要使用定值设计的方法满足桥梁需要满足的最低要求，设计在可靠性分析评估时缺少定向性和定量性，不可确定和不可预知的系数过多，导致分析评估不够准确有效，因此本文中，笔者通过对桥梁结构可靠度性的研究及结构在地震中的易损性，并使用现有的传统分析方法，作出基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度分析。

[关键字] 公路桥梁建设 结构易损 可靠度分析

[中图分类号]U44 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-241-2

该基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度分析方法，抛掉传统模式对定值选取分析，更多分析桥梁结构损坏的不确定因素，利用特定的公式计算桥梁的构件在特定的情况下受损、变形的概率，来对桥梁的可靠性抗自然性，做出更为准确的分析，根据损坏概率的研究，判断出桥梁脆弱的结构位置，为桥梁结构的设计带来便利。特别是随着我国经济状况的发展，我国的公路桥梁建设规模日益加大，桥梁设计的安全性问题日益突出，是公共交通安全需要解决的首要问题。车辆荷载、地震台风等地然灾害、材料的腐蚀等都是影响桥梁安全性可靠性的重要因素，这些因素照成的桥梁安全问题日益突出，近年我国乃至全世界的桥梁损坏事故屡见不鲜，对生命和财产安全造成巨大威胁。所以当务之急是对桥梁公路的可靠性作出正确的分析，以便采取准确合适的措施来保障人民的生命财产安全。

1 可靠度的定义

桥梁结构的安全、有效和耐久性就是桥梁结构的可靠性。我们常常对桥梁可靠性的分析是将桥梁构件的荷载效应R和抗力So作为影响桥梁可靠性的因素。但是在设计时期，构件的荷载在不同的情况下具有不可确定性，我们常常需要在极限情况下取构件的荷载为定值来做出可靠性分析。通常情况下，结构的可靠性是指工程的结构在规定的使用期间，完成主要使用要求的概率。"规定时间"就是在可靠度分析时，考虑到构件材料的使用期限而得出的基准时间。需要注意的是这里需要忽略的是所有的人为过失，假定工程的结构都设计和建设正常，没有错误。而桥梁的可靠性规定时间一般为50年，而且 "规定的时间越长结构可靠度就越低"。

桥梁的可靠性研究，就是在满足规定的使用要求下，通过对使用时间和使用条件的研究，将各种使用的能力用数据的方式做出分析。而结构可靠度就是确定结构可靠性的数量指标。

2 可靠度分析

现在国内外的可靠度研究大致可分为两个方面，从荷载的方向来看可分为静力可靠度与动力可靠度，同时它的变特性可以把它分为时变可靠度与时不变可靠度。 我们在实行桥梁结构的设计时 ，通常要保障一定的桥梁使用年限，在这个期间内桥梁不允许发生任何倒塌或者不可修复的破坏 。下面的两种方式常用来保障桥梁结构的安全 ：结构抗力和荷载上分别采用分项系数用以保障结构的安全系数，采用结构的可靠度方式来解析结构的设计与评估中将会牵涉到的随机性对结构造成的影响。现在可靠度的思维已经愈发多得的应用在了设计之中，大多数国外的规范例如 Eurocode8 、 AASHTO ，也已经规定了应用可靠度分析的相应条款在设计与评估中。对现有桥梁而言，伴随着桥梁服役时限的增多 ，桥梁结构中所存在的缺陷也在逐渐扩展， 在设计时所预留的安全边际也会因为桥梁构件的恶性化而锐减。由于桥梁结构中的缺点、使用环境、荷载工况等全部具有比较较强的随机性，采取确定性的分析理论与方式是不怎么全面的，所以，引进可靠度的理论实行分析会更加合理。在实行结构可靠度分析的同时，首要的重点就是怎样设置最低的安全等级，使得桥梁在功能与维修费用之间取得一个很好的平衡。鉴于已有桥梁在经历一段使用时间后会和原有设计的时候存在着很大的差距 ，所以一部分人为因素或随机的自然因素有可能会造成桥梁结构的失效的。在实际应用中，导致桥梁结构破坏的因素是很复杂的，在这里我们可以大致将其为三类 ：在设计的时候因为安全系数过低 ，从而导致的安全边际问题并不能全部覆盖荷载与结构抗力的随机性，所以导致桥梁结构的失效；有可能发生的自然灾害与过载荷载也会造成结构失效；桥梁结构在设计与施工的时候可能会出现的易受损位置使得结构会出现未知的潜在危险。

3 基于易损性的可靠度分析

结构易损性是指在给定荷载参数值时，工程结构的特定构件损坏、变形的概率。我国近年来的几次大的地震，如唐山大地震、汶川大地震等教训告诉我们，结构的易损性是抗震的主要因素，而结构易损性的分析最早起源也是源于在地震风险分析中。我们一般将结构的损伤情况分为：无损伤、 轻微损伤、 中等损伤、 严重损伤和完全损伤等几个级别，我们通过分析去的结构在地震中的抗损坏能力，得到不同构件在地震不同强度中的损坏概率曲线。结构的损坏概率曲线可以由数据直观的分析桥梁的可靠性，分析出易损部位的构件损坏概率，方便在设计的时候做出调整措施，也可以得出桥梁不同构件的损坏时间顺序和不同构件的损伤级别，还可以分析出不同结构体系的桥梁在同一给定条件下的抗受损能力，使得在桥梁设计的时候在可靠度满足的情况下做到消耗最小。而以往的关于桥梁传统可靠度的分析中，为了定值分析常常将载荷的随机性忽略，用定值进行分析，造成出现突况时，桥梁的可靠性降低，这样的计算方式得出的结论很难在实际工程建设中起到数据分析保证的要求。而采用基于易损性的可靠度分析，很有效的考虑到这一点，在不回避随机情况的情况下，计算得出受损的概率和时间，这对桥梁结构的可靠性分析更为准确实际。根据易损构件的结构功能函数，采用响应面或一次二阶矩法等可靠度方法得到桥梁结构的可靠度方面的数据，在分析过程中并不使用繁琐的体系失效模式的探索方法，以达到方便工程应用的效果。因此本基于易损性的可靠度分析在传统的可靠性分析中，充分地考虑到了荷载与构件的随机性上， 先得出有效的数据来反应桥梁结构中不同构件的损伤概率和损伤时间顺序，再根据各个构件的损伤概率和损伤顺序，分析得出桥梁整体结构的失效模式，最后由所得出的桥梁整体结构的失效模式，使用一次二阶矩方法来算出桥梁结构的可靠度，这更符合工程的实际情况。下面我们根据公式来进一步分析，如何通过对基于易损性的可靠度分析来达到对桥梁结构的可靠性分析：

首先我们通过建立桥梁结构有限元模进行结构能力分析，得到桥梁结构的能力C，再以不同的地震动强度作为输入， 对桥梁结构进行动力或拟动力分析 ，得到桥梁结构的需求 D 。桥梁结构的地震易损性或损伤概率就是 Pf，其概率密度函数可用下式：

其中，Pf是需求D的分别函数 ，fc（） 是能力C的概率密度函数，另外我们一般还需要考虑，地震动输入强度 IM 的概率分布函数、桥梁结构的能力C的概率分布函数以及地震动输入强度IM 与结构的需求之间的关系这三个因素。

参考文献

[1]庞于涛，袁万城，沈国煜等.基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度研究[J].哈尔滨工程大学学报，2012，33（9）：1091-1096.

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