关于路桥设计的分析

摘要：本文作者结合实际工作经验，对路桥结构设计进行了分析探讨，提出了自己的见解，供同行参考。

关键词：路桥设计；分析

中图分类号：TU984 文献标识码：A

白彬 内蒙古阿拉善盟交通设计研究有限告诉

近年来我国经济快速发展，人们对出行的需求越来越多，由此也带动着我国交通事业的快速发展，私人汽车数量的不断增加。与此同时城市道路供给与运输需求的矛盾也日益尖锐，不少城市的道路桥梁已经很难满足日益增加的运输需求，出现超负荷疲劳运作的现象，加之部分车辆存在超载，道路桥梁病害问题时有发生。路桥病害的发生不仅缩短了其使用寿命，给国家和人民带来巨大的经济损失，还为交通运输安全埋下了隐患，近年来由于路桥坍塌造成的事故也时有发生。

1 桥梁结构设计的耐久性问题

许多设计人员理论水平欠缺,对设计理论的理解深度不够,设计时生硬的套取规范和采用标准图式,而忽视从结构体系结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性和耐久性。设计人员主观能动性表现欠缺,实践经验不足,本本主义思想较严重。用静态思维去解决不断进步发展的技术问题,桥梁在不同的环境和使用条件下和不同的设计对象都会对结构体系得出不同的布局和构造要求,规范再详细也不能代替应由设计人员解决的各种问题,规范更新再快也适应不了新技术、新材料、新工艺快速发展对结构设计提出的各种新要求,目前的设计可视为静态设计,过于偏重设计建成时期结构的工作和服务能力而对使用期实际的性能表现随时间的劣化缺乏足够的认识和考虑。从经济性上讲,考虑建造成本多,而忽视了营运的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益,因此,合理可靠的结构设计除了满足规范要求外,还要求设计人员具有对结构本性的正确认识。

2 桥梁结构设计的可靠性问题

结构设计要解决的根本问题是:在安全适用与经济合理之间选择一种合理的平衡,力求以最经济的途径,使建造的结构满足下列各项预定功能要求:①正常施工和使用时,结构能承受可能出现的各种作用,在设计规定的偶然事件发生时和发生后,结构能够保持必需的整体稳定性;②在正常使用时,结构具有良好的工作性能,不会产生过大的裂缝和变形;③在正常维护下,结构具有足够的耐久性能,不会过早地发生破坏。在上述功能要求中,第一项关系到人身安全,因此称其为结构的安全性;第二项关系到结构的适用性;第三项关系到结构的耐久性。安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。结构可靠性的数值度量用可靠度,其安全性的数值度量则用安全度。静态和瞬态动载作用下结构可靠性研究的重点是结构的安全问题,循环荷载作用下结构可靠性研究的重点通常是结构的耐久性问题。

桥梁可靠性设计研究内容是:在结构承受外荷载和结构抗力的统计特征已知的条件下,根据规定的目标可靠指标,选择结构(构件)截面几何参数,使结构在规定的时间内,在规定的条件下,保证其可靠性不低于预先给定的值。可靠性的数量描述一般用可靠性。我国对结构可靠性的研究只限于理论方面,且侧重于可靠性设计方面,对结构耐久性方面的研究,特别是对耐久性评估理论的研究还很落后。实际上对现有桥梁结构作出正确的可靠性评估,准确预测出其剩余寿命,才能保证结构在寿命延续期内的安全性,节省大量的维修加固资金。我国在桥梁设计过程中,存在着考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态不重视使用极限状态;重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护,使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。近几年来,国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳损坏(如结构开裂、变形过大等)所导致,从而严重影响桥梁结构的承载能力和使用性能。为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性,减少早期桥梁病害,从而节约后期桥梁的维修费用,因而对桥梁结构可靠性的研究非常必要和迫切。

3 桥梁结构可靠性设计

结构设计方法从可靠度理论来说,基本上可分为经验安全系数设计法和概率设计法两类。经验安全系数设计法,是将影响结构安全的各种参数按经验取值,一般用平均值或规范规定的标准值,并考虑这些参数可能的变异对结构安全性的影响,在荷载与强度计算中再取用安全系数x。概率设计法则是将影响结构安全的各种参数作为随机变量,用概率论和数理统计学来分析全部参数或部分参数,或者用可靠度分析结构在使用期限内满足基本功能要求的概率。当前的发展趋势是,结构设计正逐步由经验设计法向概率设计法转变。在目前阶段,按其发展进程国际上通常将基于可靠度的设计划分为3个水准,即水准I、水准Ⅱ和水准Ⅲ。

3.1水准I—半概率设计法

这一水准设计方法的特点是,虽然在荷载和材料强度上分别考虑了概率原则,然而,它把荷载和抗力分开考虑,而不是从结构构件的整体性出发考虑结构的可靠度,因而无法触及结构可靠度的核心—结构的失效概率,并且各分项安全系数主要依据工程经验确定,所以称其为半概率设计法。目前我国大部分现行公路桥梁结构和路面结构设计规范所采用的设计理论都属于这一水准。半概率设计法基本上分为如下3个步骤:① 按照概率取值原则确定极限状态函数中抗力变量值和荷载变量s的标准值;② 半概率地(根据工程实际经验)规定材料设计强度及设计荷载;③ 由材料设计强度值计算出截面抗力R,由设计荷载计算出荷载效应,并进行判断。

3.2 水准Ⅱ—近似概率设计法

这是目前在国际上已经进入实用阶段的概率设计法。它运用概率论和数理统计,对工程结构、构件或截面设计的“可靠概率”,做出较为近似的相对估计。我国《工程结构可靠度设计统一标(GB50153—2008)及《建筑结构设计统一标准》(GB50068—2001)《铁道工程结构可靠度设计统一标准》(GB50216—94)以及《公路工程结构设计统一标准》(GB/T50283-1999)等采用的以概率理论为基础的一次二阶矩极限状态设计方法就属于这一水准的设计方法。虽然这已经是一种概率方法,但是,由于在分析中忽略了或简化了基本变量随时间变化的关系;确定基本变量的分布时受现有信息量限制而具有相当的近似性;并且,为了简化设计计算,将一些复杂的非线性极限状态方程线性化,所以,它仍然只是一种近似的概率法。不过,在现阶段,它确实是一种处理结构可靠度的比较合理且可行的方法。本书第三章将对此予以详细讨论。

3.3 水准Ⅲ—全概率设计法,对结构采用较精确的概率分析

对各基本变量,如荷载、材料性能、几何尺寸、计算精度等分别采用随机变量或随机过程概率模型描述,求得结构的最优失效概率直接度量结构可靠性。由于对基本变量的客观规律了解不足,采用全概率法还存在一定困难。目前仅对某些特殊重要结构如核电站等采用全概率法进行研究分析。结构系统的可靠度分析,许多学者对此从不同角度进行了研究,提出了一些概念和方法。如结构可靠度分析的一阶矩概念及荷载为Ferry Borges Castanheta组合情况下的计算方法问题;利用系统系数,针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同,计算系统可靠度并进行结构设计的方法;利用蒙特卡洛(Monte-Carlo)法采用重要抽样技术计算结构系统的可靠度等,同时,一些学者还研究了系统可靠度界限的问题。总之,系统可靠度分析研究内容丰富,难度较大。

参考文献：

[1] 刘扬.混凝土并拉桥施工期的时变可靠性研究[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士),2009,（06）.

[2] 郑欣.城市道路桥梁常见病害讨论[J].工业技术.2010，(02).