公路桥梁上部结构冗余度概述

摘 要：桥梁冗余度是指，一个桥梁的上部结构在其构件损伤或者失效后继续承受荷载的能力，桥梁结构的构件不是独立发挥作用的，而是和其它构件共同形成一个结构系统。目前的桥梁规范往往忽视系统作用，而仅仅是对单独的构件进行设计。

中图分类号：U448.14 文献标识码：A

一、桥梁上部结构冗余度的概念

桥梁冗余度是指，一个桥梁的上部结构在其构件损伤或者失效后继续承受荷载的能力。由于冗余度是和系统行为相关的，这项研究将基于构件的设计方法和系统效应联系起来，目标是引入反应结构冗余度水平的系统系数去评估一座桥梁系统的构件的承载力。这个系统系数是应用于名义构件承载力之前的乘数，和完好桥梁系统的冗余度和安全水平相关。被建议的系统系数被用于部分普通类型的桥梁评估和设计的公式中。系统系数表也被应用于简支或者连续的后张混凝土桥和钢桥中（工字梁，箱梁）。这个表是一种矩阵的形式，其中的变量为梁间距和梁的数目，基于梁的跨径的修正液提出了。 对于不在表中的桥梁的结构形式，工程师可以通过利用有限元程序检验其冗余度。对于未能满足以上冗余度判断标准的桥梁设计应当通过要求其构件设计更为保守。相反，对于冗余度较好的桥梁，其构件设计可不那么保守。其在实现的过程中，也是通过系统系数去实现的。第一阶段，定义冗余度，形成一个直接的计算方法，并形成一个简化的“系统系数表”，建议在桥梁的设计和评估中引入这种方法。第二阶段，将第一部分提出的简化方法扩展至提供连续梁上部结构。这种完整的系统系数表已被应用于工字型或者箱型截面的钢和后张混凝土结构中去。一个桥梁结构的构件不是独立发挥作用的，而是和其它构件共同形成一个结构系统。目前的桥梁规范往往忽视系统作用，而仅仅是对单独的构件进行设计。

二、桥梁上部结构冗余度的实现方法

桥梁在一个构件破坏能继续承载主要应归于它能不能分配那些已经施加其的荷载，包括一个横向和纵向分配荷载的能力。横向分配荷载的能力取决于纵梁特性，桥面板，次要构件，连接，和桥梁的几何构造，纵向分配荷载的能力取决于在支座处桥梁构件的延性。AASHTO LRFD规范已经通过引入荷载系数去考虑冗余度的概念。荷载系数是由以下三方面内容来考虑,其中一个构件的设计是冗余度还是非冗余度的主要是看这个构件是否对结构安全是否有贡献。这个构件荷载系数小于1,说明桥梁有好的冗余度，有好的延展性，或者不太重要，如果构件荷载系数大于1,则说明由于其潜在的分配荷载能力不足或者是桥梁几何构造需要改变。虽说这已经在实践中实现了，但是荷载系数完善还有很长的路要走。

被视为能够检验桥梁足够的冗余度和系统安全的极限状态时这样被定义的：

构件的破坏：这是一种传统的检查独立构件安全的方法，利用线弹性的分析和名义构件抗力的方法。。

极限承载能力：这里定义受损桥梁系统的极限承载能力。它对应着具有很高的延性水平构件的桥梁倒塌机构形成的过程。对于低延性的桥梁，极限承载能力则以荷载使桥梁不能完全使用而定义。举个例子来讲，当一个主要的混凝土构件即将压坏时，这座桥也就达到了其极限承载能力。

损伤状况极限状态：这里定义的是桥梁系统在一个主要的沉重构件损伤后的桥梁承载力。这个研究假设受损情节主要是讲一个后张预应力混凝土梁以及钢结构工字型梁完全移除。对于箱梁，则受损的情节假设为一个翼缘和其相邻的腹板承载力的损失。对于多箱梁的系统，则受损的情节假设为一个箱式的完全损失。

这项研究的目标是形成一种在桥梁设计和安全性评估中考虑冗余度的方法这就包括了在重载作用下去检验桥梁的冗余度和评估损坏桥梁的潜在危险的工作,美国已经完成的工作中包括，在AASHTO LRFD规范中，已经形成了一套考虑桥梁上部结构和延性的用于桥梁评估和设计的系统系数表。一个分析非线性的有限元程序是必须的。桥梁的冗余度是直接和桥梁的几何性质以及构件的特征直接相关的,对于非典型的桥梁，给出了一套直接的分析方法。其中要求增量分析去确定可接受的行为，不满足正常使用的状态，以及在最大意料荷载下的倒塌状态的发生。并且也给出了如何进行分析的指导原则，其中包括1）应当施加的荷载的情况2）用于检验完好桥梁和受损桥梁的极限状态 3）桥梁能继续承载的目标荷载系数。

在桥梁设计和评定的过程中去实现冗余度的概念需要两大部分。第一部分是提出冗余度的系数表根据典型桥梁系统去修正构件的强度。第二部分则是给出（利用非线性的结构分析软件）去提出任意桥梁系统的冗余度分析和评估。

参考文献：

[1]NHCRP Report 406 Redundancy in Highway Bridge Superstructures.