铁路桥梁钢筋混凝土结构可靠度研究

摘要：本文对铁路桥梁钢筋混凝土结构可靠度进行了细致的研究，主要就铁路桥梁钢筋混凝土构件抗剪可靠度可靠度以及抗剪承载力可靠度进行了分析。

关键词：铁路桥梁；钢筋混凝土；可靠度

中图分类号：TU375 文献标识码：A

引言

钢筋混凝土结构历经一百五十多年的发展，成为了世界上应用领域最广泛的重要结构形式。相比传统的木石结构，混凝土具有良好的耐久性和耐火性且价格便宜、取材方便等优点，广泛运用于交通工程的路和桥、建筑房屋的建造，人造岛，隧道，机场等等。作为与人们朝夕相处的基础设施，要求它们在使用时期内具有能够安全地承受设计状况下的各种作用、满足设计要求的各项使用功能以及在正常维护和养护条件下具有足够的耐久性等能力。它们的安全可靠与否，直接危及生命财产安全乃至影响整个国民经济的发展。

结构可靠度的基本概念

在极限状态下，我们通常用可靠性和可靠度两种不同的指标来定性、定量的描述结构的某种能力。结构的可靠性在我国《工程结构可靠度设计统一标准》中有比较完整的阐述，即结构在规定条件下和规定时间内能够完成我们所期望的某种功能的能力。结构设计时，通常用数理统计的方法给出一个可以接受的可靠性指标，并最终使结构在该指标的保证率范围内完成我们所期望的某项功能要求。“规定的时间”即设计基准期，为结构可靠度分析时极限方程中影响结构功能的各种变量与时间关系对应的时间参数。 结构设计、施工、使用时的正常条件即为“规定的条件”。

2、铁路桥梁钢筋混凝土构件抗剪可靠度研究

2.1、现行铁路钢筋混凝土桥梁构件的抗弯设计方法

2.1.1、平截面假定

这个假定认为所有与杆轴垂直的截面在杆件变形后仍保持为平面。根据这一假定，平行于中性轴的各纵向纤维的变形（受拉伸或者压缩）与其到中性轴的距离成正比。由于钢筋与混凝土之间较好的粘结力，可以认为钢筋与混凝土在同一水平高度上的变形一致。

2.1.2、弹性体的假定

钢筋基本上可以认为是弹性体，而混凝土却是弹塑性材料。但是在受拉区混凝土开裂后的工作阶段，混凝土应力曲线与直线相差不大，可以近似地把受压区混凝土的应力图形看成三角形，即应力与应变成正比，进而简化计算。

2.1.3、受拉区混凝土不参加

作在受拉区混凝土开裂后的工作阶段，仍有一小部分混凝土参加工作，但是受力情况相当复杂，而影响却很小，将其忽略不计，假定拉应力全部由受拉钢筋承担，可使计算大为简化。

为便于应用材料力学中的计算方法，还需把由钢筋和混凝土两种弹性模量不同的材料换算成实际截面，即换算成由一种拉压性能相同的假想材料组成的与它功能相等的匀质截面，即所谓的换算截面。在此，功能相同是指实际截面与换算截面的变形条件不变。

2.2、结构极限状态

结构是否安全，取决于结构的状态。我国对结构极限状态的定义为：当结构或其一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就是结构的极限状态。

按《铁路工程结构可靠度设计统一标准》中的规定，极限状态分为承载能力极限状态与正常使用极限状态。

承载能力极限状态，指的是结构和构件已经达到最大承载力，或发生不适于继续承载的变形时的状态。当结构不满足承载能力极限状态时，结构会发生倒塌、破坏等灾难性后果。

当结构出现如下的状态时，即可认为是超过承载能力极限状态：

(1)整体结构或其一部分作为刚体而失去平衡；

整体结构或其一部分因静载或动载的作用而不适用于继续承载；

结构转变为机动体；

结构或构件丧失稳定。

正常使用极限状态，是指结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态。有辟结构尽管在设计使用年限内满足承载力的要求，但是可能会出现较大的变形，如裂缝，致使结构不能正常使用。

结构或结构构件出现如下状态，即认为超过正常使用极限状态：

影响结构正常的使用或影响外观的过大变形；

引起不舒适或对设备发生影响的过大振动；

使结构的耐久性降低，影响结构的有效使用或其外观的局部破坏。

对结构进行极限状态设计，首先就要明确结构的极限状态。统一标准给出了极限状态的标志，承载能力极限状态反映的是结构或构件最终的破坏方式。对于钢筋混凝土构件的受弯，其极限状态包括：①纵向受拉钢筋先屈服，随后边缘受压混凝土达到极限压应变；②纵向受拉钢筋未屈服，而边缘受压混凝土先达到极限压应变。

至今为止，钢筋混凝土受弯构件的承载力计算理论已较为成熟。在建筑、港工、公路桥梁、水工等各个领域，虽然国内外规范所采用的设计参数各有不同，但计兑模型基本一致，即在平截面假定基础h，将极限状态吋的混凝土应力分布等效为矩形应力分布，

3、铁路桥梁钢筋混凝土构件抗剪承载力可靠度分析

钢筋混凝土受弯构件一般除了承受弯矩之外，还承担剪力，相应的产生剪应力。横截面上的剪应力与弯曲应力合成斜向的主拉应力和主压应力。由于混凝土的抗拉强度很低，在主拉应力的作用下，可能在主拉应力垂直的方向上产生斜裂缝。试验表明，在只配主筋不配腹筋的情况下，构件可能发生下述情况，即梁在最大弯矩处尚未破坏，却在剪力较大的截面附近因斜裂缝的产生与发展而破坏，这种破坏是突发性的，比较危险，称为剪坏。为了防止这种破坏形式，一般在受弯构件中配置腹筋，进而限制斜裂缝的开展，尽量避免发生太突然的脆性破坏。

极限状态方程：

铁路桥梁钢筋混凝土构件的抗剪极限状态方程可表示为：

Z=KPR—SG1—SG2—（1+μ）KQSQ=0

式中：R— 抗力；

Kp— R的计算模式不确定性系数；

SG1— 恒荷载效应

SG2— 附加恒荷载效应；

SQ— 活荷载效应；

KQ— 列车活载发展系数；

（1+μ）—动力系数；

偏心受压状态的判别

我国现行铁路桥规TB10002.3-2005规定：钢筋混凝土偏心受压构件按照容许应力法进行计算。由于偏心距大小的不同，偏心受压构件有两种应力状态，即大偏心受压和小偏心受压。利用截面核心距的概念来判别大小偏心受压。当外力作用在截面核心边缘界上时（即e = k)，截面相对应的边缘应力为0，这正是大小偏心的分界。当外力作用点在截面核心内部时，即为小偏心受压，反之为大偏心受压。见图4.1。

荷载组合

铁路桥梁除了承受其自重和列车荷载外，还要承受其他各种外力作用。在进行荷载组合时应考虑下列规定：

如构件的主要用途为承受某种附加力，则在计算此杆件时，该附加力应按主力考虑；

流水压力不与冰压力组合，两者也不与制动力或牵引力祖合；

船只或排筏的撞击力、汽车撞击力以及长钢轨断轨力，只计算其中的一种荷载与主力组合，不与其他附加力组合；

列车脱轨荷载只与主力中恒荷载相组合，不与主力中活荷载和其他附加力组合；

地震力与其他荷载的组合见现行《铁路工程抗震设计规范》的规定；

长钢轨纵向力及其与制动力或牵引力等的组合，按《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》有关规定办理。

桥梁设计时，应仅考虑主力与一个方向（顺桥或横桥方向）的附加力相组合；

铁路公路两用的桥梁，考虑同时承受铁路和公路活载时，铁路活载按照铁路规范规定计算，公路活载按《公路工程技术标准》规定的全部活载的75%计算。

结语

现行铁路桥涵钢筋混凝土设计规范TB10002.3-2005仍采用容许应力设计法。容许应力设计法不能完全反映钢筋混凝土桥梁受弯构件的破坏状态。混凝土压应力满足容许压应力时，构件也可能会发生混凝土压碎破坏；钢筋拉应力满足钢筋容许应力时，构件也可能会发生钢筋拉断破坏。所以应该加强对铁路桥梁钢筋混凝土结构可靠度研究，为我国的铁路桥梁的发展作出一定的贡献。

参考文献：

[1]张佩,孟妍,王春龙. 桥梁结构可靠度理论及计算方法研究[J]. 安徽建筑,2013,04:137+206.

[2]王美珍. 分析公路桥梁钢筋混凝土构件可靠度的计算[J]. 科技创新导报,2013,09:140.