橋梁設(shè)計(jì)的冗余度

1、    橋梁設(shè)計(jì)的冗余度    何安寧摘 要：為了敘述在橋梁設(shè)計(jì)中，運(yùn)用冗余度設(shè)計(jì)理念的重要性。文章主要從冗余度的概述、橋梁設(shè)計(jì)闡述對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響以及對(duì)橋梁冗余度的探索和優(yōu)化建議等方面進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì)；冗余度；安全性近三十年來，包括美國在內(nèi)的很多國家，為了實(shí)現(xiàn)橋梁在發(fā)生破壞的狀況下，使其依然可以繼續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)原有的功能，更好的設(shè)計(jì)出安全、牢固的橋梁，都橋梁設(shè)計(jì)的冗余度設(shè)計(jì)上投入了很大精力。這也說明了，冗余度的設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)中的重要影響。在文章中，筆者將從橋梁設(shè)計(jì)的冗余度和它的定義和內(nèi)涵進(jìn)行簡單地介紹，并且分析橋梁曲線半徑、橋梁跨長、外部橫向連

2、接數(shù)量等設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)與冗余度和橋梁安全、穩(wěn)定的關(guān)系，同時(shí)，結(jié)合對(duì)相關(guān)資料的整理和研究，切合自身理解在文章的最后提出了橋梁設(shè)計(jì)中冗余度設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案和建議。1 冗余度的概述在有關(guān)媒體報(bào)刊中我們可以看到，美國鋼橋和俄亥俄州i-275四跨連續(xù)鋼板梁橋的破壞過程，不難發(fā)現(xiàn)在中，在橋墩出現(xiàn)了部分破壞約十分鐘左右，i-275四跨連續(xù)鋼板梁橋的橋梁結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定，而美國鋼橋則是由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而突然地整體塌裂，產(chǎn)生這一不同現(xiàn)象的主要因素各大媒體和相關(guān)領(lǐng)域眾說紛紜，在這項(xiàng)案例中，盡管已經(jīng)有學(xué)者分析，并且指出了其產(chǎn)生不同現(xiàn)象的原因的多樣性，但歸根結(jié)底在美國鋼橋和俄亥俄州i-275四跨連續(xù)鋼板梁橋的破壞過程中，起到

3、決定性作用的是橋梁結(jié)構(gòu)體系的冗余度大小的設(shè)計(jì)。下面，就將對(duì)冗余度的定義、內(nèi)涵等方面進(jìn)行闡述。1.1 冗余度的定義現(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是目前計(jì)算機(jī)技術(shù)水平所不能夠完全普及的領(lǐng)域，冗余度和超凈定次數(shù)通常會(huì)被混淆，從而將精力平衡與自由度相對(duì)等以方便計(jì)算。但這種算方法運(yùn)用到實(shí)際工程設(shè)計(jì)中時(shí)，便會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的約束超過了結(jié)構(gòu)的自由度，因此說，冗余度就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中超靜定結(jié)構(gòu)中多余的約束。而這些多余約束即使是連接失效，還是可以時(shí)間結(jié)構(gòu)在一定時(shí)間內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定。故而，冗余度便在橋梁設(shè)計(jì)中具有著一種強(qiáng)度儲(chǔ)備的作用，并且與系統(tǒng)行為有所關(guān)聯(lián)。1.2 冗余度系數(shù)在大多數(shù)的橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范中，一般會(huì)使用，冗余度系數(shù)由r表示。

4、橋梁的結(jié)構(gòu)在實(shí)際的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，經(jīng)常將其分為兩個(gè)部分：上部單元和下部單元。結(jié)合相應(yīng)的可靠度指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行冗余度的定量運(yùn)算，從而得到特定橋梁的強(qiáng)度儲(chǔ)備率，最終運(yùn)算處冗余度系數(shù)，且以此為橋梁冗余度的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。根據(jù)實(shí)際的工程案例分析得到以下關(guān)于簡支梁的數(shù)據(jù)圖解，通過整理，得到下圖所示：主梁總數(shù)和主梁間距與冗余度系數(shù)的關(guān)系圖。由上圖所示可以發(fā)現(xiàn)，在主梁間距不變的情況下，結(jié)構(gòu)冗余度隨著主梁數(shù)的增大而上升，但當(dāng)主梁的數(shù)量大于6以后，主梁總數(shù)對(duì)冗余度系數(shù)帶來的影響就比較小了。此外，主梁總數(shù)一定的情況下，結(jié)構(gòu)冗余度系數(shù)隨著梁間距的增大而漸漸變小。1.3 橋梁設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)冗余度冗余度在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系中是有

5、著非常重要的比重，但在對(duì)整個(gè)橋梁機(jī)構(gòu)的研究過程中結(jié)構(gòu)體系卻往往僅僅通過受理系統(tǒng)將動(dòng)能不同的結(jié)構(gòu)部件科學(xué)、有序的進(jìn)行鏈接，從而保證其具有足夠的荷載能力。在橋梁結(jié)構(gòu)中，如果缺少冗余度，由于如果在整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在某一條件下連接部件遭到損壞的狀況下，便會(huì)致使整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全系數(shù)降低。反之，如果橋梁結(jié)構(gòu)有冗余度，則其結(jié)果便會(huì)不一樣，通常某個(gè)部件被損壞，就不會(huì)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)造成穩(wěn)定性變化的影響。所以，在橋梁設(shè)計(jì)中設(shè)定一個(gè)冗余度，保證了整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系的安全和穩(wěn)定。也就是說，橋梁結(jié)構(gòu)的承載力與其荷載、再分配能力的大小存在這正相關(guān)的聯(lián)系。2 橋梁各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影

6、響在橋梁設(shè)計(jì)中，整個(gè)橋梁系統(tǒng)是渾然一體的整體，其中的每個(gè)部件都各自發(fā)揮這其重要的功能。冗余度的設(shè)計(jì)中，橋梁的跨長、曲線半徑、外部橫向連接的數(shù)量、歪脖橫向連接的類型都對(duì)冗余度有著或多或少的影響，同時(shí)這些因素也都關(guān)系著整個(gè)橋梁系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。2.1 跨長對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響經(jīng)由實(shí)際研究實(shí)踐，跨長并不是冗余度的決定性實(shí)際參數(shù)，這個(gè)結(jié)論主要體現(xiàn)在于，當(dāng)外部橫向的連接足夠多的時(shí)候，可以使跨長不同的橋梁達(dá)到相同的冗余度數(shù)值，也就是說，結(jié)構(gòu)冗余度受跨長的影響比較小。2.2 外部橫向連接數(shù)量的影響在橋梁受到的破壞在發(fā)生損壞的初始階段時(shí)，理論上說混凝土橋面受到的損壞很難及時(shí)的傳遞到臨近的橫向連接部分，所以，橋梁

7、設(shè)計(jì)的冗余度受到外部航向連接的數(shù)量、種類的影響很大。在橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)際過程中，也很容易看出橋梁的外部橫向連接種類和數(shù)量與冗余度的大小有著很大的關(guān)系。2.3 外部橫向連接類型對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響至關(guān)重要的是，永久性外部橫向連接、橫隔板的設(shè)計(jì)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。其起到的主要作用便是，保證了橋梁系統(tǒng)在橫向傳遞的能力。此外，從橋梁設(shè)計(jì)的安全和穩(wěn)定角度看，實(shí)心和隔膜板鏈接和外部橫向連接的類型之間的良好配合，才會(huì)使受力系統(tǒng)最為可靠。最后，有一點(diǎn)需要特別提出，在某種特殊情況下，對(duì)于冗余度的提高，實(shí)心橫隔板要比k形連接效果更好。2.4 曲線半徑對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的影響以跨徑75m的橋梁設(shè)計(jì)作為例子進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)

8、系統(tǒng)的冗余度會(huì)隨著曲線半徑增長而隨之增長。建立在針對(duì)曲線半徑為250米、200米、150米三個(gè)不同等級(jí)的曲線半徑對(duì)冗余度的影響，我們可以得出一個(gè)結(jié)論，便是跨徑不一樣的橋梁曲線半徑會(huì)產(chǎn)生不同的冗余度變化。3 對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的冗余度探索以及優(yōu)化建議隨著社會(huì)發(fā)展的需要，對(duì)于橋梁的使用年限和使用質(zhì)量上的要求也越來越高，再加之在我國繁榮昌盛的現(xiàn)狀下，阡陌發(fā)達(dá)的交通，更是要求我們對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的安全、穩(wěn)定和耐久等方面，都要做到更好的保證。3.1 探索對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)冗余度的優(yōu)化方案，基本需要遵循三項(xiàng)原則：首先，從當(dāng)?shù)貙?shí)際情況出發(fā)，制定切合實(shí)際要求的橋梁設(shè)計(jì)冗余度；其次，橋梁設(shè)計(jì)的過程中，要盡可能多的采用整體性、連續(xù)性

9、高的結(jié)構(gòu)方案；最后，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于跨度較大的橋梁，需要考慮關(guān)鍵構(gòu)件的受力傳遞能力。需要特別關(guān)注的是，不能片面的將冗余度視作橋梁設(shè)計(jì)的可靠性準(zhǔn)則，因?yàn)槿哂喽戎皇菫榱藢?shí)現(xiàn)橋梁在發(fā)生破壞的狀況下，使其依然可以繼續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)原有功能的作用。3.2 優(yōu)化建議結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，制定相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計(jì)；在橋梁設(shè)計(jì)中多考慮整體性、連續(xù)性高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；在跨度較大的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮關(guān)鍵構(gòu)建的手里傳遞能力。在遵循以上橋梁設(shè)計(jì)的三個(gè)原則的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)此提出了以下幾點(diǎn)優(yōu)化建議。（1）首先，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，切實(shí)結(jié)合橋梁的特定用途、使用環(huán)境，從而設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)娜哂喽?。例如，根?jù)公路體系中，某些滑坡、洪水、

10、泥石流等客觀因素發(fā)生概率，從而設(shè)計(jì)切合事宜的路段結(jié)構(gòu)冗余度。（2）對(duì)于某些特殊的大跨度橋梁設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合三維有限元分析，在結(jié)構(gòu)體系中尋找連鎖破壞模式。結(jié)合制造、養(yǎng)護(hù)、設(shè)計(jì)等多個(gè)方面考慮，盡可能降低事故發(fā)生的概率。（3）為了使設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計(jì)的作用，得到更好、更完善的發(fā)揮，便需要我們?cè)趯?shí)際橋梁施工設(shè)計(jì)中，針對(duì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則得到更多的應(yīng)用。4 結(jié)語綜上所述，文章通過針對(duì)橋梁設(shè)計(jì)過程中冗余度的設(shè)計(jì)，做了詳細(xì)的探究、分析，并結(jié)合相應(yīng)情境和實(shí)際情況下的冗余度設(shè)計(jì)提出了發(fā)展性的優(yōu)化目標(biāo)和方案，同時(shí)指出了橋梁設(shè)計(jì)中冗余度設(shè)計(jì)的基本原則，筆者期望文章的闡述可以為今后的橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供一定的利用價(jià)值和參考依據(jù)。參考