关于桥梁设计的冗余度分析

作者:张悦; 刊名:交通世界 上传者:孙艳霞

【摘要】首先介绍了桥梁设计的冗余度概念,随后结合真实案例,深入探讨了桥梁结构体系中有关冗余度的相关理论内容,思考桥梁设计参数与对于其结构冗余度的各个影响因素,提出桥梁结构冗余度的优化设计措施。旨在通过科学的方式提升桥梁受损情况下的稳定性与安全性,切实满足安全需求。

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0引言美国交通研究委员会对桥梁设计冗余度方面的研究成果中表明,桥梁在设计过程中需要考虑到它的断裂敏感度与冗余度,特别是冗余度应该成为桥梁设计原则中的重中之重,它的设计必须采用连续性、整体性较强的复合结构形式;必须符合桥梁设计规范中所要求的应对特殊事件(如地震、海啸)能力,主要是围绕冗余度要求展开;最后再对它的关键构件进行设计过程中应该多思考采用多重传力途径。1案例提出美国是全世界最早研究桥梁设计冗余度的国家之一,就桥梁安全建设及桥梁安全行为影响等因素,由美国联邦公路署、美国交通运输研究委员会共同牵头完成了针对桥梁设计冗余度的研究。例如在1996年,美国AASHTO的首版荷载抗力系数设计法规范就正式提出,它也是全球首次在桥梁设计原则中提出对桥梁冗余度的具体技术要求。2008年,美国俄亥俄州哈密尔顿郡一辆平板拖车行驶在I-275跨州公路上,但由于平板拖车脱钩失控,其载有80t重机车车头的车体直接撞向公路路桥的下部结构,但幸运的是这座桥梁并没有因此而塌陷,只是主梁发生下垂,在公路管理部门的及时营救援助下,现场封路10min后未有发生后续事故。该事故中所涉及的I-275公路路桥是典型的四跨连续钢板梁桥,其桥梁上部结构由6片钢板梁所共同构成,同时由横撑将整个桥梁连成独立整体,另外桥梁顶部还专门铺设了混凝土桥面板用于保护。路桥的下部结构则主要是美国国内比较常见的钢筋混凝土排架式桥墩结构。从事故后调查分析结果中发现,I-275公路路桥在桥墩失效后并没有发生倒塌,这是因为路桥上部结构系统的冗余度设计良好,通过对其冗余度的分析可以看到,该路桥的冗余度构成特征主要有三:第一,它所采用的是连续梁结构体系;第二,它的钢板梁之间有专门的横向支撑结构;第三,它采用到了混凝土桥面板。上述3点因素保证桥梁的上部结构完整性突出,即使在受到外部力量撞击路桥支座失效,路桥上部结构应力也会沿纵横纵两向重新分布,这可有效避免桥梁发生整体倒塌。该事故案例告诉我们,桥梁设计必须首先设计处理好冗余度问题,保证桥梁整体体系拥有较强的抵抗能力,避免由交通事故所导致的桥梁变形甚至倒塌。2桥梁设计冗余度的基本内涵桥梁冗余度代表了桥梁结构在被破坏情况下,其整体结构继续承受荷载的能力。用技术术语来讲,即桥梁结构系统的承载能力储备率(或强度储备率)。目前公路交通状况复杂,所以桥梁结构的局部破坏形式表现也较多,例如构件破坏、构件连接突然性的脆性破坏、桥梁局部的超大变形延性破坏等等。导致破坏的原因也很多,大部分来自于交通车辆超载所造成的构件疲劳断裂、水流冲刷或地震冲击所导致的地基承载力下降、亦或是车辆、船只所造成的桥梁外部物理撞击。虽然说桥梁构件安全储备非常重要,但起到决定性作用的还应该是桥梁结构体系的冗余度设计。从构件冗余度角度分析,它就涉及到桥梁各个构件自身、桥梁结构的冗余度、传力途径的冗余度以及上部结构的冗余度。以上部结构为例,它所承受的外部荷载一般要进行纵向分配与横向分配。在荷载的横向分配方面就涉及到构件的受力特性,例如它的桥面板、主要构件与次要构件之间的相互连接作用等等,这些构件的几何布置状况会直接影响到桥梁整体的冗余度。而纵向分配方面则要涉及到桥梁主梁的主梁跨度数与跨长,它决定了构件的变形能力。在以多跨连续梁为主要结构的桥梁中,这一点尤为关键[1]。3 AASHTO对桥梁设计冗余度的研究成果3.1桥梁冗余度系数分析AASHTO(American Association of State Highway andTransportation Officials)即美国国有公路运输管理员协会。他们在桥梁设

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