结构可靠度理论在桥梁工程中的应用

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0结构可靠度理论在桥梁工程中的应用

杨 敏 李玉荣

摘 要:随着可靠度理论的发展与成熟,结构可靠度理论在桥梁工程中的应用也得到了长足的发展,在各个方面都有所突破。本文介绍了可靠度理论在桥梁工程中的应用,特别介绍了大跨度桥梁风振可靠度研究进展。

关键词:结构可靠度;桥梁工程;应用进展中图分类号:T B114.2 文献标识码:A

文章编号:CN 43-1027/F(2011)04-095-02

作 者:重庆市实力公路开发有限公司;重庆,401147

一、结构可靠度计算方法

结构可靠度的计算方法是可靠度理论中的一个重要研究内容,它直接关系到结构可靠度理论在工程中的应用。计算结构的可靠度,首先要获得结构的功能函数,但是,在实际问题中,结构的功能函数可能是非线性函数,且大多数基本变量不服从正态分布,在这种情况下,结构的功能函数一般也不服从正态分布,因而不能通过概率直接积分计算结构的可靠度。这时需要进行结构可靠度的近似计算。近似概率法是计算可靠度的常用方法,它通常仅用各基本变量的平均值(一阶原点矩)和方差(二阶中心矩)来描述其统计特征,而且,当功能函数为非线性时,也都按线性化处理,故亦将其称为一次二阶矩法。该法可将一个复杂的多重积分问题转化为一个简单的数值计算问题,计算效率高。当然,这些计算方法都是针对功能函数具有明确表达式的情况。而实际工程中,由于结构本身构造复杂,往往不能给出功能函数的明确表达式,若直接应用上述方法就会遇到困难。所以必须选取别的计算方法处理,如响应面法或随机有限元法。同时,在计算机高速发展的今天,也使蒙特卡罗法得以在可靠度分析中发挥作用。

二、结构可靠度理论在桥梁工程中的应用进展

现代桥梁向长、轻、柔方向发展,桥梁结构的可靠度分析就变得越来越重要。在经济与技术许可的情况下,对桥梁进行可靠度研究,可以使设计方案更加合理经济,桥梁的技术改造决策更加科学,从而提高桥梁的承载能力,延长其使用寿命及改善其安全性能。因此,对桥梁结构进行可靠度研究具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。

公路工程结构可靠度设计统一标准 规定,桥梁结构必须满足下列功能要求:

缩钢筋网以外,还在连续段内布设预应力钢束。简支连续梁正弯矩区段及墩顶负弯矩区段按部分预应力混凝土A 类构件设计,各施工阶段和使用阶段的应力应满足规范要求,并应满足承载能力极限状态强度要求。采用桥梁博士程序计算配筋,钢束布置为:边跨边梁、中梁跨中分别布置33,30根?j15.24钢绞线;中跨边梁、中梁跨中分别采用27,24根?j15.24钢绞线;现浇段负弯矩钢束:边梁均布25根?j15.24钢绞线;中梁均布21根?j15.24钢绞线。负弯矩预应力钢索由支点分别往前后延伸10m 和14m 。

四、变形计算与验算

(一)变形计算

预应力混凝土连续T 梁的变形包括短期荷载和长期荷载作用下的挠度,其中,短期荷载作用下的挠度可采用规范规定的构件刚度用材料力学的方法计算;长期荷载作用下的挠度,可按该荷载下的初始弹性挠度乘以[1+ (t, )]求得, (t, )为徐变系数。在张拉过程随时注意上拱度的变化,张拉时弹性上拱值与计算误差按 0.5cm 控制(表1),张拉后对锚具及时作临时防护处理。

注:表中括号外值对应于钢柬张拉完成时,括号内值对应于存梁一个月时。

(二)变形验算及预拱度设置

T 梁的预制要提早进行,为了防止预制梁上拱过大、减轻桥梁建成后呈波浪形对车辆行驶的影响,要求存梁期按30d 控制;为防止预制梁与现浇桥面混凝土由于龄期的不同而产生过大的收缩差,预制梁与现浇桥面混凝土时间差控制在60d 之内。存梁期密切注意梁的累计上拱值,若超过规定值,应采取控制措施。根据计算,边板、中板在恒载与汽车荷载作用下的挠度fg +y ,+f 汽>L/1600,均需设置预拱度。同时为保证现浇桥面板和沥青铺装层厚度,各预制T 梁的跨中设置在跨长范围内按二次抛物线变化的下预拱度(表2),预制梁纵向顶面线型与底面线型一致,以保证后期桥面混凝土现浇层的厚度。

参考文献:

[1]JT J023 85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[s].

[2]JT J021 89,公路桥涵设计通用规范[s ].

(责任编辑:谢嵩)

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(1)在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用;

(2)在正常使用时,具有良好的工作性能;(3)在正常维护下,具有足够的耐久性能;

(4)在预计的偶然事件发生时及发生后,仍能保持必需的整体稳定性。

上述四项功能要求,实质上反映了结构的安全性(第一条)、适用性(第二条)、耐久性(第三条)以及稳定性(第四条)要求。其中,安全性和稳定性可以采用承载能力极限状态描述,而适用性和耐久性可以采用正常使用极限状态描述。因此,桥梁可靠度设计要解决的问题是:在结构外荷载和结构抗力的统计特性已知的条件下,根据规定的目标可靠指标,选择结构的有关参数,使结构在规定的时间内,在规定的条件下,保证其可靠度不低于预先给定的值。随着可靠度理论的发展与成熟,结构可靠度理论在桥梁工程中的应用也得到了长足的发展,在各个方面都有所突破。桥梁的可靠性研究工作主要包括以下三方面:(1)桥梁结构的极限状态;(2)荷载和抗力的概率模型及统计参数;(3)桥梁的结构可靠度分析方法。

国内外对桥梁可靠性研究,诸多专家学者已经做了大量的工作,取得了可贵的研究成果。早期Bruneau 分析了一座中等跨径斜拉桥的系统可靠度,按照各种可能的塑性破坏模式,用一次二阶矩法计算了可靠指标,但没有考虑斜拉桥的几何非线性。Flor ian 和N avrat ill 应用抽样法和曲线拟合法对一座中等跨径斜拉桥进行了可靠度分析,在施工及正常使用工况下,分别分析了各随机变量变化对结构内力和变形的影响,并对支座反力进行了可靠度分析。Cho 等用改进的一次二阶矩法和重要抽样法对斜拉桥结构的承重能力极限状态的进行了可靠度分析。沈惠申等用一次二阶矩法对斜拉桥桥塔及主梁静力可靠度进行了分析,并采用概率随机和模糊随机可靠度计算的验算点法对斜拉桥主梁静动力可靠度进行分析。陈铁冰等应用响应面法,考虑斜拉桥的几何非线性效应以及材料、几何尺寸、外部荷载等的随机性,分析了斜拉桥正常使用极限状态下的可靠度。刘志文等利用M onte Carlo 数值模拟与有限元法相结合的方法对各随机参数进行敏感性分析,并利用一次二阶矩法对大跨度桥梁进行了抖振可靠度分析。程进等结合响应面法、有限元法、一次二阶矩法和重要抽样法各自的优点,提出一种新的结构可靠度计算方法 混合分析法,并将其成功地应用到斜拉桥结构静力可靠度分析中,同时进行了斜拉桥静力可靠度的敏感性因素分析,指出影响斜拉桥静力可靠度的主要随机因素。

自从1940年11月美国旧T aco ma 大桥发生风毁事故以来,大跨度桥梁颤振稳定性问题受到广泛重视,取得了一系列的研究成果。这些研究均是基于确定性结构参数,即通常所说的确定性颤振分析。然而,在实际中,无论是结构参数还是荷载参数中都会存在着大量不确定性,这些不确定参数势必影响到结构的颤振临界风速。因此,有必要开展考虑参数不确定性下大跨度桥梁颤振分析方面的研究。与确定性颤振分析成果相比,

大跨度桥梁颤振稳定性可靠度的研究历史还比较短、研究成果较少,目前世界上仅有几座重要的桥梁采用了可靠度研究方法。1985年,M.I to 和Y.F ujino 对A kashi 悬索桥的扭转颤振问题进行了概率研究,其中颤振临界风速作为随机变量,而最大设计风速则假定成确定性变量。丹麦学者H.O.M adsen 和P.O dt enfeld-Rosent hal 在G reat Belt 悬索桥的设计中,把重点放在建立一种应用可靠度方法的桥梁抗风准则上,并尝试把颤振临界风速和最大设计风速都处理成随机变量。意大利学者A.Ianenti 和A.Z asso 在意大利M essina 海峡3300m 一跨过海的悬索桥可行性方案研究中采用了概率方法来确定颤振失稳条件。P.O st enfeld-Ro senthal 等对缆索承重桥梁颤振响应问题进行了可靠度研究,其中考虑了实际最大风速、紊流度、结构阻尼以及模型试验结果转换到实际结构中产生误差的不确定性。葛耀君等采用三种不同的一次二阶矩法分析了桥梁颤振可靠度问题。P ourzeynail 和Datta 采用可靠度基本理论分析了悬索桥颤振可靠度问题。加拿大学者A.G.Davenport 在风振概率分析方面,提出了风荷载链概率模型。在这些研究中,结构的极限状态方程均是显式地采用随机变量来表示,通过引入一些假设来近似地考虑结构抗力和外荷载的不确定性。程进等用一种改进响应面法分析了一座大跨度悬索桥的颤振可靠度,该方法的一个最大特点就是有效地利用了传统的响应面法、有限元法、F ORM 和重要抽样法各自的优点,并将其充分地结合起来,解决了隐式极限状态方程的可靠度问题。

三、结语

通过上述对各种可靠度计算方法的分析,对于极限状态方程线性或非线性程度不高的简单结构,用一次二阶矩法计算可靠度足以满足要求。对于大型复杂结构,其功能函数一般不能显示表达,且其极限状态方程大多非线性程度较高,应用响应面法、蒙特卡洛法、随机有限元法则具有一定的优势。随着可靠度理论的发展与成熟,结构可靠度理论在桥梁工程中的应用也得到了长足的发展,在各个方面都有所突破。

参考文献:

[1]Bruneau.Evalution of system-reliability methods for cab le-stayed b ridge des ign [J ].Jou rnal of Structu ral Engineering,1992,118(4):1106~1120

[2]Florian A.Reliab ility analysis of the cab le-s tayed bridg e in con struction an d s ervice stages [A ].ICOSS AR,Inn sbruck Pr oc.6th ICOSSAR [C ].Rotterdam:Belkema,1993:869~877

[3]Cho H N,Lion J K,Lim J K.System r eliability and system reli ability-based carrying capacity evaluation of cable-s tayed bridges[A].Kyoto Proc.7th ICOSSAR[C].Rotterdam:Belkem a,1997:1927~1934

[4]程进,肖汝诚.斜拉桥结构静力可靠度分析[J].同济大学学报,2004,32(12):1593~1598

(责任编辑:谢嵩)