铁路结构设计方法的比较

铁路结构设计方法的比较

一、容许应力法

1.理论基础：弹性理论

2.假设：结构为均质弹性体

3.要求：结构在使用期间任意一点的应力不得超过某一许用应力，通过工程实践经验确定安全系数，从而决定许用应力的大小。

4.使用方法：通过大量实验以及工程实践确定各种材料的许用应力，在结构计算中通过确保结构产生的最大应力小于许用应力来保证结构安全，即σmax ≤[σ]。

二、破坏阶段法

1938年，前苏联颁布的设计规范采用了破坏阶段法。这一方法不再引用匀质弹性体的假设，而是考虑了结构临近破坏前的弹塑性阶段，因而较好地反映了钢结构受力的实质。但是这种方法采用了笼统的总安全系数来估计使用载荷的超载和结构材料性能的离散性，不能得到明确的可靠度概念。随着针对载荷和材料变异性的研究，前苏联于50年代提出了按极限状态的设计法。这种方法综合了许用应力法和破坏阶段法的优点，根据材料、载荷及使用要求等具体情况进行分析，更正确地反映结构的真正承载能力与可靠性。但是仍然没有给出结构可靠度的定义和分析可靠度的方法，此外，对于保证率的确定、系数的取值等方面仍带有不少主观经验的成分。

三、极限状态法

1．理论基础：弹塑性理论

2．类别：根据发展阶段进行分类，即根据对材料性能分布规律统计的程度来划分，分为三个水准级别：水准Ⅰ—半概率法；水准Ⅱ—近似概率法；水准Ⅲ—全概率法。

3．要求：极限状态是指当结构整体或者结构的某一部分超过某一特定状态后就不能满足设计功能时，这一特定状态就是极限状态。根据设计功能的不同，分为承载能力极限状态、正常使用极限状态以及破坏——安全极限状态，在设计中应综合来考虑。

4. 使用方法：通过大量的，长期的实验以及工程实践，统计材料性能的分

布规律，得到保证可靠度的极限状态方程，将方程转化为易于使用的标准值，分项系数等概念。分项系数由分布规律、平均值、变异系数和可靠度分析中的灵敏系数以及目标可靠指标来确定。最终使得KS≤R来保证结构的可靠度。

四、容许应力法和极限状态法比较

1．容许应力法局限性

容许应力法主要依据结构分析理论和材料、构件的试验成果以及荷载测试，安全方面主要取决于安全系数的取值。随着工程技术水平的进步和人们认识的不断深入，安全系数取值也在不断修正完善。但是，由于影响结构安全的因素太多且十分复杂，在缺乏更科学合理的方法来深入分析结构的安全性时，仍只能靠经验和主观判断进行考虑。随着我国铁路桥梁技术的不断进步，使用容许应力法进行桥梁结构设计存在较多不足，主要表现在以下几点。

( 1) 容许应力法采用的安全系数，没有很好考虑荷载、材料特性等参数变化的影响，因而采用不同安全系数的桥梁结构之间缺乏可比性，材料也不可能为完全的均质体。

( 2) 仅采用容许应力法进行设计难以防止桥梁其他形态的破坏。桥梁结构除了强度上要满足容许应力的要求外，仍要防止其他破坏状态。

( 3) 安全系数的取值多凭经验和工程实践判断，难以准确评价桥梁设计的安全度。

( 4) 仅靠单一安全系数来考虑不同性质的桥梁荷载不太合理，用其简单考虑作用效应和抗力也是不准确的。

( 5) 对材料强度采取一定的安全折减来保持桥梁结构的使用性能和安全性，不能充分发挥材料性能，影响其技术经济性。

( 6) 桥梁结构变形、混凝土性能劣化等的情况不能直接控制，影响设计质量。

( 7) 使用容许应力法不利于铁路桥梁对外交流和技术进步。由于我国铁路桥梁采用的是容许应力法设计规范，国际咨询和技术交流经常出现设计参数不对应，无法进行直观对比的情况。

2. 极限状态法的优势

极限状态设计法基于概率论和结构可靠度理论，考虑了影响结构安全的各种因素，并通过概率统计方法和可靠度指标将各种影响因素转化为多个分项安全

系数。极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态，也包括铁路桥梁的疲劳承载力极限状态。20 世纪40 年代，美国学者提出了结构失效概率的概念，70 年代，国际标准化组织( ISO) 提出了基于结构可靠度理论的设计原则。从20 世纪70 年代开始，世界许多国家开始采用结构可靠度理论制定结构设计规范，极限状态法逐步成为结构设计理论发展的主流趋势。极限状态设计法以极限状态为结构的设计状态，用概率论处理结构的可靠性问题。设计的原则是荷载引起的荷载效应S 在规定的极限状态下大于抗力R的概率( 即失效概率P f)

不应超过规定的限值［P f］，即:

P f＜［P f］

为了便于计算，引入了结构可靠度指标β来代替失效概率P f，二者关系为P f= φ( －β)式中φ( δ) ——标准正态分布函数。

目前国内外规范中采用较多的是近似概率极限状态设计法。铁路桥梁结构采用极限状态设计法比容许应力法有着明显的优势，主要体现在以下几个方面。

( 1) 通过可靠度指标β，使得各类铁路桥梁结构的可靠度得以相互协调，利于结构的优化设计。

( 2) 将概率论和数理统计运用到桥梁结构安全的问题中，阐释了桥梁结构安全的实质，能科学定量的确定结构的可靠性。

( 3) 以塑性理论为基础，更加符合实际情况，能充分发挥材料性能。

( 4) 给出了结构极限状态的确切定义，把极限状态作为结构安全和失效的界限，并用数学形式表示出来，使铁路桥梁结构设计理论更加趋于完善。

( 5) 更加全面地考虑了影响桥梁结构安全各种因素的客观变化和差异，使得设计参数更加合理，让安全性和经济性更好的协调统一。

( 6) 极限状态法设计中的相关参数，能伴随桥梁各方面的技术进步在设计中得到更好的体现。