芻議橋梁設計的冗余度

■張 犁 ■湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙 410075

1 冗余度以及其在橋梁設計中的內在意義

1．1 冗余度的定義及內涵

橋梁穩定起到決定性作用的應該是整個結構系統的冗余度，冗余度是在橋梁設計當中作為一種強度儲備或者承載能力儲備的角色而出現，當橋梁結構局部發生某種被破壞的發生危險的情況下時，整個橋梁的負荷載能力還在其本身可以承受的范圍內，在這一范圍內保持橋梁的整體受荷載的能力。冗余度歸根結底是與系統的行為相關聯的，一般我們在結構設計之初就應該把系統的系數考慮進來，進而估算整個橋梁系統的有效荷載能力。然而在設計過程當中和容易與超靜定次數混合使用，這一情況主要出現在計算機未在設計當中全面普及所導致。系統系數是用于名義構件承載力之前的乘數，與整個橋梁系統的冗余度及荷載能力相關聯。為了計算整個系統的靜力平衡，通常做法是把自由度數與靜力平衡相統一。關于橋梁矩陣形式中，橋梁的間距和橋梁的數目是這一矩陣中的變數，這一概念是基于對跨徑的修正而提出。對于其他形式的橋梁結構的冗余度，相關工程人員可以通過有限元程序來檢驗。在設計中往往會遇到所設計橋梁的冗余度難以用上述標準準確判斷，這樣一來就不得不要求設計人員在設計之初對構件的設計要更加中規中矩。與此不同的橋梁，冗余度也相對較好，在其設計過程當中可以相對開放。系統系數的作用始終會貫穿于整個設計體系當中。在整個設計過程中通常會涉及到2個階段的過程。一是冗余度的計算方法，而且要有一個系統系數的簡便計算表，可以在橋梁設計和估算時采取此種方式進行計算。二是將第一種計算方法拓展到連續梁上部結構當中。上述系統系數的計算方法已經被廣泛的應用于工字型或者箱型截面的鋼和后張混凝土結構中去。整個橋梁系統是渾然一體的一個整體，每個部件都發揮其各自功能?，F行的橋梁設計往往是對某一單獨構件進行設計，而忽視了橋梁整個系統。

1．2 橋梁結構體系的冗余度

橋梁結構中的冗余度在整個橋梁結構體系中占有很重要的地位，但是研究整個橋梁的機構時候結構體系通常只是是將具有不同功能的結構部件通過受力系統科學有序的鏈接起來，以保證整個橋梁有充足的荷載能力。而一個橋梁結構如若沒有冗余度，整個結構體系的安全系數也必然會很低。這是因為若在某個時候整個結構系統某一連接部件被破壞的情況下，就會另整個結構系統穩定性發生變化，這一情況在美國某鋼橋出現過。而一個橋梁結構有冗余度的情況下，結果會大大不同，一般情況下某個部件被破壞的情況下并不會影響整個橋梁的結構體系的穩定性發生變化。因此，在實際的橋梁設計當中為了整個橋梁結構體系的穩定性和安全性，會對整個系統設定一個冗余度，使得整個橋梁結構系統有不同途徑的多條傳力方式，這也就說明橋梁結構的承載力大小與橋梁結構體系的荷載與再分配能力的大小有正相關的關系。

1．3 冗余度系數

冗余度系數一般用R表示，這一情況在橋梁設計中得到了體現。在實際的橋梁設計中，會把橋梁結構分為2個部分進行冗余度的定量計算分析，通過分析可以得到整個橋梁的承載力及再分配能力的大小。R可以通過公式計算得出，可為橋梁冗余度的設計提供客觀的參考依據。

2 橋梁各設計參數對結構冗余度的影響

橋梁跨長、曲線半徑、外部橫向連接類型和數量等等指標都是在橋梁設計過程中主要使用的橋梁結構設計參數。上述參數在設計時都會或多或少的對冗余度產生一定的影響。以下我們將分別對這幾個影響因子進行分析。

2．1 跨長對結構冗余度的影響

若要不同跨長的橋梁達到相同的R值就要使得橋梁外部橫向連接要足夠的多。這一發現是通過不斷的實際操作中發現的，也就是跨長實際不是冗余度的主要決定性影響因素，換言之跨長這一設計參數在實際的設計冗余度可以考慮的比較少。

2．2 曲線半徑對結構冗余度的影響

我們以跨徑80m的設計橋梁為對象進行分析，其結構系統的冗余度系數會與曲線半徑之間成正相關關系。據此我們可以得出一個結論，跨徑不相同的橋梁曲線半徑會得出不同的冗余度。這一結論是建立在對曲線半徑為150米、200米、250米三個等級的曲線半徑與冗余度之間的關系研究之上。

2．3 外部橫向連接類型對結構冗余度的影響

在橋梁設計之初，外部橫向連接的類型和實心橫隔板的鏈接要滿足結構部件全區服時滿荷載為最低標準。這也就意味著外部橫向連接的類型和實心橫隔板的鏈接對于橋梁系統的安全性和穩定性起到決定性作用，因為該設計參考因素對橋梁系統的橫向傳力能力會有很重要的作用。當然外部橫向連接類型的不同或者橫隔板的不同對橋梁冗余度的提升也會有不同的表現。從橋梁設計的安全性和穩定性角度出發，外部橫向連接的類型和實心橫隔板的鏈接相互之間的最佳搭配才會形成最可靠的受力系統。此外，需要特別提出的一點是，在某些情況之下，實心橫隔板要比K形連接對冗余度的提高更加有效。

2．4 外部橫向連接數量的影響

理論上，在橋梁收到破壞在損壞的最初階段，混凝土橋面所收到的損壞荷載難以及時從梁損壞區域傳遞到最近的橫向連接部位，因此我們可以得出，外部橫向連接的的類型及數量的多少對橋梁設計的冗余度有很大的影響。然而在實際的橋梁設計過程中，我們不難發現冗余度的高低與橋梁每一個跨度中所含有的外部橫向連接的類型及多少有很大關系。

3 橋梁設計冗余度的實現方法

橋梁設計的冗余度大小在于當某一個構件受損，橋梁整個承載力發生變化其能否及時的分配對已經施加在其上的荷載，這其中還包括其橫向、縱向分配荷載的能力。橫向縱向分配荷載的能力大小則取決于縱梁特性、橋面板、幾何構造、基座出橋梁構件的延性等等方面。橋梁荷載的系數需要從幾個方面來分析，一是橋梁設計中某個構件是否對結構安全有實質作用繼而來區分其冗余度的是與非。二是某一構件的荷載系數的大小，冗余度好，延展性肯定也好，說明荷載系數要比1小;反之如果某一構件的荷載系數如果要是大于1的情況，說明整個設計的冗余度不是很好，其延展性必然會受到影響。

構件的破壞、橋梁極限荷載能力、橋梁受損時的極限狀態這幾個是可以檢驗橋梁冗余度和整個構件體系是否安全的狀態指標。我們針對典型橋梁之外的其他橋梁，也有相對應的分析方法。橋梁的冗余度是與橋梁本身的幾何及橋梁部件相關聯一致，根據這一原則去分析確定應當時間的荷載、檢驗完好橋梁及受損橋梁的狀態以及在橋梁滿荷載狀態下的情況。在分析時還需要兩個方面的支持，一是冗余度系數表根據典型的橋梁系統來修正得到的構件強度。二是利用非線性的結構分析軟件來具體分析情況。

4 結束語

我國近年來經濟繁榮發展迅速，對基礎設施的發展也加大了重視程度，因此也就客觀的對橋梁的使用壽命及質量提出了更高的要求。加之交通工具的發達，使得我們必須保證橋梁設計本身的穩定性、安全性、實用性及耐久性。在設計之初就要充分的考慮到橋梁冗余度的情況，包括要考慮到構件的破壞、橋梁極限荷載能力、橋梁受損時的極限狀態這幾個檢驗橋梁示范安全的狀態指標。

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