桥梁可靠度浅谈

1、概述

 无论是房屋、桥梁、隧道等结构，都必须满足下列四项基本功能要求：

（1）能承受在正常使用和正常施工时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）在偶然事件发生时（如地震火灾等）及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。

上述第（1）、（4）项为结构的安全性要求，第（2）项为结构的适用性要求，第（3）项为结构的耐久性要求。结构若同时满足安全性、适用性、耐久性要求，则称结构可靠，即结构的可靠性是使结构的安全性、适用性和耐久性的统称。

而结构可靠度是结构可靠性的概率量度。其更科学、更明确的定义是：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。

以概率为基础的结构可靠度理论最突出的特点是承认和揭示了结构属性中存在着不确定性，把影响结构可靠性的各种因素当作随机变量，使它们恢复了固有的自然特性，并通过数据得到这种客观变异性。通过实测和统计，用可靠性数学理论，计算出结构可靠度指标失效概率或可靠指标来衡量结构的安全水平【1】。

故本学期，本门功课的主要内容为在结构可靠度理论的基础上进行可靠度分析进而得到结构概率可靠度设计的实用表达式，进而验算结构是否可靠（即设计值是否小于等于极限值），从而完成对工程的可靠度评估。

2、桥梁面临的可靠度危机

根据国家统计局2002年2月公布的《第二次全国公路普查主要数据公报》，全国查出危桥近10000座。世界各国桥梁也均存在此情况，特别是发达国家，危桥数量更大。例如： 1981年美国统计共有公路桥梁566000座，对514000座进行了调查，结果发现98000座桥必须封闭交通，降低使用标准或立即整修，约占总数的20％，102000座桥功能老化，桥面太窄或承载能力偏低，约占总数的20％。英国约有92000座桥梁是在1922年以前建造的，现约有1／4的桥梁不能满足现代规范要求。在澳大利亚，仅就加固或更换新南威尔士州的有损害缺陷的桥梁，估计需要至少3．5亿美元。德国通过对一个州内的钢筋混凝土桥梁和预应力混凝土桥梁的全面调查，发现桥龄在50"--60年的钢筋混凝土桥梁中，27％的桥梁上部结构至少有一处严重损伤；％至少有一处重要损伤，30"--35年桥龄的钢筋混凝土桥梁中，13％至少有一处严重损伤，53％至少有一处重要损伤。【2】由文献得来的以上数据表明，在安全性、适用性与耐久性上，有相当比例的桥梁不合格。尽管不合格的原因多种多样，但设计的不合理性无疑是其中重要的一部分。

故此，我们需对桥梁的可靠度设计加以留意与用心。

3、作用于桥梁结构的荷载

桥梁是架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行的建筑物，由于桥梁不同于其他建筑物的这一特性，考虑作用于桥梁的荷载时也应与其他建筑物有所区别。

正如教材与讲座中所提到的，作用于桥梁结构的荷载按其随时间的变异，可分为：永久荷载、可变荷载与偶然荷载。对于桥梁结构上的作用，应根据我国《公路桥涵设计通用规范》来规范计算。

（1）永久荷载

主要为结构自重、结构的预加应力、土的重力、土的侧压力、水的浮力、混凝土收缩与徐变影响、超静定结构长期变形影响。

永久作用采用标准值作为代表值。

根据我国《公路桥涵设计通用规范》：

对结构自重，可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度来计算确定。

对结构的预加应力，进行结构的正常使用极限状态设计和使用阶段构件结构应力计算时，将预加应力作为永久作用计算其主效应和次效应，并计入相应阶段的预应力损失，但不计由于预加力偏心距增大引起的附加效应。在进行结构承载能力极限状态设计时，预加力不作为作用，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分，但在连续亮灯超静定结构中，仍需考虑预加力引起的次效应。

对土压力，<1>静土压力按第三章要求计算，在计算倾覆和滑动稳定时，墩、台、挡土墙前地面以下不受冲刷部分土的侧压力可按静力土计算。<2>当土层特性有变化或受水位影响时，应该分层计算土的侧压力。<3>土的重力密度与内摩擦角应根据调查或试验确定，当无实际资料时，可按我国《公路桥涵地基与基础设计规范》采用。

对水的浮力，<1>对于基础底面位于透水性地基上的桥梁墩台，当验算稳定时，应考虑设计水位的浮力；当验算地基应力时可仅考虑低水位的浮力，或不考虑水的浮力。<2>基础嵌入不透水性低级的桥梁墩台不考虑水的浮力。<3>作用在桩承基台底面的浮力，应考虑全部底面积。对桩嵌入不透水地基并灌注混凝土封闭的，不应考虑桩的浮力。在计算承台底面浮力时应扣除桩的截面面积。<4>当不确定地基是否透水时，应以透水或不透水两种情况与其他作用组合，取其最不利情况进行考虑。

对混凝土收缩与徐变影响，<1>外部超静定的混凝土结构、钢和混凝土组合结构等应考虑混凝土收缩及徐变影响。<2>混凝土收缩与徐变系数可按规定文献的规定计算。<3>混凝土徐变的计算，可假定应力与混凝土徐变呈线性关系。<4>计算圬工拱圈的收缩作用效应时，如考虑徐变影响作用应乘以0.45的折减系数。

对于超静定结构当考虑由于地基压密等引起的长期变形影响时，应根据最终位移计算构件的效应。

（2）可变荷载

可变作用根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为其代表值。

承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时，采用标准值作为其代表值。

正常使用极限状态按短期效应（频遇）组合设计时，采用频遇值作为其代表值；按长期效应（准永久）组合设计时，采用准永久值作为其代表值。

可变作用主要为汽车荷载、车辆冲击力、离心力、风荷载、水压力、冰压力、温度变化等。

对汽车荷载、车辆冲击力、离心力等，可按课程中所学方法进行计算。

对风荷载，<1>横桥向风荷载假定水平的垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上，其标准值按课程中公式计算。<2>桥面构造的风荷载阻力系数取k=1.3；桥墩或桥塔的风荷载阻力系数k，可依据桥墩的截面形状、尺寸比及高宽比的不同由表查得。表中没有的截面，应以风洞试验确定。<3>悬索桥、斜拉桥桥塔上的顺桥向风荷载标准值按横桥向风压乘以桁架迎风面积计算；桥梁顺桥向可不计桥面系及上承式梁所受的风荷载，下承式桁架顺桥向风荷载标准值按横桥向风压的40%乘以桁架迎风面积计算;桥墩上顺桥向风荷载标准值按横桥向风压的70%乘以桁架迎风面积计算；桥台可不计算风荷载。<4>对风敏感且可能以风荷载控制设计的桥梁，应考虑桥梁在风荷载作用下的静力与动力失稳。

对水压力，其合力的着力点假定在设计水位线以下0.3倍水深处。

同理，对冰压力，其合力的着力点假定在计算结冰水位线以下0.3倍水深处。

（3）偶然作用

偶然作用采用标准值作为代表值。

主要包括地震作用、船舶或漂浮物的撞击等。

对地震作用，地震动峰值加速度等于0.1g,0.15g,0.20g,0.30g地区的公路桥涵，应进行抗震设计。，地震动峰值加速度大于0.40g地区的公路桥涵，应进行专门的抗震研究与设计。，地震动峰值加速度小于0.05g,地区的公路桥涵，除有特殊要求外，可采用简易设防。

对船舶或漂浮物的撞击，位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台，应考虑撞击作用的影响，在无实际资料时，其标准值可按《公路桥涵设计通用规范》采用。可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩应根据水流流速、通航船舶类型等因素作桥墩防撞设施的设计。而当设有与墩台分开的防护结构时，桥墩可不计船舶与漂浮物的撞击作用。

（4）作用的效应组合

应用上文的可靠度概念，将永久荷载、可变荷载与偶然荷载分别以经验所得的系数处理、组合，取其最不利情况进行考虑。当可变作用的出现反而有利于结构构件时，该作用不参与组合。由此可以得到公路桥涵的可靠的设计值，从而完成对工程的可靠度设计。即本课程的学习目的。

4、结束语

本学期我们系统的学习了各种荷载的实用计算方法，略通了可靠度分析的基本方法，并了解了多种荷载联合作用时结构设计的表达式。在课程将要结束之际，又选听了桥梁方向的荷载作用讲座。在讲座中被列举的两个工程实例对我们理解这门课是很有帮助的，桥梁荷载计算主要考虑的荷载形式、针对的荷载的组合方式等都在讲座中有所介绍，令我们获益匪浅。