桥梁施工临时结构体系可靠性评估方法

卢平

摘 要：近年来，随着社会的不断发展以及人们生活水平的显著提高，城市化进程的速度也不断加快。基于这种时代背景，桥梁工程数量不断增多。与此同时，人们对桥梁结构和质量有了更高的要求，致使业内人士对桥梁施工临时结构体系可靠性引起了重视。作者在文章中就桥梁施工临时结构体系可靠性评估进行了深入细致地分析和探讨。

关键词：桥梁施工；临时结构体系；可靠性；评估

现阶段，在我国桥梁施工中，临时结构体系以其独有的优势和特点得到了较为广泛的应用。临时结构体系具有较强的可加工性，且重复利用率较高。然而，在该结构的具体应用中，也引发了一些安全事故。为此，桥梁施工临时结构体系可靠性评估已经成为业内人士亟待研究的一项重要课题。

1 桥梁施工临时结构体系可靠性分析

1.1 临时结构体系失效模式

如果桥梁临时结构的抗力以及荷载都服从正态分布，并且相互独立，则结构的失效模式与多种因素相关，如结构构造以及材料性质、受力形式等等。我们无法对所有的失效模式一一进行分析，并且各个失效模式对桥梁临时结构体系可靠度的影响也不一致。现阶段，通过串并联的方式对体系的失效模式进行判断受到业内诸多人士的推崇。

桥梁临时结构体系的构造并不复杂，且耦合度也比较高。在这种情况下，工作人员可以较为精准的预判出桥梁临时结构体系可能产生的失效行为。据研究显示：通过实验或者数值仿真等串并联失效模型可靠度分析的方式，比较契合已知体系失效行为的桥梁结构[1]。鉴于此，作者在文章中在对桥梁临时结构构件的受力状态和构件间相互作用分析的基础之上，通过串并联模型来明确桥梁临时结构体系失效模式。

1.2 选择目标可靠度指标

于构件方面，无论是规范CHBD，还是AASHTO均采用3.75作为去桥梁构件设计的目标可靠度指标，在桥梁临时结构中，最好将可靠度指标优化到3.5。我国相关方面的标准通过在桥梁结构破坏后带来的影响对目标可靠度指标进行了合理制定，将目标可靠度指标分为三个等级。在此过程中，延性破坏构件为4.7以及4.2、3.7，脆性破坏构件则有所提高，具体为5.2以及4.7和4.2。我国在体系层方面尚未有明确的规定。有国外专家认为，在体系可靠度指标为4.5时，桥梁结构是比较安全的[2]。

在桥梁施工过程中，之所以事故频发，与临时结构设计过于经济有很大的关系。为此，一定要适当将桥梁临时结构的目标可靠度提高。通过对各方面要素的综合考量，可将桥梁结构体系可靠度指标设为4.2。

2 随机变量的统计参数

2.1 抗力的统计参数

在桥梁施工临时结构体系中，结构抗力受到多方面因素的影响，有几何参数的不定性；材料性能的不定性；计算模式的不定性。文章中主要针对几何参数的不定性以及材料性能的不定性进行探讨。

目前阶段，钢筋结构以及混凝土结构具有一定离散性，且材料具有一定的不确定性。就这两点而言，其与钢结构相比，明显偏高。然而，分析钢结构的几何参数以及材料性能的不定性也是很有现实意义和价值的。

几何参数：对于构件的几何尺寸变异系数以及厚度变异系数，不同的专家所持的观点不同。有专家认为对于普通加工的钢构件，可将其平均截面特性变异系数设为5%，而对于多次重复利用的钢构件，其截面特性变异系数可相应有所提升，提升至8%。文章综合各方面的因素进行考量，在计算中假定结构的截面积有10%的变异。

2.2 荷载统计的参数

2.2.1 永久荷载

永久荷载包含有两个层面：一是混凝土重量，二是临时结构自重。在混凝土浇筑期间，恒载的变异系数取值是有一定规律的，其范围主要在0.08-0.10之间。也有专家认为，变异系数的取值应为0.05。对此，不同专家的观点不一而足。就目前施工质量的控制情况来看，混凝土的自重偏差系数和变异系数应分别取为1.00和0.05，与高斯分布相契合[2]。通过截面的变异可以使临时结构的自重变异得以实现。

2.2.2 可变荷载

在桥梁工程施工过程中，可变荷载的取值是混凝土浇筑完成后所对应的荷载值。在桥梁施工中，临时结构承受竖向荷载以及风载等横向荷载。尤其是于跨海跨江的大桥工程施工过程中，风荷载比较大。鉴于此，在具体进行计算时，宜对横向的风荷载进行充分考虑，且应将施工地数十年乃至百年一遇的风压值考虑进来，但对风压的变异性可不予考虑。

2.2.3 人为因素的差错的统计参数

桥梁施工临时结构在安装以及移动时，之所以会出现结构整体失效的状况，多半是由人为因素造成的。为此，在桥梁临时结构体系可靠性分析过程中，一定要将人为因素充分考虑进来，对其进行量化。然而，目前阶段，和人为因素有关的差错的统计资料非常少。经过周密分析和计算，可以假定全部人为因素造成的差错只对桥梁施工临时结构抗力分布的期望值产生影响，对分布的离散性无影响。与此同时，可以假定全部受到人为因素的差错的影响的工作被全面细致地检查两次。

3 算例的具体分析

3.1 工程基本概况

在对桥梁施工临时结构体系可靠性评估的过程中，可以一三跨预应力混凝土变截面连续箱梁矮塔斜拉桥为例。该工程的最大悬浇节段箱梁的高度和长度分别为5.173米和5.000米，工程的混凝土方量为68.7立方米，通过对称悬臂的方式进行施工，在此过程中，每一节段的混凝土要一次性浇筑完。该桥梁箱悬臂施工所采用的是自锚式三角挂篮，构件为Q235型钢，立柱和主纵梁部分选用的是Q345的钢销连接[3]。

3.2 体系失效的模式

挂篮失效行为的产生，主要与以下几方面原因相关：（1）挂篮倾覆或者坠落。（2）挂篮的部分杆件失效。以上是造成挂篮失效的两种最主要的原因。文章在充分研究三角挂篮失效资料的基础上，对挂篮可能失效的情况进行明确，并查找出可能的原因，具体有如下几种：（1）挂篮因倾覆而失效，通常与后锚失效有很大关系。（2）主纵梁或者立柱、后拉杆等构件失效。（3）四个横梁失效。（4）单根吊带或者相邻、非相鄰的吊带失效。

通過对造成吊篮失效的原因进行综合分析，有针对性的明确计算工况，并通过有限元对本算例挂篮有效计算，将有限元的计算结果和串并联模型相结合，可以明确该挂篮可能的失效模式。在具体进行计算的过程中，通过从属面积的方式，将混凝土节段自重和施工可变荷载施加到底板小纵梁，将风荷载分摊到挂篮主桁架上。通过周密的分析和计算，该三角挂篮的失效模式具体变现如下：（1）就桁架子体系而言，一定要确保三榀桁架的有效性，因为其中任一环节或构件失效，都会致使挂篮体系失效。鉴于此，宜使各榀桁架为串联关系。在这种情况下，只有主纵梁产生失效，才会发生榀桁架失效的状况。（2）在吊带子体系中，如果发生相邻两吊带失效的状况，便会导致吊带子体系失效，并进一步致使挂篮体系失效。在这种情况下，可将吊带子体系的失效模式看作相连吊带并联的失效模式。（3）如果部分构件和后锚、连接中任一环节或者构件失效，便会发生挂篮体系失效的现象。鉴于此，这一部分的失效模式都应串联[4]。综合以上现象进行分析，挂篮结构的失效模式可看作是桁架以及横梁、吊带等的串联失效模式。图1是三角挂篮模式失效图。

3.3 结果分析

3.3.1 构件层次分析

综合分析构件的受力形式，在此基础之上，明确对应的破坏模式，并且采用行之有效的抽样法计算出各构件的可靠度指标。通过计算结果，可以得出以下结论：（1）在具体施工过程中，挂篮的前斜撑可靠度的指标最低，说明挂篮符合相关要求，且安全储备性较强。（2）相比其它构建，上横梁的可靠度指标较高，鉴于此，可适当将该构件更换为较小截面积的构件。（3）风荷载在绝大多数情况下对构件的可靠性指标的影响都不大，主要是因为相比横向荷载，同竖向荷载过小。

3.3.2 体系层次分析

对挂篮体系进行可靠度计算分析的结果如下：（1）挂篮体系可靠度指标比最小子体系可靠度指标小，之所以出现这样的现象，主要是因为挂篮体系的失效模式的构成所致。（2）在考虑和不考虑人因差错和风荷载的情况下，挂篮体系的可靠度指标表现出一定程度的不同，说明该挂篮较安全。（3）相比其它子体系，后锚子体系的可靠度指标明显偏高，但综合考虑，不建议对后锚部分进行调整。

4 结束语

终上所述，在对桥梁施工临时结构的失效模式进行判定的过程中，有限单元计算和串并联失效模型相结合的方式非常有效。同时，通过体系可靠度来评估桥梁施工临时结构的安全性，可以使在施工过程中产生的一些问题得到很好的解决。鉴于此，桥梁施工的永久荷载取值和变异参数、可变荷载均值、变异系数宜分别取1.0、0.05、0.3倍名义值、0.7，此外，在分析临时结构的可靠度时，一定要充分考虑人因差错。通过以上措施，可以提升桥梁施工临时结构体系的可靠性，使桥梁工程更好地服务于新时期的发展需要。

参考文献

[1]聂瑞锋，石雪飞，阮欣等.桥梁施工临时结构体系可靠性评估方法[J].同济大学学报（自然科学版），2014，42（10）：1493-1498.

[2]陈云.V形支撑桥梁结构体系研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2014（3）：364-366.

[3]张磊.桥梁上部结构体系监理过程中存在的问题分析[J].江西建材，2014（9）：304.

[4]李国强，徐升桥.铁路桥梁钢管混凝土结构体系参数研究[J].铁道标准设计，2013（4）：27-30.