桥梁设计的冗余度

贺玉娥

(贵州省铜仁公路勘察设计院，贵州 铜仁 554300)



桥梁设计的冗余度

贺玉娥

(贵州省铜仁公路勘察设计院，贵州 铜仁 554300)

针对目前桥梁设计冗余度过程中存在的问题，文章通过分析冗余度的基本内容、参数影响，提出了设计冗余度的原则方法。结果表明，要想提高桥梁工程结构设计的安全稳定性，可通过控制影响其功能作用的参数指标来实现。

桥梁设计；冗余度；外部横向连接类型；桥梁跨长

1 桥梁工程设计的冗余度概述

冗余度是决定桥梁工程建设设计稳定性的关键。具体来说，冗余度是指储备桥梁结构强度以及承载力的重要依据。当桥梁工程的局部结构因外力受到了破坏，虽存在一定危险，但只要破坏的范围处在冗余度的范围内，则仍能保证工程整体的受荷载能力。换句话说，桥梁设计的冗余度就是将系统行为关联起来，进而实现整个桥梁系统的荷载能力有效性。然而，在实际设计过程中，桥梁冗余度容易与超静定次数进行混合使用，这是由于设计未在计算机上实现普及的问题。桥梁设计冗余度的系统系数是作用于构件承载力前的乘数，其与整个桥梁工程结构系统的荷载能力相关联。为实现整个桥梁计算系统的静力平衡，相关设计人员要把其与自由度数进行统一。对于形式不同的桥梁结构冗余度设计，研究人员要通过有限元程序来进行检验，以保证其适用性。由于系统系数是作用于整个冗余度设计体系中，因而相关设计人员要通过完善两方面内容来提升其作用价值，分别是，冗余度的计算方法及其作用于连续梁的上部结构。而在将该计算方法应用于连续梁的上部结构中时，主要是进行工字型和箱型截面的后张混凝土以及钢的设计。这样一来，桥梁工程的各个结构系统就能形成一个作用整体，进而实现每个部件的功能发挥。

2 影响桥梁设计冗余度的参数内容

2.1 外部横向连接类型参数

由于桥梁的外部横向连接或横隔板是永久性的，这就使其成为直接决定着作用结构安全稳定性的关键因素。具体来说，不同的外部横向连接方式，均能够保证桥梁系统的横向传递能力。在实际的设计过程中，不同类型的外部横向连接或横隔板可以起到对冗余度提升的作用，他们之间也会相互影响，使得桥梁系统获得最优化的受力系统，从而保证桥梁的安全性和稳固性。值得注意的是，外部横向连接和实心横隔板的连接设计必须适宜连接构件全屈服时的荷载状态。这样一来，桥梁工程结构设计就具备了可靠的受力系统。此外，对于K形外部横向连接来说，在某些特殊条件下，实心横隔板要比其对冗余度的提升效果更好。

2.2 桥梁跨长参数

据大量研究表明，对于桥梁冗余度的设计，要想使不同跨长的桥梁达到相同的R值(冗余度系数)，就要适当的增加桥梁的外部横向连接。但实质上，桥梁跨长并不是影响桥梁结构冗余度设计的决定性因素。因而，相关设计人员无须对其进行过多的考虑。

2.3 外部横向连接数量参数

从理论层面上，桥梁结构在受到损坏的最初阶段，混凝土桥面位置受到的荷载损坏，很难从梁结构损坏的区域传递到桥梁横向连接的位置上。因而，外部横向连接的数量参数将对桥梁结构的冗余度设计有效性造成很大的影响。以某双箱结合梁桥工程为例，当桥梁每一跨的外部横向连接数量越多，其相应的冗余度就越高。

3 优化桥梁设计冗余度的原则方法

3.1 优化桥梁冗余度设计原则

在进行桥梁结构冗余度的优化设计过程中，应遵循三方面的设计原则。首先，冗余度设计必须要在充分考虑工程建设所处地质情况的基础上，这是制定出满足工程结构对冗余度设计需求的原则内容。其次，在桥梁设计中，设计人员应尽可能的采用连续性整体性强的结构体系和建设模式。最后，对于特大跨度的桥梁结构冗余度设计，设计人员要在关键构件上设置满足传力需求的途径，这是提高整体结构稳定性的关键。

3.2 优化桥梁冗余度的设计方法

优化桥梁的冗余度设计实现方法，关键在于当结构构件受损后，承载力能否对其进行分配补偿，以保证结构功能的持续履行。首先，桥梁冗余度设计要通过使构件发挥出安全的结构作用；其次，控制好构件的荷载系数；最后，对于设计好的桥梁冗余度，要通过相应的检验，来明确结构构件的破坏情况、极限荷载能力以及桥梁受损的极限状态等。

由于冗余度是桥梁结构体系在特定危机事件中的强度储备，或是意外发生时保证结构持续履行功能的能力。因此，冗余度的优化设计可借用桥梁结构可靠度的参数和指标来进行描述。在结构体系中，构件自身的冗余度、与外部边界条件相关的冗余度以及承载途径的冗余度常处在共同存在或是相互依托的情况下。因此，仅仅在极限状态验算式中反映冗余度设计效果是不全面的。

3.3 注意事项

桥梁工程结构的冗余度设计，是保证当桥梁受到不可抗力的破坏时，仍具备持续履行功能的能力。因而，其并不能作为桥梁进行可靠度设计的指标。所以，设计人员应明确，在桥梁结构体系中，持续具备履行功能的能力，是在构件自身冗余度以及相关的外部结构冗余度相互依存的前提下实现的。基于此，相关设计人员在实际设计时，要根据桥梁结构对冗余度设计功能的需求，来制定出具有针对性的冗余度设计要求。此外，设计人员还应充分考虑冗余度设计工程所处的地质情况以及路段建设情况。对于大跨度桥梁工程结构的冗余度设计，可采用三维有限元科学技术来分析结构所受的应力情况，进而找出设计中存在的缺陷。这样一来，设计人员就能在问题的基础上，不断提高冗余度的设计有效性，从而避免桥梁工程结构出现不必要的安全威胁。

检验桥梁结构冗余度设计效果，要从构件的破坏程度、桥梁极限的荷载能力以及桥梁受损的极限状态来进行分析，这是确保桥梁构件体系处在安全使用状态的关键。对于典型桥梁或是普通桥梁，设计人员要采用具有针对性的检验方式。具体来说，桥梁的冗余度是与桥梁本身的几何及桥梁部件相关联，因而，设计人员应根据这一内容去分析确定检验完好的桥梁及受损桥梁的状态以及在桥梁满荷载状态下的情况。在进行检验分析时，要从两方面内容进行细化，分别是：利用非线性的结构分析软件来具体分析情况；冗余度系数表根据典型的桥梁系统来修正得到的构件强度。

4 结束语

综上所述，随着市场经济发展对桥梁使用年限和质量的要求，这在一定程度上增加结构冗余度的设计难度。针对这一问题，文章通过对影响其作用效果的参数指标进行分析，其目的是为相关建设者提供一些理论依据。事实证明，设计人员应根据工程建设所处的地质条件以及结构设计要求，采取具有适用性的冗余度设计方法，这就确保了桥梁工程建设使用的耐久性。因而，相关建设者应将其作为重要的研究课题，以不断提高桥梁结构冗余度设计的科学技术水平。

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[2] 童志华,夏飞.对桥梁设计冗余度的研究[J].公路交通科技(应用技术版),2014,(6):260-261.

[3] 吴志芳.冗余度理念在桥梁结构设计中的应用[J].交通世界(运输.车辆),2015,(10):90-91.

2016-07-29

贺玉娥，女，湖北天门人，工程师，研究方向：公路与桥梁。

U442

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1008-3383(2016)11-0101-02