桥梁结构冗余度的评价指标研究

张宏铼+田娟

摘 要：冗余度是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。冗余度更多应该是结构整体的一种对“灾难”的承受能力。桥梁结构的冗余度可以借用桥梁结构可靠度的某些参数和指标来描述，而不应该成为结构可靠度的一种贡献。文章重点介绍了在不同荷载水平下，对桥梁结构冗余度的评估，并提供一种非主观性的、确定性的评价指标。

关键词：冗余度；结构体系；桥梁结构；评价指标

引言

美国1967年银桥（Silver Bridge or Point Pleasant Bridge）的垮塌和1983年米阿纳斯河桥（Mianus River Bridge）的垮塌事故，对AASHTO规范有很显著的影响。在1996年AASHTO的首版荷载抗力系数设计法规范中，首次在设计原则中明确提出冗余度的要求。

1 桥梁结构冗余度的定义

桥梁结构的冗余度是指结构在局部破坏的情况下，整体结构继续承受荷载的能力。更确切一些也可以理解为结构系统的承载能力储备率（或者称为强度储备率）。桥梁结构的局部破坏形式可以是构件或连接突然的脆性破坏，也可以是桥梁局部发生大变形后的延性破坏；破坏的原因可能是严重的活载超载、构件的疲劳断裂、水流冲刷导致地基承载力下降，或是突发事故如车撞、船撞、地震等。

2 桥梁结构的冗余度分析

冗余度分析的主要目的不是判断桥梁失效在损失一个构件后能否继续服务，而是研究桥梁系统在失去一个构件后，在相关部门发现损伤并采取处理措施（如关闭交通、维修、重建）之前的这一时间段内，能继续安全承担交通荷载的能力。

评估桥梁冗余水平，首先要理解桥梁系统在荷载作用下的响应。桥梁系统的性能可用图1表示。该图反映了不同荷载水平下的桥梁的响应，以及桥梁构件安全性、系统安全性、系统冗余评估的相应准则。桥梁响应用临界截面的最大位移来衡量。

图1中的A线表示某一完好、延性桥梁系统在不同荷载水平下的最大挠度，“完好系统”指桥梁结构未经受破坏性荷载或事件。

在進行承载能力分析时，最初只考虑桥梁恒载，然后在此基础上逐级施加瞬载。当瞬载达到LF1时，第一个构件失效，LF1反映构件安全水平。LF1代表结构系统在第一构件达到极限承载能力之前能承受的荷载，可以用实际荷载值衡量，也可以用基本荷载的倍数衡量，如设计货车荷载的辆数。

通常，荷载达到LF1后，整个桥梁还可继续承载加载，直到瞬载达到LFu。LFu可衡量桥梁系统安全性。桥梁挠度过大，则其功能性不满足要求，不宜继续使用，LFf用来衡量系统功能性，荷载达到此值则桥梁失去功能性。

如果桥梁因一个或多个构件发生了脆性破坏而经受了大的破坏，其行为可用图1B曲线“受损桥梁”表示。瞬载达到LFd时，受损桥梁达到极限承载能力，LFd衡量受损系统的残余安全度。

因为冗余的定义是结构在失去一个主要构件后继续承担荷载的能力，原始完好桥梁系统和受损桥梁系统的总承载力分别用图1中的LFu，LFf，LFd衡量。这些值与最关键构件的承载力LF1的比值，即是桥梁冗余的度量。研究者将其定义为“系统储备率”或者“冗余率”，强度极限状态对应的冗余率表示为Ru，工作极限状态的冗余率表示为Rf，受损桥梁的冗余率表示为Rd。

冗余率Ru，Rf与Rd为桥梁冗余提供了非主观的、确定性的评价指标。例如，如果Ru=1，（即Lfu=LF1），桥梁系统的极限承载能力等于桥梁关键构件的承载能力，该类桥梁是非冗余桥梁。桥梁冗余水平随着Ru的增大而增大。

为了检查桥梁系统是否有足够的冗余水平，只需利用非线性结构分析软件计算LFu，LFf，LFd及LF1，以验证Ru，Rf和Rd是否足够。如果系统构造不能提供足够的冗余度，则应改变构造。需要注意的是即使Ru，Rf和Rd低于预期，只要LFu，LFf，LFd及LF1值比较高，桥梁仍可能具备较高的构件、系统安全水平，而有些桥梁虽然冗余水平足够高，但由于构件安全水平LF1太低，在一些情况下仍然不安全。

因此，桥梁设计规范的目的不是提供足够的冗余水平，而是保障足够的系统安全水平。如果桥梁系统的冗余水平低，应提高桥梁构件的安全储备，即提高LF1，LFu，LFf，和LFd，降低构件失效的概率，更重要的是，降低系统坍塌的概率。

3 结束语

评价构件和系统安全性，需要借助非线性分析方法，计算LF1，LFu，LFf及LFd，看其是否满足要求。计算桥梁结构冗余度的方法是用3D有限元软件（如abaqus，midascivil），建立桥梁模型，先计算桥梁在初始（完好）状态的承载力，然后分析不同破坏工况下桥梁的承载力，通过对比分析，得出桥梁的冗余水平。但是，系统安全与冗余分析需要较高的专业水平，不适用于常规桥梁的常规评估。因此建议针对常见类型桥梁的设计与安全评价，引入系统因子，简化系统安全与冗余分析，对于冗余水平低不满足要求的桥梁，提高其构件的安全储备。

参考文献

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