桥梁结构的可靠度分析

摘要：本文根据相关文献及资料，通过结构可靠度理论研究的历史和桥梁结构可靠度理论研究现状及应用简例，工程结构可靠度发展趋势等方面对可靠度理论在桥梁结构中的应用进行了综述。按照中国《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004），分析了預应力混凝土简支梁桥的可靠度指标。得出结论：中国公路桥梁设计规范的目标可靠度指标处于国际较高水平。

关键词：可靠度；简支梁桥；设计规范

一、结构可靠度理论

结构可靠性理论的产生，是在20世纪初期把概率论及数理统计学应用在结构安全度上，但发展初期研究学者较少。1991年匈牙利布达佩斯的卡钦奇就是提出用统计数学的方法研究荷载及材料强度问题；1926年德国的迈耶最早提出应用概率理论分析结构安全，即基于随机变量均值和方差的设计方法；1926—1929年前苏联的哈奇诺夫和马耶罗夫制定了概率的设计方法，但未能实施；弗罗伊登彻尔提出的在随机荷载作用下结构安全度基本问题首次被工程界赞同，并在1947年发表了《结构安全度》奠定了结构可靠性的理论基础。

（一）桥梁结构的可靠性研究内容

结构设计要解决的根本问题是：在安全适用与经济合理之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径，使建造的结构满足下列各项预定功能要求：①正常施工和使用时，结构能承受可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时和发生后，结构能够保持必需的整体稳定性；②在正常使用时，结构具有良好的工作性能，不会产生过大的裂缝和变形；③在正常维护下，结构具有足够的耐久性能，不会过早地发生破坏。在上述功能要求中，第一项关系到人身安全，因此称其为结构的安全性；第二项关系到结构的适用性；第三项关系到结构的耐久性。安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。结构可靠性的数值度量用可靠度，其安全性的数值度量则用安全度。静态和瞬态动载作用下结构可靠性研究的重点是结构的安全问题，循环荷载作用下结构可靠性研究的重点通常是结构的耐久性问题。桥梁可靠性设计研究内容是：在结构承受外荷载和结构抗力的统计特征已知的条件下，根据规定的目标可靠指标，选择结构（构件）截面几何参数，使结构在规定的时间内，在规定的条件下，保证其可靠性不低于预先给定的值。可靠性的数量描述一般用可靠性。我国对结构可靠性的研究只限于理论方面，且侧重于可靠性设计方面，对结构耐久性方面的研究，特别是对耐久性评估理论的研究还很落后。

二、国内外工程结构可靠度理论应用现状

1970——1980年间，结构可靠度理论不断完善并被各国规范、标准相继采用。林德根据康奈尔的可靠指标，推证出一整套荷载和抗力安全系数，使可靠度分析与实际易行的设计方法联系起来。德国的拉克维茨和菲斯勒，对基本变量为非正态分布情况提出了一种等价正态变量求法，这种方法经过系统改进之后，作为结构安全度联合委员会（JCSS）的文件附录推荐给土木工程界。该方法也被许多国家所采纳，我国的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）也是以该方法作为可靠度校准的基础。近年来，我国公路桥梁事故频发，相比之下，美国和欧洲的公路桥梁发生事故较少，我国铁路桥梁也未曾发生过重大事故。这一事实使得对比研究中、美、欧公路桥梁以及相关行业设计规范的可靠度水平十分有意义。2010年4月起，交通部公路规划设计院主持了《公路工程结构可靠性设计统一标准》的修编工作。本文的研究作为该项目专题研究的一部分，其目的是对比中美欧公路桥梁设计规范以及我国铁路桥梁设计规范的可靠度水平，以期对编写《公路工程结构可靠性设计统一标准》有所帮助。预应力混凝土桥是目前采用最为广泛的桥梁类型，在建桥梁中50%以上均为该种桥型。相比于其他桥梁类型，预应力混凝土桥设计方法成熟，耐久性能良好目后期维护较少。预应力混凝土桥梁的可靠性设计要满足承载能力极限状态和使用阶段极限状态。

三、可靠度理论在桥梁结构中的应用现状

在结构设计中，结构的安全性、适用性和耐久性是采用功能极限状态作为判别条件。我国新编的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）是按慨率极限状态设计法编写的，这一理论基础即为可靠度理论。之前，我国桥梁结构设计由长期沿用的、不甚合理的“定值设计法”转变为“概率极限状态设计法”，即在度量结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数学的方法，这无疑是设计思想和设计理论的一大进步，使结构设计更符合实际情况。但近年来，国内大桥坍塌或局部破坏事故时有发生，这也给人们一个警示：继续深人对桥梁结构可靠度进行研究非常必要。

四、工程结构可靠度理论研究发展趋势

20世纪80年代，结构系统的可靠度理论研究工作已经逐渐成为结构工程中的研究热点，关于复杂的结构系统可靠度分析和更为先进的计算方法发展迅速。目前的研究热点有：

（1）结构系统的可靠度分析，系统可靠度分析研究内容丰富，难度较大。

（2）对结构极限状态分析的改进，除考虑强度极限状态外，还应考虑结构的正常使用极限状态、破坏安全极限状态。

（3）目标可靠度的量化问题。

（4）在役结构的可靠度评估与维修决策问题

（5）模糊随机可靠度的研究。

五、结束语

要解决桥梁工程问题需要理论与工程经验的结合，通过应用更多的知识理论的到更为合理的桥梁结构，是桥梁工程技术研究追求的方向。桥梁结构可靠度理论内容极其丰富且复杂，不仅仅需要在理论上解决许多重大问题，而且在将其应用到桥梁结构设计、评估及维修决策之中时仍有许多细节工作需要完善。

参考文献：

[1]张树仁.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）学习与应用讲评.哈尔滨工业大学，2004.

[2]邹天一.结构可靠度、人民交通出版社，1998.

[3]张建仁，张起森。公路工程结构可靠度理论及其应用.人民交通出版社，1995.

[4]李铁夫.铁路桥梁可靠度设计[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[5]李铁夫，周孝贤.我国常用的结构可靠性评估[R].北京：铁道部第三勘测设计院，1987.

作者简介：

李云飞（1997.8.17.-），男，汉族，河南省三门峡市，身份证号：411224199708179019，本科生，研究方向：水利水电工程