公路桥梁设计中结构可靠度理论的应用研究

摘 要：中国交通基础设施正处于向建设运营转型的重要阶段。一方面，大量新技术和新材料被广泛应用于路桥工程中，提高公路桥梁的安全性和耐久性。另一方面，正确分析和探讨公路桥梁设计中存在的问题并不断改进，也给相关设计人员提出新的要求。随着社会经济的快速发展，许多道路和桥梁因结构损坏而遭受严重的安全事故，不利于道路的稳定运行。做好公路桥梁设计是非常有必要的，实践证明，在公路桥梁设计中采用结构可靠性理论，可以有效提高设计可靠性，使桥梁结构设计更加实用、经济和安全。文章的研究主要针对基于结构可靠性的公路橋梁设计中的常见问题，提出一些可行的优化策略。

关键词：公路桥梁设计;结构可靠度理论;应用研究

一、 公路桥梁设计结构可靠度理论

（一）结构可靠度内涵

结构可靠度在航空、机械、土木工程等领域中非常常见，设计人员在设计阶段通常需要考虑其可靠性，尤其是疲劳可靠性，并通过相关的公式计算设计结构或部件的可靠度。可靠度是表示失效概率的一个量。可靠度越高，失效概率越低，反之则越高，可靠度可以直接让设计者知道结构的失效概率，从而做好设计的优化。结构可靠度的概率度量定义为在规定的条件（不考虑人为错误或过失因素，结构正常设计、正常施工和正常使用的条件下实验）和规定的时间（考虑各种基本变量与时间的关系所采用的基准时间）之下，完成预定的功能存在的概率。

（二）结构可靠度公式

一般情况下路桥工程的结构可靠度可归纳为两个综合度量值，

Z=G（R，S）=R-S（1）;

其中：S——荷载效应;R——抗力。

若求得的Z大于0，则说明路桥结构可靠;如果Z=0，则说明路桥结构处于一种极限的状态，而Z小于0的现象则需要尽可能避免。

（三）结构可靠度度量标准

通常情况下公路桥梁工程的结构设计使用的概率设计和经验安全系数设计，目前，结构设计的发展趋势正逐步从经验安全系数设计方法向概率设计方法转变。根据发展阶段和精确度划分为三个水准：水准Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，分别代表半概率、近似概率和全概率。目前中国的《建筑结构可靠度设计统一标准》《公路工程结构可靠度设计统一标准》等文件用的就是近似概率来度量结构的可靠程度。《公路工程结构可靠度设计统一标准》中规定，公路桥梁结构目标可靠性指标如下：（1）延伸破坏，一、二、三级指标分别为4.7、4.2、3.7;（2）脆性破坏，一、二、三级指标分别为45.2、4.7、4.2。同时降低或提高一个安全等级，可靠性指标会变化0.5。

二、 应用结构可靠度理论提升公路桥梁设计质量的策略分析

（一）基于荷载特点分析的结构可靠性评价

不用的可变荷载和统计参数都有不同概率分布，故而根据中心极限定理，公路桥梁工程的结构抗力是正态分布，在实际的检验中会采用中心点法来计算结构可靠度，但是这种方式最大的劣势在于，其不适用与曲墙式的是隧道荷载计算，结合随机有限元法分析精读不够，所以现在比较常用的优化后的二次二阶矩法计算。

（二）基于构件抗力统计下的结构可靠性评价

构件对抗力的概率统计分析可以更好地了解结构所能承受的荷载最大值，从而得到结构可靠度与构件对抗力之间的关系。这种方式之下的结构可靠度分析采用的是间接的统计评价，通过各种因素的统计参与推导出要求的构建对抗力参数，这种方法需要考虑到材料的性能、计算模型的不定性，才能得出更加准确的方案。

三、 公路桥梁设计中结构可靠度计算的影响因素

（一）公路桥梁工程构件材料性能的不同

对于不同的建设项目和不同的工厂生产出来的构件，由于生产技术和管理水平的不同，即使是同一批次同一等级的构件材料，其性能差异也可能是非常明显的。材料的不均匀性在材料生产过程中形成不可避免。而所有的结构材料都由不同的成分的构件组成。各种成分比例的随机差异将不可避免地导致材料性能的不一致，因此在计算的时候能得出的也只是一个大体的估计值，如果这一批材料中质量参差，或者材料混用，那么对结构可靠度评价会造成较大的影响。

（二）构件所处环境的差异

环境条件如温度、湿度等、施工工艺都都会对路桥工程的可靠度产生影响，严格地说，路桥工程构件的抗力是一个与使用时间、温度相关的随机过程。例如，混凝土是公路桥梁施工的重点，混凝土结构处于良好的环境条件和养护下，混凝土的强度会随着时间的推移而缓慢增加，那么抗力也会随之增加，可靠度增强。但是在不利环境中，混凝土的强度可能不会缓慢增加甚至会随着时间的推移而缓慢下降，抗力也会下降。这就说明如果没有对施工的环境进行有效的界定，也可能造成路桥工程的可靠度下降。

（三）设计人员素质

设计人员的素质会影响可靠度，有着丰富的路桥施工经验，其对于结构的可靠度也会随之提升，但是如果在设计阶段就存在问题，那么路桥的稳定性也得不到保证。目前关于构件的可靠性还处与研究正截面、侧界面和局部承压的阶段，这就容易导致设计人员不重视细部设计，导致计算的结构可靠度不高。

参考文献：

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[2]李继刚.结构可靠度理论在公路桥梁设计中的若干应用研究[J].城市道桥与防洪，2015（9）：202-204+22.

[3]吴迅，王刚，范灏.中、美、欧公路桥梁以及中国铁路桥梁可靠度对比[J].中国科技论文，2013，8（11）：1122-1125.

作者简介：

罗丽杰，贵州共筑未来建设工程有限公司。