基于可靠度理论的公路桥梁结构设计研究

张贤

摘 要：将可靠度理论用于路桥设计工作中，能够保证设计的可靠性，充分提高桥梁结构的安全性、经济性与实用性。对此，文章介绍了结构可靠度定义，阐述了基于可靠度理论的路桥设计要求，介绍了路桥结构的目标可靠度，提出了可靠度理论下的路桥结构优化设计要点，希望能够为相关企业与人员提供参考，以不断提高我国路桥结构设计的合理性与可靠性。

关键词：可靠度理论;公路桥梁;结构设计

当前，我国经济快速发展，为桥梁事业发展提供了良好的经济保障。桥梁工程数量不断增多，然而我国路桥工程整体技术还有待提升。在早期桥梁项目中，结构体系是主要问题，而在改革开放后，桥梁耐久性与安全性是主要问题。近年因为交通流量不断增长，负载增加使得路桥持续出现疲劳破损与桥梁损坏问题。而通过交通部门关于桥梁的调查数据也能够发现，我国桥梁基本上处于“危险”或是“带病”工作状态。所以，为了保证路桥工程使用寿命，应该全面评估桥梁。

1 结构可靠度定义

开展桥梁评估工作过程中，传统方法主要以专家经验或是外观调查为基础开展，评估时通常邀请经验丰富的工程师全面评价桥梁状况，并给出一些整改或是优化意见。因为此过程中，影响因素较为复杂并且数量较多，所以评估工作和相关人员的工程经验存在密切关联，最终造成评估环节中的不定因素增加。而可靠度理论主要通过可靠指标β与失效概率进行桥梁结构安全性能衡量与评价，因为采用概率统计，所以该理论能够对抗力与荷载不定性进行充分处理，同时能够对相关不定性在桥梁结构安全性与可靠性方面产生的影响进行有效控制。所以，其能够为桥梁评估工作提供良好的理论框架[1]。

结构可靠度一般指结构适用性与耐久性，严重影响结构可靠度的影响因素即荷载效应抗力。开展荷载基准设计工作时，其各种效应存在差异，在材料性能、几何采纳数以及计算模式中，抗力存在不确定性。开展设计工作时，仅可以通过概率对结构可靠性进行衡量，相关作用效应和抗力属于相互独立关系。可靠度主要指工程能够在规定时间要求内完成设计功能建设。对于规定时间，主要指开展结构可靠度分析工作时，应该按照应用的基准时间。对于规定条件，主要指开展结构施工活动时，并未对建筑过失影响进行充分分析，若是发生突发事件，应该保证整体的稳定性。路桥工程结构通常选择装配式桥梁结构，此种桥梁模板具有质量可靠、流转度高等特点，主要难点是需要充分掌握地质情况与水文情况，应该对通航、行洪和其他路线相交情况进行充分掌握。同时，还应对季节性施工、深墩大跨项目施工、高边坡支护工程以及软土地基处理等工程加以重视，科学选择桥型与施工工法。“规定时间”主要指桥梁结构的设计基准期，通常在50年左右，随着时间推移，结构可靠性会相对降低。对于桥位选择而言，难度较小，市政桥梁除外，其主要问题在于需要与不同部门展开调解，涉及排污、给水、燃气、电力、通讯、航运、公路、铁路等部门，并且桥梁结构还需对灯光应急造型等问题加以考虑。同时，对于一些使用新工艺的桥梁，如菜园坝长江大桥中的Y形墩即具有较大施工难度。

2 基于可靠度理论的路桥设计要求

2.1 桥梁结构设计的基本要求

设计桥梁结构时，应对桥梁在基准期中的自然条件、交通荷载增量以及交通量情况等因素进行充分分析，以功能角度分析，需要对以下基本要求进行充分满足：第一，安全性良好。开展施工活动以及投入运营过程中，桥梁会承受大量荷载作用，而在此过程中，可以充分保证桥梁结构的整体稳定性，充分符合安全性规定与要求。第二，符合桥梁日常运营过程中的工作性能，结构稳定性以及车辆通行能力等均需达到设计要求，为行车安全提供保障。第三，耐久性良好。选择桥梁原料过程中，应尽量采购抗老化性能良好的材料，同时积极提高相应的疲劳寿命。第四，基于外力碰撞以及其他偶然事件条件下，可以充分确保结构的稳定性，保证结构不会发生结构性损伤。第五，进行结构设计工作时，应在确保结构合理性的基础上，尽可能减少工程造价。

基于当前桥梁结构的设计工作，其耐久性、适应性与安全性是结构设计、施工以及运营等环节的重要问题。

2.2 可靠度理论下路桥设计要求

基于可靠度理论，路桥工程重点需要解决的问题，主要是在已知结构抗力值R以及载荷效应值S的基础上，科学选择桥梁界面，确保可靠度要求得到充分满足。路桥结构可靠度整体要求是保证抗力值R始终比荷载效应值大，在设计时一般写作RS。因为受到自然条件以及车辆荷载等因素影响，荷载效应值和抗力值在设计基准期中始终处于变化过程中，所以要想保证结构设计要求得到充分满足，应该增设附加条件。开展桥梁结构设计工作时概率可靠度用Pr表示，失效概率用Pj表示，公式如下所示：Pr=P{RS}。上述公式主要是在橋梁设计中，结构抗力值始终高于载荷效应值条件下保证结构稳定性。开展结构设计工作时，应科学制定失效标准，合理构建失效模型，对可靠性指标进行合理明确，合理设计表达方程式[2]。

3 路桥结构的目标可靠度

目标可靠度主要指结构设计中的安全水平指标，可以对桥梁结构设计可靠性进行度量。目标可靠度和失效概率属于相对应关系，能够将结构设计合理性充分反映出来。目标可靠指标情况在结构设计中属于首要考虑事项。在指标比较小，就是失效概率比较大的情况下，结构可靠度减小，经济性降低，维护成本提高，无法有效控制投资风险。反之，结构可靠度增加，维护成本降低、经济性增加，后期问题以及投资风险降低[3]。

现阶段，我国路桥以及结构目标可靠度根据组合方式，主要涵盖附加组合与主要组合两种方式：

第一，主要组合。脆性破坏构件βT=5.2;延性破坏构件βT=4.7。第二，附加组合。脆性破坏构件βT=4.7;延性破坏构件βT=4.2。

以上可靠度取值，均是不同类型构件可靠度下限值，而二级桥梁构件与三级桥梁构件目标可靠度值，均是以此为基础递减0.5。

4 可靠度理論下的路桥结构优化设计

4.1 优化模型

借助对桥梁不同构件展开优化设计，构建以可靠度为基础的结构优化模型，借助对分析计算获得不同构件造价最小值，进而对构件最优可靠度进行有效确定。

第一，设计变量的选择。为了降低优化设计过程中的计算量，可以把设计参数分为预定参数与主要参数两种类型。主要参数主要指，在结构设计中影响较为严重的参数，涵盖约束控制与目标控制两种参数。基于主要参数在优化设计中影响比较大的因素考虑，通常把主要参数选作设计变量。对于预定参数，是指结构设计中变化范围小、影响情况小，或是仅需对桥梁结构展开局部设计即能够满足设计要求的参数。开展优化设计工作时，并未将预定参数选做设计变量，目的是降低设计工作量与计算量。

第二，目标函数的确定。在桥梁结构设计过程中，桥梁造价总和与失效概率之间构建函数关系，展开设计优化。应对桥梁的失效概率进行假设，为了保证总成本C达到最低值，可以构建minC=C1+C2Pf函数关系展开优化设计。其中，C代表目标函数，Pf代表失效概率，C1代表结构造价，C2代表损失期望。

第三，约束条件的确定。为了保证结构优化设计成果可以在桥梁施工活动中得到充分应用，应对目标约束条件和实际约束条件展开比较，基于满足设计要求情况下才能够应用，进而保证桥梁结构实现最优设计。

4.2 选择计算方法

在可靠度理论下，桥梁优化设计具有约束多、变量多以及计算复杂等特点。因为计算过程非常复杂，路桥设计一般选择Powell法、复合形法以及拉氏乘子法等形式展开设计计算工作。

4.3 程序设计

程序设计，主要是按桥梁结构可靠度中的结构优化设计计算方法与优化模型，进行符合模型功能、运算准确性与要求的程序设计[4]。

4.4 分析结果

借助对不同优化方案展开分析与计算，确定最优方案指导桥梁结构施工。以可靠度为基础优化设计桥梁结构，需要对相关设计参数的具体影响进行充分分析，同时还需要对施工质量与建材质量的不确定性进行充分分析，促使最终设计方案具有良好的可靠性与安全性。进行优化设计工作时，应对后期维护、桥梁使用成本以及C2进行充分考虑，进而保证造价设计方案达到最优效果，不仅能够保证结构安全性、美观性等得到充分满足，同时能够充分提高经济效益。

5 结语

总之，以可靠度理论为基础开展桥梁结构设计工作时，应对设计参数中的目标函数不定性、随机性、模糊性与建材质量未知性等进行充分考虑。要求设计人员开展设计活动时，通过目标可靠度以及结构失效率对桥梁安全可靠度进行充分描述。同时，对于各种功能失效概率、维护成本以及结构运行等经济指标，需要充分进行造价设计，以实现最低造价，充分提高经济效益，保证桥梁设计工作的个性化需求得到充分满足。开展设计工作时，应将结构可靠度选做重要控制参数，对桥梁结构随机性问题进行合理解决，促使路桥工程经济性和安全性能够得到协调发展，保证设计效果满足实际要求。

参考文献

[1] 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（09）：202-204，22.

[2] 王玉昌，陆久飞，刘经伟，等.基于可靠度理论的结构安全评估分项系数研究[J].公路交通科技（应用技术版），2016（09）：152-155.

[3] 邱山，王芳，李鹭阳.基于LRFD设计理论的不良地质条件对桥梁结构可靠度的影响研究[J].安徽建筑，2020，237（01）：193-195.

[4] 李昕，李健，范方方，等.基于可靠度理论的水下大直径盾构隧道衬砌结构服役寿命预测研究[J].现代隧道技术，2015（04）：146-152，167.