200型装配式公路钢桥安全性评价及工程应用

折孝明，邹 顺,2,3，王 付,2,3，彭泽友,2,3(.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 70075； 2.西安中交土木科技有限公司 陕西 西安 70075；3.高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室 陕西 西安 70075)



200型装配式公路钢桥安全性评价及工程应用

折孝明1，邹 顺1,2,3，王 付1,2,3，彭泽友1,2,3
(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075； 2.西安中交土木科技有限公司 陕西 西安 710075；3.高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室 陕西 西安 710075)

为了评价装配式公路钢桥的安全性，使用公路钢桥结构可靠度理论和桥梁安全评价等级研究200型装配式公路钢桥。借助Matlab和Midas有限元软件，建立基于结构可靠度的极限状态方程，求解出可靠度指标；制定安全评估方法，并以工程实例进行验证。结果表明：安全性评估方法能够合理地对装配式钢桥的安全性能做出评价，可供同类工程参考。

桥梁工程；安全性评价；装配式公路钢桥；抗弯承载能力

0 引 言

装配式公路钢桥应用于紧急情况下的桥梁抢修，因构件自重轻、安装架设速度快而得到广泛应用[1]。随着重型车辆的增加、特殊设备的运输以及新建交通对临时桥梁需求的增大，装配式公路钢桥的设计和应用得到进一步发展，吸引更多学者对其展开研究。但目前大多学者主要针对标准桁架的力学性能进行研究，对成桥状态下整体安全性评价很少提及。文献[1]基于桁架片设计了大跨径的斜拉式装配式公路钢桥；文献[2]在山区采用三角桁架形式的钢桁梁进行桥梁设计；文献[3]提出应用网络层次分析法评估应急钢桥设计的方案；文献[4]采用修正的AHP法对“321”型钢桥的安全性进行评价，但评价过程略显繁琐；文献[5]利用计算机和通讯技术建立装配式公路钢桥的健康监测评估体系。由于装配式公路钢桥的使用具有临时性，在桥上建立结构状态监测系统耗费偏大，所以可研究装配式公路钢桥结构及应用特点的安全性分析方法，以提高评价结果的科学性，从而保证装配式公路钢桥的使用安全[6-7]。基于以上考虑，本文以可靠度理论为基础，提出一种应用于200型装配式公路钢桥的安全性分析方法，该方法既能对结构设计进行校核，又能对结构安全性进行分析，具有较大的实际工程意义。

1 评价方法

1.1 结构可靠度

公路桥梁设计仍以《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)提出的概率极限状态为原则；当工程结构的功能不能满足设计规定的某项需求时，对应此功能的状态即为该功能的极限状态，其实质就是结构的可靠与失效的分界线[8]。承载能力极限状态和正常使用极限状态是公路桥涵设计要求的两类极限状态，本文主要针对承载能力极限状态展开研究。假设影响结构某一功能的基本随机变量为X=(x1,x2,x3,…,xn)，则与此功能对应的结构功能函数为[9]

Z=g(x1,x2,x3,…,xn)

(1)

结构极限状态分析可概括为需求和抗力2个因素的比较过程。结构需求S定义为作用在结构上的各种荷载引起的内力、变形、位移等荷载效应；结构抗力R定义为结构抵抗破坏或变形能力，如截面强度、刚度等抗力效应。这样，结构的功能函数就可以表示为

Z=g(R,S)=R-S

(2)

当Z>0时，结构处于安全状态；当Z=0时，结构处于极限状态；当Z<0时，结构处于失效状态。

实际工程分析中认为功能函数Z服从正态分布，其平均值为μZ，标准差为σZ，则结构的失效概率为

(3)

式(3)经过数学变换后得到

(4)

式中：Z=σZ+σZt，则dz=σZdt，当Z=0时，t=-σZ/σZ；β=μZ/σZ，称为结构可靠指标。因此，只要求得可靠指标，也就获得了结构的失效概率或可靠度。

1.2 极限状态方程

装配式公路钢桥通行的多是重车荷载或履带车荷载，故进行可靠度设计时应将恒载和车辆活载作用效应组合作为主要组合，其极限状态方程为

Z(x)=R-G-Q

(5)

式中：R、G和Q分别为钢桥构件抗力、恒载效应和重车活载效应。

R、G、Q的均值μR、μG、μQ以及标准差σR、σG、σQ的表达式为

式中：Rn、Gn、Qn分别为钢桥构件抗力、恒载效应和重车活载效应的规范标准值；kR、kG、kQ分别为钢桥构件抗力、恒载效应和重车活载效应均值与规范标准值的比值；δR、δQ、δG分别为钢桥构件抗力、恒载效应和重车活载效应的变异系数。考虑到材料性能不定性、几何参数不定性和计算模式不定性的影响，装配式公路钢桥荷载作用下的抗力统计参数[10-11]，如表1所示。

表1 随机变量统计参数

装配式公路钢桥使用说明规定了选用桁架容许内力作为装配式公路钢桥结构应该具备的抗力标准值，对于QSR4装配式公路钢桥，容许弯矩[RM]为20 200 kN·m。

1.3 可靠度求解方法

当量正态化的方法(JC法)是当前工程可靠度计算的常用方法，通过变换将非正态随机变量转化为正态随机变量。当量正态化的条件有以下2点。

μx′=x*-Φ-1[Fxi(x*)]σx′

(12)

σx*=φ{Φ-1[Fxi(x*)]}/fxi(x*)

(13)

式中：Fxi(x*)为标准正态分布函数；Φ-1(·)为标准正态分布函数的反函数；φ(·)为标准正态分布的概率密度函数。

当求出非正态随机变量的平均值和标准差所对应的正态随机变量的平均值和标准差后，即可计算可靠度指标

(14)

(15)

(16)

公式(14)～(16)构成了一个非线性方程组，经过迭代计算即可得到可靠度指标。

1.4 安全评价流程

装配式公路钢桥的安全评价流程如图1所示。首先确定评价目标，然后建立有限元目标分析模型并求得目标参数，进而利用JC法计算实际可靠度指标，将可靠度指标与安全评价等级体系进行比较，最终得到该桥的安全性评价等级。

图1 安全性评价流程

2 工程实例

2.1 工程概况

关林子隧道位于留坝县武关驿镇武关河村南侧约80 m处，G316国道西侧。隧道左、右线分离设计，下穿于G316国道K2231+080 m附近，洞顶最小埋深分别为3.486 m、5.50 m。为保证隧道施工期间不中断G316交通，超载重车行驶不干扰隧道的正常施工，隧道施工期间在G316国道开挖洞室且上方设置简支钢便桥，以避免车辆荷载对隧道结构造成不利影响。钢便桥总长度为42.672 m，是单跨简支梁桥，行车道宽4.2 m，采用四排单层加强结构形式，为下承重受力设计，下弦杆上横向安装I40横梁，横梁上铺设150 mm厚钢板桥面，桥面上焊制Φ12 mm短钢筋作为防滑设施。钢便桥立面和横断面如图2、3所示。

2.2 荷载效应计算

考虑G316国道载重货车较多，所以使用6轴80 t货车和公路I级荷载分别作为计算荷载。货车荷载立面如图3所示。

图4 车辆荷载标准

应用Midas Civil软件建立全桥模型，结合实际按2种工况计算。工况Ⅰ：结构自重、公路一级荷载；工况Ⅱ：结构自重、载重80 t货车。

从模型计算结果中提取不同工况下的结构内力，具体数值如表2所示。

2.3 安全性评估

根据公式(5)建立极限状态方程，采用Matlab软件编程计算2种工况下钢桥的可靠度指标，结果如表3所示。

表2 各种工况下荷载效应 kN·m

表3 各种工况下可靠度指标

公路工程结构设计可靠度统一标准给出的目标可靠度指标如表4所示。

表4 规范规定的可靠度指标

通过表3、4对比可知，当构件为延性破坏时，工况Ⅰ和工况Ⅱ的可靠度指标均大于目标值4.2，满足规范要求；当构件为脆性破坏时，由于计算过程中采用的公路Ⅰ级荷载是新规范提升后的荷载标准值，工况Ⅰ的可靠度指标略小于目标值4.7，接近规范要求，工况Ⅱ的可靠度指标大于4.7，满足规范要求。将钢桥安全状况划分为5个等级，具体如表5所示。

表5 公路钢桥可靠指标评估界限值

以表5作为安全性评估标准，将表3计算结果与表5评估等级进行对比后发现，工况Ⅰ可靠度指标为4.58，大于目标可靠度指标4.2；工况Ⅱ可靠度指标为4.90，也大于目标可靠度指标4.2；对应的评定状况等级为一类，桥梁状况属于优等，所以本项目工程设计安全。

3 结 语

目前装配式公路钢桥的安全性评价主要采用以专家打分为基础的层次分析法，评价结果依靠专家的工程经验，当适用于具体的桥梁安全管理决策时，缺乏精细度。本文提出200型装配式公路钢桥安全评价方法，以概率论为基础，兼顾实体工程结构设计的全过程，评价结果具有较高的可信度，并在实际工程中进行验证，得到如下结论。

(1)建立的装配式公路钢桥安全性评价方法，融合可靠度计算和装配式钢桥结构设计全过程，评价结果更可靠，可为桥梁安全管理提供技术参考。

(2)建立的装配式公路钢桥安全性评价方法计算简便快捷，便于工程实际操作，是对现有装配式钢桥安全性评价方法的有益补充。

(3)由于现行《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T 50283—1999)中没有明确给出装配式公路钢桥的安全可靠指标，本文建立的桥梁安全性评价等级不具有通用性，还需要进一步完善。

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[责任编辑:高 甜]

Safety Evaluation and Engineering Application of 200 Type Assembled Highway Steel Bridge

SHE Xiao-ming1, ZOU Shun1,2,3, WANG Fu1,2,3, PENG Ze-you1,2,3
(1. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 2. CCCC Civil Engineering Science & Technology Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 3. State Key Laboratory of Road Engineering Safety and Health in Cold and High-altitude Regions, Xi’an 710075, Shaanxi, China)

In order to evaluate the safety of assembled highway steel bridge, the structural reliability theory and bridge safety rating were applied to study the 200 type assembled highway steel bridge. With the help of finite element software Matlab and Midas, the limit state equation based on structural reliability was established to solve the reliability index; a safety evaluation method was developed and verified in practical applications. The method can reasonably evaluate the safety performance of the assembled steel bridge, which can be used for reference.

bridge engineering; safety evaluation; assembled highway steel bridge; flexural strength

1000-033X(2017)06-0109-04

2017-01-07

国家重点研发计划重点专项课题(2016YFC0802207)

折孝明(1985-)，男，陕西西安人，工程师，研究方向为桥梁结构设计和桥梁风险评估。

U448.36

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