基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度分析

基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度分析

李赛虎

山阳县公路工程队陕西山阳726400

摘要：桥梁是连接公路的纽带，是公路交通的重要枢纽，因此公路桥梁的可靠度是保证公路运输可靠性的重要标准。公路桥梁实际失效程度是决定公路桥梁可靠度的重要因素之一。传统的可靠度分析方式并不能有效地分析出公路桥梁的可靠度，由于相关分析资料非常有限，所以其分析结果的不确定性很大，参考价值有限，这就为公路桥梁可靠度的准确评估带来很大困难。本文基于公路桥梁的结构易损性，进一步结合已有的可靠度分析方式，提出了基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度分析方法。该方法融合了结构易损性的优点，可以通过给定的损伤标准计算出公路桥梁各部件的损伤情况，从而得出各部件的易损概率，为可靠度判定提出了一定的依据。本文以地震荷载为例进行说明。

关键词：公路桥梁；易损性；可靠度；结构

在经济飞速发展的要求下，我国公路交通网络发展日益壮大，与此同时，公路桥梁的建设也不断完善，随着桥梁结构、功能的复杂化，以及建桥速度的不断提升，公路桥梁的可靠度问题也逐渐突出出来。当然，影响公路桥梁可靠度的因素多种多样，如自然环境的变化导致的材料风化，环境污染导致的大气侵蚀，车辆载重量的不断提升，以及各种不可预知的人为事故和自然灾害等等。由此可见，我们急需有一套科学、有效的可靠度评测体系来准确、有效的评估各公路桥梁的“身体状况”，只有这样才能确保公路桥梁系统的安全运行。随着我国公路交通部门的不断完善和发展，对公路桥梁建设工作的把关也逐步严格，公路桥梁的建设俞显规范和科学，在可靠度的评估上也力争以科学、有据，但是，不难发现现有的评估工作中还存在许多不足。因此，一套完整有效、契合实际情况的公路桥梁可靠度分析体统亟需建立。

1结构可靠度分析

因为各公路桥梁的荷载差异巨大，并且由其使用性所要求的整体机构组成不尽相同，所以以可靠度为基础的分析方法要比以确定性为基础的分析方式更加科学。道路桥梁的整体结构体系水平和道路桥梁各组成构件水平是道路桥梁结构可靠度评估的重要标准，当前已知许多国家都是在这两个方面对道路桥梁可靠度进行评定的。对于构件水平的可靠度评估而言，目前业界的评估方法相对来说已经比较成熟。由于其模拟方式比较简单，而且很多常用的方法都能取得不错的精度，所以其困难程度相对较低。但是，就结构体系水平来说，虽然随着相关从业人员的不断努力和各桥梁评估经验的不断增加有了相对的提高，但是，到目前为止仍旧没有一个行之有效的道路桥梁整体结构评估体系，因此依然无法准确地评定道路桥梁结构体系的可靠度水平。目前，该评定方法中主要有两个问题难以解决：（1）结构体系复杂，难以确认其失效的方式和部位；（2）结构体系的复杂决定其随机响应量的计算非常困难。传统的可靠度分析方法如：截断枚举法、β约束法等，对解决以上困难的效率非常低下，因而要明确找到失效路径十分困难，所以结构体系的真实可靠度并不能依靠其计算结果来确定，我们必须开发新的途径来解决这些问题。

目前人类对道路桥梁整体结构可靠度评定的研究还需要更加深入，并且，相关的分析研究资料尚不完善，导致目前所使用的常规可靠度评估体系所能提供的评估结果的可信度并不高，因而对实际工程操作中起到的指导作用非常有限，所以在现有的可靠度评估的基础上提出新的理论方法进行改进势在必行【1】。

2基于易损性的可靠度分析

易损性分析的概念：在给定的荷载参数的作用下各工程结构产生破坏状态的条件概率。最早70年代在核电站工程建设方面使用了其分析手段来分析地震的危险概率。近年来，结构易损性分析也在建筑工程、桥梁工程、生命线工程等方面有了一定的发展。以地震易损性为例，其主要的困难以及解决方法如下：

（1）单一物理量难以有效模拟地震荷载的不确定性，所以使用多物理量输入模拟地震荷载。

（2）同一结构体系在不同荷载方式作用下易损性结果不同，所以使用双参数指标分析其损坏情况。

（3）完全的模拟计算其计算量太大，而通过经验分析其结果又相对单薄，所以需要结合两种分析方式。

（4）由于输入力的非线性，其蒙特卡洛模拟法计算量很大，而随机振动理论的结果又难以验证，所以需要两者结合并径向基函数神经网络进行模拟。

通过以上方式可以得出结构的易损性曲线。进而可以对不同结构部位的损伤程度进行对比分析，从而得到公路桥梁结构破坏最严重的部位，该部位就是结构的失效路径。如此以来，我们可以直观地知道桥梁各部位的损伤程度，进而对重点部位进行重点维护。

传统的可靠度评估方式都难以考虑到结构体系和输入动力的不确定性，只是通过输入动力和内力的关系来判定失效模式。然而由于结构体系和输入动力的不确定性很多情况下都会影响其失效模式，所以这种方法的出的结果往往并不可靠。因此，以道路桥梁的结构易损性为基础，首先分析出各个部位的破坏情况，再把各个部位的破坏情况相结合，从而得出整体结构的损伤情况，这种方法相对传统的分析方法更加科学有效。

3应用实例

举一个简单的例子，我们分析下一座四跨的钢结构桥的易损性，输入为地震作用，其防烈度为八度，使用年限为50年。

那么，该分析方法一共可以分为三步：（1）计算出各个桥墩所能承受的荷载（2）各个桥墩的地震需求计算（3）画出桥墩的易损性曲线。地震的随机荷载使用PGA，同时需要考虑其最大曲率和滞回耗能。可以使用增量动力分析方式对该模型进行分析，地震比的最大值可以在0～1.2g之间选取，步长增量为0.1g，从而可以得出相关参数，然后使用径向基函数神经网络进行模拟计算，再通过相关软件进行分析。最后根据前面的思路，就可以得到各部位的易损性情况，根据各部位的易损性情况使用随机抽样，然后进行拟合计算，进而得到最容易受到损伤的单元【2】。不难看出，这种解决整体结构可靠度的方法以易损性为研究基础，通过各种模拟计算，最终得到的可靠度判定标准相对来说比传统评定方法更具有科学性和可操作性，其优势显而易见。

4总结

由于各个公路桥梁的设计结构不同，功能复杂性不同，使用材料本身的可靠性不一，以及其运营过程中所承受的负载各有差异，所以道路桥梁的可靠度评估中存在各种各样的困难。笔者通过分析现有的可能影响道路桥梁可靠度因素，并对当前道路桥梁可靠度的评定系统进行了分析，阐明了当前道路桥梁可靠度评定体系中亟待解决的困难，进一步在其基础上提出了基于结构易损性的道路桥梁可靠度分析方法，该方法以易损性为基础，通过分析道路桥梁各个部位的易损情况进而反应出整体结构的易损性，有效地解决了传统评定方法的困难，为解决当前道路桥梁结构的不确定性和各道路桥梁荷载的不确定性下的可靠度分析提供了一个确实可行的方案【3】。此外，本文还利用了一个简单的实例阐明了该分析方法的具体过程，为相关从业人员进行评定时提供了一定的指导。

参考文献

[1]庞于涛,袁万城,沈国煜,党新志.基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度研究[J].哈尔滨工程大学学报,2012,09:1091-1096.

[2]冯杰.桥梁结构地震易损性分析研究[D].西南交通大学,2010.

[3]牛移民.对公路桥梁结构易损性下可靠度的探究[J].黑龙江交通科技,2014,05:95-96.