混凝土简支桥梁的体系延性与可靠度研究.pdf
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1、公路 交通技 术2 0 1 3年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 3 N o 4 混凝土简支桥梁 的体系延性与可靠度研究 高 峰 ( 江西省九江市公路管理局都昌分局,江西 九江3 3 2 6 0 0 ) 摘要: 目前对于桥梁结构的单梁在各类荷载作用下可靠度研究很多, 但其很少涉及桥梁结构体 系的整体可靠度问 题 , 而单个桥梁构件的失效并不一定使得整个桥梁结构发生整体破坏。通过建立有限元模型并将其与基本的可靠 度理论相结合 , 讨论和计算结构 系统承载力的延性, 从而建
2、立一套可以考虑体 系延性的可靠度计算方法。研究发 现, 仅仅考虑单梁失效的构件可靠度与实际体系的可靠度会有很大区别, 进行可靠度分析时应进行体 系分析, 能够 更为准确地评 估桥 梁结构的性能。 关键词: 公路桥梁; 可靠度; 体系; 承载力; 失效 文章编号: 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 6 6 0 6 中图分类号: U 4 4 8 3 3 文献标识码: A Re s e a r c h o n Sy s t e m Du c t i l it y a n d Re l ia b i l it y o f Co n c r e t e Si mp
3、ly Su p p o r t e d Br i d g e s GAO Fe ng Abs t r a c t :At p r e s e n t t h e r e a r e ma n y r e s e a r c h e s o n r e l i a b i l i t y o f s i n g l e b e a ms i n b rid g e s t r u c t u r e u n d e r v a r i o u s l o a d s,b u t i n t e g r a l r e l i a bi l i t y o f b rid g e s t ru c
4、 t u r e s y s t e m i s s e l d o m c o nc e r n e d,wh i l e f a i l u r e o f s i ng l e b rid g e s t ruc t u r e d o e s n o t ne c e s s a ril y c a u s e i n t e g r a l f a i l ur e o f t h e wh o l e b r i d g e s t ru c t u r e Th i s p a p e r e s t a b l i s h e s a f i n i t e e l e me
5、n t mo de l a nd c o mbi ne s i t wi t h b a s i c r e l i a b i l i t y t h e o r y,d i s c u s s e s a n d c a l c u l a t e s t h e d u c t i l i t y o f be a rin g c a pa c i t y o f s t ruc t u r e s y s t e m S O a s t o e s t a b l i s h o n e s e t o f c a l c u l a t i n g me t h o ds t h a
6、 t c a n c o n s i d e r t h e d u c t i l i t y o f s y s t e mT h e r e s e a r c h s h o w s t h a t t h e r e l i a b i l i t y o f s t ruc t u r e s o n l y i n c o n s i d e r a t i o n o f s i n g l e b e a m f a i l u r e i s q u i t e d i f f e r e n t f r o m t h e r e l i a b i l i t y o
7、f a c t u a l s y s t e m,a n d s y s t e m a n a l y s i s c o n d u c t e d d urin g r e l i a bi l i t y a n a l y s i s c a n e v a l u a t e t h e p e r f o r ma nc e o f brid g e s t ru c t u r e s mo r e a c c u r a t e l y Ke y wo r d s:h J g h wa y b r i d g e;r e l i a b i l i t y;s y s t
8、e m ;b e a r i n g c a p a c i t y;f a i l u r e 由于桥梁安全性的日益突出, 使得人们越来越 重视桥梁结构的可靠性 。多年来 , 国内外学者在桥 梁状态评估方面提 出了许多方法 , 主要有 : 基于外观 调查的评定方法、 基于荷载试验的方法和基于规范 的方法 、 基于专家经验 的方法 、 基于可靠度理论 的方 法 等。其 中, 基于外观调查 的评定方法是基于长 期外观检查 的一种评估方法 , 是在观测数据 的基础 上 , 由有经验 的工程师对 既有桥梁进行检查分析和 评估 , 并依此对材料性能 、 损伤程度等进行评价。此 法应用简单 , 但其结论
9、的可信程度基于评估者的工 程经验和判断能力 , 因此主观性较 强。基 于荷载试 验的方法是通过现场荷载试验对桥梁结构进行评估 的方法。荷载试验包括静载试验和动载试验 , 静载 试验主要是实测结构静力响应并将其与规范容许值 收稿 日期 2 0 1 3 一 O l 一 2 1 作者简 介: 高峰 ( 1 9 7 5 一 ) , 男 , 江西省南 昌市人 , 本科 , 工程师 相比较, 由此推算对应的荷载等级和承载能力; 动载 试验主要是借助于对结构动力特性和动力响应 的测 定 , 依据动态参数与承载能力 的关系分析桥梁 的运 营状况。这种方法的缺点是试验费用大且影响正常 交通 , 还可能对桥 梁结
10、构造成损伤 。基 于设计规范 的方法是将设计规范中的设计准则 、 安全系数 的取 值、 结构损伤的确定以及结构分析方法的选择等进 行调整后用于桥梁评估。但设计 与评估差异较大 , 桥梁评估也不可以完全依赖于规范。基于专家经验 的方法主要利用计算机模拟有关专家的决策机理, 对既有桥梁进行综合评估。这种方法同基于外观调 查的方法一样 , 主观性太强 , 难 以对既有桥梁进行综 合评估。基于可靠度理论的方法是采用失效概率或 可靠度指标来 比较和评估桥梁状况 。这种方法可合 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 4期 高峰 : 混凝土简支桥梁的体 系延性与
11、可靠度研 究 6 7 理的考虑和处理结构材料性能 、 作用荷载 以及设计 施工等方法可能存在 的不确定性 , 可 以定量且统一 地衡量结构的性能 , 使结构设计 、 试验 、 施工 、 验收和 评估等标准规范在可靠度理论的基础上得到协调和 统一。基于可靠度理论的桥梁评估方法概念明确、 方法先进 , 具有抓住问题本质和关键 的潜力 , 已成为 桥梁状态评估 的发展趋势 。 尽管 目前对于桥梁结构在各类荷载作用下可靠 度的理论研究很多 , 但其很少涉及桥梁结构体 系问 题 _ 2 J 。由于单个桥梁构件的失效并不一定使得整个 桥梁结构发生整体破坏, 因而在一定程度上可以认 为桥梁结构承载力具有一定
12、的富裕度 。近 1 0年来 , 由于混凝土桥梁的破坏增 多 , 使得对 桥梁结构体系 的研究逐渐增多 , 对于桥梁结构安全性 的研究 也 逐渐朝体系延性方向发展, 这些研究着重分析了结 构体系的失效机制。基于此, 本文对公路桥梁上部 结构进行体系可靠度分析 , 采用有 限元模型和基本 的可靠度理论来讨论 和计算系统 的延性 , 从而建立 一 套考虑体系延性的可靠度计算方法。 1 体系可靠度背景与理论 现行结构设计 规范在分 析结构 系统 的可靠 性 时, 总是基于结构体系最薄弱的一环。由于材料、 几 何及荷载效应的长期分布存在不确定性 , 故对结构 安全的评估应使用概率理论 。目 前常用的结构
13、安 全性评估指标为可靠度指标和相应的失效概率 , 即 : P产 ( )。 ( 1 ) 式中, ( ) 为累积高斯分布函数; 为可靠度指 标 ; 为失效概率。 如果结构抗力及相应的荷载都服从正态分布, 则 可由下式得到: 卢: 。 ( 2 ) + ; 式 中, R为抗力均值 ; P为作用荷载 的均值 ; 为抗 力 的方差 ; 为作用荷载的方差 。另一方面 , 如果 抗力和作用荷载都服从对数正态分布 , 则 可 以近 似用下式计算 : l 卢: 。 ( 3 ) + 式 中, 为抗力 的变异系数 , = R; v p是作用 荷载的变异系数。可靠度指标同样可用于结构体系 评估。通常结构设计规范都规定
14、, 设计 中结构构件 都要达到一致的目标可靠度 目 标。卢目 标 与很多因素 相关 , 这里不再赘述。国内规范根据桥梁结构不 同 的破坏形式, 对卢 目 标 的取值也不同, 但一般都在4以 上 , 而国外的 目 标 一般取为 3 5 5 J 。 基于结构构件的安全评估忽视了结构系统 的富 裕与延性 , 故设计 的结构 在一定 程度 上都 过于 保 守 J , 在承载过程中并不能发挥结构 自身 的承载优 势。另外 , 基于构件的结构设计方法可能设计 出脆 性结构 , 如果采用这种结构 , 则单个构件 的失效就会 导致结构突然失效或倒塌。 图 1给出了各个结构 的力学行为与应该考虑的 安全等级。图
15、 1中, , , 以及 表示 4个 不 同极限状态下的荷载系数 , 而 图中“ 弹性 ” , “ 完整 体系” 以及“ 受损桥梁” 表示多梁体系的桥梁上部结 构在活载下 的弹性 与延性力 学行为 , 而 L F , L F , F , 及 这 4个荷载系数对应 的横轴桥梁响应则为 本文考虑的 4个极 限状态 。从 图 1中可 以看出 , 荷 载系数达到 L F 时 , 桥梁主要承 载梁会 发生结构失 效 , 而 , 的承载 时刻并没有达 到桥梁体系的最终 承载能力 , 直到荷载系数 到达 时, 桥梁结构才在 一 定程度上丧失了使用功能 。如果桥梁遭受到重大 破坏, 如多片梁发生了脆性破坏等,
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