浅谈结构可靠度下的公路桥梁优化设计

刘鲁生

摘要：文章关键从何为结构可靠性以及在此理论之下的道桥构造的设计规定、公路桥梁结构目标可靠度及基于可靠度的公路桥梁结构优化设计这四个方面进行阐述。

关键词：桥梁结构；结构可靠度；结构设计

在开展桥梁构造的设计的时候，一般是按照如下的理念来开展活动，即安稳，节省费用而且性能优秀。在以往的设置工作中，关键是按照定值措施来开展设计，其意义是为了获取符合设计规定的最低的设计，它不仅仅无法描绘和分析构造中面对的各项不利现象，而且也无法体现别的内容，更加的不能够处理其存在的不利现象。同时因为很久以来，在该项设计活动进行的时候，过分的看重其强度内容，不关注持久性特征，关注强度，忽略使用极致模式。关注建设活动，不重视检修活动，导致存在非常多的不利现象。最近一段时间中，我国出现的多起不利现象都是因为构造损坏而引起的，进而导致构造的受力性等被影响。所以为了确保道桥的运作安稳，增加其使用时间，切实的提升道桥项目的稳定性和持续性，降低存在的不利现象，进而节省后续的维护资金，增加对其可靠性的探索等在道桥设计中已经成为了一项要认真关注的内容。

1 何为构造的可靠性

它是构造的安稳性以及持续性等的集合。通常，将对稳定性有作用的要素分成结构构建的荷载效应的R和抗力S。荷载在设计基准期内有不同的组合和效应，抗力在材料性能、几何参数和计算模式下均具有不定性，所以，在具体状态中，我们只能从概率学上用失效概率度量结构的可靠性，通过将抗力和作用效应相互独立。

结合当前的统一思想，可靠度是在构造要求的时限之中，在要求背景下，开展好特定功效的几率。所谓的要求时间，具体的说是开展该项分析的时候，通过分析构造的使用时间，分析多项变量和时间的联系而使用的最为有效地时间。所谓的要求的背景，是说构造在平时的设计以及建设等的环境中，也就是说忽略人为的不利现象的前提下。

2 在该背景之中的道桥构造设计规定

可靠度理论下公路桥梁结构设计的总要求是：结构的抗力R应大于或等于结构的综合荷载效应S，即RS。

在开展该项可靠性的分析的时候，也就是说在明确的背景下的建设，则将截面承载力的安全指标β作为结构的可靠指标；将结构在失效状态时的概率称为失效概率。不过具体情况中，抗力等都是不固定的，所以上面的公式是无法完全的符合的，也就是说在设定的几率中符合规定。即P{RS}=Pr。

其中，Pr为结构的概率可靠度。所以，设计中更明确的规定是：在一定的可靠度Pr或失效概率Pj条件下，开展设计活动，确保抗力超过或者是等同于构造的受力性。

但是在道桥的设计中，通常规定由明确的失效信息等，明确构造的目标可靠内容，获取相关的公式。

3 关于道桥项目构造目的可靠性

目标可靠指标是结构设计的依据，它是构造设计活动期待实现的安全信息。而度量结构可靠性的指标就是可靠度。它的优势特征是目标可靠指标与失效概率或目标可靠度（可靠概率）有一一对应关系。所以，要将概率极限状态设计法用于公路桥梁结构设计，第一规定设计人员明确按照多达的概率来当成设计目的，即目标可靠指标应选多大（其以结构的重要性、失效后果、破坏性质、经济指标等因素分析确定）。当所设计的结构构件失效概率小，即可靠指标大，构造的可靠性增加，对应的项目费用就多，而维护的资金变少，投资活动和给整个社会带来的不利现象就低很多。相反的，如果概率高的话，也就是说可靠性小的话，构造的稳定性就小，项目的资金就低，维护所需的费用就多，而面对的不利现象等就非常的繁琐。

现在，通过分析我们国家的有关规定，而且结合相关的建议信息，《公路工程结构可靠度设计统一标准》（CB/T 50283-1999）建议我国公路桥梁二级结构构件在设计基准期内的目标可靠指标为：

主要组合（汽车、人群、结构自重和土引起的或其中部分引起的效应组合）：

延性破坏构件βT=4.2

脆性破坏构件βT=4.7

附加组合（在主要组合的基础上再加上其他作用效应的组合）：

延性破坏构件βT=3.7

脆性破坏构件βT=4.2

上述建议值分别相应于现行公路桥梁结构设计规范延性破坏构件和脆性破坏构件可靠指标的下限值。

针对一级和三级的构件，它的可靠性数值可以通过分析当前的别的规定来开展，在目前已经明确的二级的前提下增多一级减少0.5，此规定还是项目的经验性规定。

4 以可靠度为背景的道桥构造的设计活动

4.1 结构优化模型

4.1.1 合理的选取设计变量信息

一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度PS）；把那种对于设计规定来说，变动领域不是很宽或者是结合构造规定或者是部分性的分析就可以合乎设计规定的数值当成是设定的数值，此举能够有效的降低设计和运算等的活动量。

4.1.2 确定目标函数

一般用全桥所设计的梁结构造价之和作为目标函数进行优化。首先，假设所设计的梁在使用期内失效概率为PF，其失效以达到或超过极限状态为标志，如果构造受损的话，就要再次的分析。所以，桥梁结构的可靠度优化设计问题就归结为寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率PF，进而确保费用最少。

minC=C1+ C2PF

式中，C：目标函数；

C1：结构造价；

C2：结构的损失期望，失效概率为PF时可能造成的失效结构的恢复费用。结构失效概率为PF。

4.1.3 确定约束条件

公路桥梁结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。开展设计的时候，应该确保构造的优化设计能够合理的体现到道桥项目之中，就是把具体的约束内容和设定的信息进行比对，确保所有的要素都可以合乎目前的规定，以此来确保设计最为合理。

4.2 合理的选取设计计算措施

桥梁结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，在开展运算的时候，一般是把有约束的要素变化成为相对的来分析。可以利用的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

4.3 开展全方位的程序设计活动

根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，得到功效综合，速率快的体系。

4.4 探索结局

对结果开展全方位的比对，得到最佳的规划。

通过上面的叙述，我们发现以可靠性为前提的道桥项目的设计活动，不但分析到设计信息中的向量和有关的随机性等，物料以及水泥等品质的不明确特征，导致设计者在开展活动的时候按照目标可靠性等来分析，确保其合乎安稳以及持续性的设计规定。除此之外，还应该分析到各种功能的失效概率和失效损失造成的失效损失期望、结构运行和维修费用等在内的经济指标，分析怎样凭借最少的费用来获取最好的利润，进而实现费用最低等的规定。在本文中，将构造的可靠性当成是指标，不但可以分析其中出现的不明确性特征，还可以确保安稳性和费用以及短暂的费用和长远的费用之间的不利现象得以有效地调节，进而确保道桥项目在安稳有效地背景下实现。