基于不同规范对预应力连续梁桥可靠性差异研究

刘 勇

(益阳市资阳区交通运输局， 湖南 益阳 413000)

基于不同规范对预应力连续梁桥可靠性差异研究

刘 勇

(益阳市资阳区交通运输局， 湖南 益阳 413000)

目前新建桥梁基本根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62 — 2004设计，而既有桥梁大部分依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTJ 023 — 85，通过有限元软件，分别采用两种规范规定的参数，对一座连续梁桥进行可靠指标对比分析。对比结果显示：在成桥阶段由85规范得出的可靠指标大于根据04规范得出的可靠指标，而在施工阶段由85规范得出的可靠指标小于根据04规范得出的可靠指标。因此成桥阶段可靠指标计算宜采用04规范，施工阶段可靠指标计算宜采用85规范。对按照不同规范设计的连续梁桥在不同阶段的可靠性评估具有指导意义。

连续梁桥；可靠指标；不同规范；施工阶段；成桥阶段；顶推施工

0 引言

目前，顶推法在预应力混凝土连续梁桥中的应用已相当成熟。在用可靠指标对顶推法施工的桥梁在施工阶段和运营期间的安全性进行评估时，由于新旧规范(JTG D62 — 2004,以下简称04规范与JTJ 023 — 85，以下简称85规范)在某些参数和规定上的不同，对同一桥梁的可靠性评估往往会表现出差异性。本文用有限元分析方法，建立一个连续梁桥模型，对用新旧不同规范进行可靠性评估时的差异性进行了分析探讨。

1 有限元模型

采用有限元分析方法，建立预应力混凝土连续梁桥模型，桥梁跨径布置为(30+3×40+30)m，纵向取单元长度为2.5 m，全桥模型共73个节点、72个单元，导梁共11个节点，10个单元。模型采用的主梁截面如图1所示。全桥离散单元如图2所示。

标准节段长10 m，顶推节段划分为(10+5+15×10+5+10)m，桥梁施工阶段划分如表1所示。

图1 主梁截面形式(单位： cm)

图2 全桥离散单元(单位：cm)

表1 施工阶段划分

续表1 施工阶段划分

进行汽车荷载计算时取偏载系数为1.1，85规范和04规范计算参数如表2所示。

表2 85规范和04规范计算参数

2 荷载统计参数

汽车荷载考虑冲击效应，新旧规范中的荷载统计参数如表3所示。

表3 04规范和85规范荷载统计参数

3 抗力统计参数

影响结构抗力的因素有主要有3种： 材料性能、截面几何参数、计算模式。假设新旧规范正截面的抗弯能力系数统计参数相同，新旧规范的抗力统计参数如表4所示。

表4 根据04规范和85规范确定的抗力统计参数

抗力系数数值大于1，用于表示结构截面理论承载力和实际承载力的相对大小。而根据新旧规范设计的实体连续梁桥正截面抗弯承载能力的可靠指标可以通过抗力(即承载能力)系数反映出来。本文假设通过新旧规范确定的正截面抗弯抗力系数统计参数相同，则其正截面抗弯抗力系数符合对数正态分布，均值为1.225，方差为0.173 3，变异系数为0.141 2。

4 结构可靠度指标

对该预应力混凝土连续梁桥进行分析，计算其可靠度指标，可以得出它的失效概率，两者之间可按如下公式进行计算:

β= —Φ-1(Pf)

(1)

式中:β为可靠度指标；Φ-1为 标准正态分布函数；Pf为失效概率。

4.1 施工过程的可靠度指标

此阶段的结构可靠指标，可以参考上述2个规范对预应力混凝土构件在受施工荷载(包括预应力荷载和自重荷载等)条件下，其截面边缘产生的法向应力的规定。

04规范要求该应力应满足下式：

(2)

85规范要求该应力应满足下式：

(3)

施工过程的可靠度计算，需要选取相应的典型计算截面。由于在不同的施工阶段，混凝土连续梁桥的正截面应力也会不同，因此需要借助各施工阶段的内力包络图，从中选取合适的截面。此桥中，不妨选取弯矩的最大值和最小值所对应的计算截面，由此分析不同阶段的指标及其变化过程。

图3为桥例施工各阶段结构正截面弯矩包络图(按04规范，顶推法)，从图中可以看出，最大正弯矩出现在16号截面处，最大负弯矩出现在17号截面处。选取这两个截面作为典型截面进行可靠度指标的计算。

其中，16号截面弯矩为18 754.76 kN·m，17号截面弯矩为 — 30 470.4 kN·m。

图3 施工阶段正截面弯矩包络图(单位：kN·m)(04规范)

根据一次二阶矩法，以及和规范提供的抗力和荷载参数，使用软件提供的算法计算结构可靠度指标。

图4～图7为16号和17号正截面上下边缘可靠度指标运算结果。

图4 施工阶段正截面16上冀缘可靠指标

图5 施工阶段正截面16下冀缘可靠指标

图6 施工阶段正截面17上冀缘可靠指标

图7 施工阶段正截面17下冀缘可靠指标

根据各阶段16号、17号截面的可靠度指标最小值(表5)，以及图4～图7，可以看出：连续梁桥的最不利截面的可靠度指标在不同的施工阶段是不同的，并且还受到所采用规范的不同的影响而有所不同。

表5 施工阶段正截面16和17可靠指标最小值

在该桥例中，根据04规范计算出的可靠度指标最小值为8.14(17号正截面下边缘)，大于 《公路工程可靠度设计统一标准》中一级安全等级的公路桥梁脆性破坏所规定的可靠度指标5.2，满足标准要求。

而根据85规范计算出的可靠度指标最小值为4.33(17号正截面下边缘)，小于标准的规定，不满足要求。

总体来看，按照04规范计算出来的结构可靠度指标要比按照85规范计算出的结构可靠度指标大，85规范偏保守。

4.2 成桥可靠度指标

在该阶段，受施工荷载的预应力砼受弯构件的可靠度指标可根据其抗弯能力来计算，构件抗弯能力的计算公式为：

γ0S≤R

(4)

式中:γ0为结构重要性系数；S为截面弯矩组合设计值；R为截面抗弯承载能力设计值。

最不利受力位置在墩顶和跨中，选取这两处的截面(截面17、31、47在跨中，23、39在墩顶)为计算截面，按照规范进行计算。可靠度指标的计算结果如表6。

表6 按85规范和04规范分别计算的成桥阶段截面可靠指标

根据表6可以得出：根据2种规范算的最不利受力截面应力的可靠指标在成桥阶段有较大差别。采用2种规范计算的承载能力可靠指标最小值都出现在截面31，04规范为4.811 8，而85规范为6.368 2，此处出于安全的考虑将目标可靠指标取为5.2。因此，同样对于成桥阶段承载能力可靠指标的计算，根据85规范可以满足规范要求，而根据04规范不满足规范要求。可知成桥阶段承载能力可靠指标的计算按照85规范较为合适。

通过表5和表6的对比得出：根据85规范所确定的荷载统计参数和抗力统计参数，算得典型截面可靠指标的最小值在施工阶段比成桥阶段的最小值小，而根据04规范所确定的荷载统计参数和抗力统计参数，算得典型截面可靠指标的最小值在施工阶段比成桥阶段的最小值大。

5 结论

本文基于某顶推连续梁桥的施工过程分析，得到以下结论：

1)由于新旧规范在桥梁结构抗力和荷载模型上选取的不同，采用可靠性评估同一座桥时，得到的可靠指标值相差较大。

2)在施工阶段，依据85规范计算的可靠指标值比依据04规范计算值要偏小，且小于相关规范规定的目标可靠指标值；而在成桥阶段，依据04规范计算的可靠指标值比依据85规范计算值要偏小，且小于相关规范规定的目标可靠指标值。

3)按照04规范的荷载与抗力统计参数算得的典型截面可靠指标最小值，成桥阶段小于施工阶段。因此为保证桥梁结构的安全性，根据04规范设计的桥梁的可靠度设计应重点考虑运营阶段。而按照85规范的计算结果则反之，应重点考虑施工阶段。

4)对于按85规范设计的既有桥梁的加固改造工程，应按85规范选取旧有材料的统计参数，根据04规范选取新型加固材料的统计参数，并且根据04规范选取荷载模型。

[1] GB /T50283 — 1999,公路工程可靠度设计统一标准[S].

[2] JTJ 021 — 89,公路桥涵设计通用规范[S].

[3] JTG D60 — 2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[4] JTJ 023 — 85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5] JTG D62 — 2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6] 吕颖钊.在用梁桥结构承载力可靠度评估研究[D].西安:长安大学,2003.

[7] 张明.结构可靠度分析方法与程序[M].北京：科学出版社,2009.

[8] 李扬海,鲍卫刚,郭修武,等.公路桥梁结构可靠度与概率极限状态设计[M].北京：人民交通出版社,1997.

1008-844X(2017)02-0187-04

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