冗余度理念在桥梁结构设计中的应用研究

颜长青 简佳峰

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710068）

0 引言

随着我国进入经济发展新常态，我国基础设施建设突飞猛进，交通运输基础设施网络建设迎来了高峰，桥梁作为交通线路的重要组成部分，得到了快速的发展。交通建设是经济发展的重要基础，桥梁建设对创造良好的投资环境，促进文化交流，减少地域间的差别，促进区域经济社会发展，提高区域形象起着重要纽带的作用。因此，人们越来越关注桥梁施工的安全性，耐用性和实用性。

改革开放以来，我国桥梁工程建设发展迅速，如1997年的888米虎门珠江大桥，2008年的杭州湾跨海大桥，以及55公里的港珠澳大桥等等，都表明中国桥梁工程的发展水平已进入世界先进水平。

目前，道路和桥梁作为国防建设的重要组成部分越来越被国家重视，桥梁建设伴随着公路建设的增加而不断延伸，公路建设的发展对桥梁的安全性和稳定性提出了更高的要求。但是伴随大大小小的桥梁垮塌事件，社会对于桥梁工程建设的关注越来越高，因此对桥梁系统的安全性和稳定性进行研究，对现代交通系统的发展和桥梁质量的提高具有重要意义。

在桥梁设计过程中，为了保证桥梁整体结构的稳定性和安全耐久性，冗余度理念在桥梁结构设计中的应用受到越来越多的关注。在桥梁设计过程中，处理好桥梁的冗余度在确保整个桥梁系统的安全性方面起着重要作用。为了更好地分析桥梁结构设计中的安全性和稳定性问题，本文将从冗余度理念入手，系统地解释了冗余度如何影响桥梁结构的安全性和桥梁结构设计中冗余度的实现。

1 桥梁结构设计概述

随着中国经济的快速发展，桥梁建设在近年来进入了新的高潮，桥梁在现在中国交通运输上发挥着关键作用。在设计桥梁时，有必要对桥梁设计工作进行综合分析，以克服桥梁的耐久性和疲劳损坏问题，提高桥梁的安全性能和实用性能。因此，在桥梁设计中，应遵循可持续发展的适用性，安全性，经济性，美观性，技术性原则和可持续发展的原则。

适用性原则。适用性原则就是要结合当地的发展情况，有预见的着重考虑桥梁的经济服务价值，满足桥梁建成后当地数年的社会需要。所以在进行桥梁设计时要根据规划使用时间内的车流量来进行桥梁宽度的设计，要根据地区的地形地貌来进行设计，设计应以区域经济发展，区域资源交换和经济繁荣为基础。

安全性原则。安全原则是桥梁结构设计中的重要考虑因素，必须确保桥梁结构及其构件在施工过程中有足够的强度，在组装桥结构期间具有足够的稳定性并且在使用期间具有耐久性。

经济性原则。经济性原则就是根据桥梁建设的基本支持条件和实际建设过程中需要具体的花费来进行精确的计算，通过比较各个方案来淘汰超出预算的方案。

技术性原则。技术性原则是指设计方案在原有的技术科技和机械设备可以支持的范围内，尽量采用最新的技术和理论来提高桥梁的建设效率和质量。在使用最新的技术和理论时，要符合具体的操作规定，保证新技术和新设备能够得到合理充分运用。

美观性原则。在设计桥梁结构时，必须使桥梁美学与工程计划同步，并有效地将工程与艺术相结合。从环境统一、色彩合理、风格独特、比例协调的角度入手，争取在保证安全、经济的前提下做到桥梁造型与周围的地形地貌及环境相协调，带给人们视觉上的艺术体验。

可持续发展原则。在进行桥梁结构设计时，在保证桥梁结构的安全性和稳定性的前提下，要最大限度的实现建筑资源的节约并减少对环境负面的影响，实现节能、节材和环境保护。为了考虑桥梁施工对环境的影响，有必要充分考虑基本规划，桥梁位置的选择，桥梁跨度的布置以及桥墩的形状，实现建筑资源节约与桥梁建设的可持续发展。

2 在桥梁结构设计中应用冗余度理念的意义

毫无疑问，随着中国经济的快速发展，桥梁建设将越来越多，对桥梁建设的要求也将越来越高。在桥梁设计中，设计理念贯穿于桥梁设计的每个关键环节，这决定了项目的整体设计质量。以下是从冗余度理念出发，详细分析冗余度理念在桥梁结构设计中的具体应用。

2.1.冗余度理念的基本概述

冗余度是从英文单词“redundancy”翻译而来的，冗余度是从安全角度考虑的多余的一个量。这个量能够保障结构的部分在遭到一定的破损之后，其整体结构还能够继续承受荷载，冗余度也可以理解为系统结构承载能力的储备比率。

在工程方面，为了提高系统可靠度，系统关键构件的备份被称为冗余度，冗余度与结构系统密切相关。在桥梁工程中，有两种常见的结构系统形式，一种是静定结构，即当结构中的一个部件发生故障时，整个系统可能会崩溃；第二种类型是超静定结构，即使结构中的组件发生故障，也不会影响整个系统的性能。超静定结构中的多余的约束称为冗余度，冗余度使得内力的分布和结构的变形相对均匀，可以确保结构的某些部分被破坏后仍可以在一定的时间内结构维持几何不变形。

根据系统中冗余度的不同表达方式，冗余度可分为三类，分别是内部冗余度，结构冗余度和系统冗余度。内部冗余度与单个构件的部分或材料重分布损伤区域周边的承载能力有关，因此通过采用损伤容限、刚性材料或者钢构件连接时采用栓接而非焊接的方式，就可以内部冗余度，焊接构件易将断裂传递给相邻的板，而栓接构件的非连续性能有效阻止裂纹的扩展。结构冗余度可以通过多种承载方法获得，即，当部件失效时，结构可以将内力重新分配到相邻的跨度。连续的或者超静定结构都具备结构冗余度，而简支结构和连续结构的端跨不具备结构冗余度。体系冗余度（即，负载路径的冗余度）指的是结构的负载传递路径和调节弹力重新分配的内力以应对各个部件的有效性。在桥梁结构中，只要桥面板和隔板具备足够的内力重分布能力，就可以认为多梁式的桥梁具备系统冗余度。

2.2 在桥梁结构设计中应用冗余度的意义

桥梁的结构系统是通过有效连接不同功能部件而形成的结构系统，这些构建相互作用以承受外部载荷。对于没有多余约束力的系统，任何一个关键组件的故障都将导致整个系统崩溃，但对于有多余约束力（超静定结构）的系统，两个或多个构件的故障才会导致系统崩溃。因此，冗余度是桥梁设计的强度储备。它可以保证桥梁仍能照常运行，稳定性和安全性在一定时间内不会发生太大变化，从而有效避免因特殊事件而导致的桥梁变形甚至倒塌。

在桥结构的设计中，大写R值通常用于表示结构的冗余度系数。结合相应的可靠性指标，定量分析桥梁的冗余度值，得到桥梁结构系统承载力的储备比。然后通过相应的公式计算冗余度系数，为桥梁冗余度值设计提供参考。

3 在桥梁结构设计中实施冗余度理念策略

在桥梁的实际结构设计中，断裂控制构件和桥梁设计参数将对桥梁结构的冗余度设计产生一定的影响。因此，必须要充分考虑裂缝控制构件和桥梁设计参数对结构冗余度的影响。以下将从断裂控制构件和桥梁设计参数两个方面来进行研究，考察这两个因素对结构冗余度造成的影响，并讨论了冗余度优化策略在桥梁结构系统中的应用。

3.1 裂缝控制组件对桥梁冗余度的影响

美国国有公路运输管理协会（American State Highway Transportation Management Association，即是AASHTO）将断裂控制构件（Fracture critical member，即是FCM）定义为“一旦失效就会导致桥梁倒塌或无法履行预期功能的受拉构件”。这些部件可能由于桥的大拉伸而导致结构破裂并最终导致部件的失效。因此，在桥梁冗余度设计中，应注意张力板的构件，以满足施工的韧性标准。从分析可以看出，桥梁结构的裂缝控制部件是影响桥梁冗余度设计的重要参数。

3.2 影响桥梁冗余度的参数分析

在桥梁结构设计中，桥梁跨长，桥梁曲面，桥梁外部连接这些设计参数对桥梁设计的冗余度都具有一定的影响，以下将具体研究其影响。

3.2.1 跨长对结构冗余度的影响

跨度长度不是桥冗余度的决定性因素，当桥梁存在较多的较多的外部连接时，即使桥梁的跨长有所区别也可以实现相同的冗余度。

3.2.2 曲面对结构冗余度的影响

桥梁的曲面参数是桥梁结构设计的关键参数，曲面半径发生变化时，冗余度的值也会发生变化，曲面半径与冗余度的值是正相关关系，因此，必须在桥梁结构的设计时，着重研究桥梁曲面这一重要参数。

3.2.3 外部连接对结构冗余度的影响

分析桥梁的外部连接时，可以从两个方面入手：外部连接类型和外部连接数量。桥梁的外部连接数量对桥梁的冗余度系数有很大影响。冗余度与外部连接类型两者之间相互影响着，这是因为外部连接类型主要用于确保桥梁系统的横向传递能力，而在桥梁结构的设计中，首先要考虑桥梁承载的最低标准，然后再考虑桥梁外部连接的类型，这表明外部连接的类型对于桥梁结构的稳定性和安全性是至关重要的。

3.3 桥梁结构设计冗余度的实施策略

在桥梁结构设计中采用冗余度理念时，应遵循相应的原则，使桥梁结构设计更加合理。

3.3.1 实现桥梁设计冗余度理念的原则

在使用冗余度理念设计桥梁结构时，必须遵循三个原则，结构设计时尽量使用连续结构，为桥梁提供多重传力途径以及具体问题具体分析的原则。

首先是具体问题具体分析原则，桥梁设计要具体问题具体分析，要结合桥梁的特定的使用功能和实际环境等情况来进行设计，制定出针对特殊事件的冗余度要求，例如根据道路的部分路段自然灾害发生的概率，比如泥石流，洪水和滑坡等发生的可能性大小来确定不同路段上桥梁结构体系的冗余度。

然后在结构设计中尽可能使用连续结构，并为桥梁提供多重传力途径的原则。国家公路运输管理协会（AASHTO）的设计规范中，提出了桥梁结构冗余度的原理要求，在设计桥梁时要求最大限度地利用连续和整体结构模式，以实现冗余度的作用，即当桥系统组件损坏时，系统运行不受局部故障的影响，桥结构系统的功能不受影响。多重传力途径原则是为桥梁结构的关键部件设置足够的力传递路径，以确保整个桥梁的稳定性。

3.3.2 桥梁设计中冗余度理念的实现

在桥梁结构的设计中，当系统中的一个部件损坏时，冗余度可以将桥梁的整个承载力及时分配给已经施加到桥梁上的荷载，确保一定时间内桥梁结构的功能能够继续实现。因此，分析桥梁结构设计冗余度的主要目的是研究桥梁系统某一构件失效后，桥梁结构机构是否能够在一定时间内安全地承载交通的荷载能力。

在桥梁的结构设计中通常会有两个过程，第一是冗余度的计算，第二是将冗余度的计算拓展到桥梁的上部结构当中。在进行桥梁的冗余度计算时，要对桥梁的整体荷载力进行计算，桥梁的整体荷载系数分析需要从以下几个方面来进行，第一是具体分析桥梁设计中的关键部件是否对桥梁结构的安全性产生重大影响。从而来分析冗余度；二是分析桥梁结构中某个部件的载荷系数，如果部件的载荷系数小于1（1是桥梁系统的极限承载力与桥梁关键部件的承载能力之比），整个设计的冗余性好，延展性好；反之则不好。在分析桥梁结构的冗余度是否合格时，使用非线性结构分析软件计算原始完整桥梁系统的总承载能力和受损桥梁系统的总承载能力，以此来验证强度极限状态下的冗余率，工作极限状态下的冗余率和桥接损坏时的冗余率是否合格。当桥梁系统构造没有达到相应的冗余率时，要改变系统的构造，例如从桥梁的结构形态，特殊的构造细节，避免采用某些典型的截面等方式来对桥梁系统的荷载效应进行“放大”或“减小”，来保证桥梁系统具有足够的安全水平。

桥梁的极限承载力，构件的损坏和桥梁受损时的极限状态是分析桥梁冗余度和桥梁整个构件系统安全性的重要切入点。因此，在分析桥梁的冗余度时，可以根据桥梁本身的几何形状和与桥组件相关的原理来分析桥梁的冗余度，确保在一定时间内，桥梁的荷载力，桥梁损坏情况以及检验桥梁的完好程度，实现桥梁结构冗余度设计深度优化，最大限度地减少桥梁安全隐患的发生，实现桥梁结构设计中的冗余度功能。

但是，应该注意的是，桥梁结构中冗余度的最大影响是确保当桥梁受到外部损坏时，桥的结构功能继续运行，但冗余度不是确定桥结构设计可靠性的标准。这是因为在桥梁结构系统中，内部冗余度，系统冗余度和结构冗余度三者共同存在且相互依赖，简而言之，冗余度理念用于桥梁结构的设计，是为桥梁结构系统保持足够的安全水平，而不是增加冗余度水平。

4 结语

随着中国经济建设的加快，桥梁工程建设取得了创新发展。桥梁建设体现了经济建设的繁荣和科技的进步，展现了我国日益增强的综合国力，因此必须要重视桥梁建设的实用性、稳定性和安全性。在桥梁结构设计中，有必要根据桥梁工程的特点优化桥梁结构设计，提高设计方案的可靠性和针对性。在实际设计中，应充分考虑桥梁的冗余度，并且有针对性地进行桥梁结构的冗余度设计，从而使桥梁结构的某个构件损害时能够不破坏桥梁系统整体性。