桥梁设计中冗余度以及安全性问题的探讨

何玉柱

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

随着经济的发展，交通运输业迎来了新的高峰，交通量与日俱增，许多桥梁修建因为历史比较久远，设计方面存在一些薄弱环节，很难满足当今社会交通行业的实际需求。再加上交通荷载量的增加，对桥梁本身的稳定性以及耐久性有着很高的要求，在这样的背景下，优化桥梁结构设计就变得尤为重要，其中冗余度问题是关键。

1 冗余度的基本定义

关于桥梁结构安全问题，冗余度在一定程度上起到决定作用，和整个结构系统存在直接联系，当桥梁的局部结构发生破坏危险时，桥梁负荷载能力处于自身可以承担的范围，在一定范围内可以保持受荷载能力不发生变化，这种能力就是冗余度。

冗余度说白了就是和系统行为存在直接联系，通常情况下，在桥梁结构设计的最初阶段，桥梁设计者就应该将冗余度考虑进去，这样估算桥梁的有效荷载能力时，才更加科学和准确。但是在实际设计中，设计者还是比较习惯和超静定次数搭配使用，这是一种较为传统的设计手段，主要是因为当时的计算机技术在桥梁设计领域还没有完全普及。系统系数主要是指构件承载力的乘数，和桥梁体系的冗余度有着密切联系，还和荷载能力存在关系。在桥梁设计阶段，为了可以准确计算出整个桥梁系统的静力平衡参数，常用的方法是实现自由度数参数与静力平衡参数的高度统一［1]。

2 桥梁设计中的冗余度以及安全性分析

冗余度在桥梁设计中可以直接反映出桥梁的稳定性以及建设质量，桥梁结构存在不同的类型，针对不同结构的冗余度设计要区分对待，找到最理想方案，实现设计的最优化。什么是最佳设计？就是要确保每个构件在力学连接之后，可以增强整个桥梁系统的负载能力，使桥梁结构的稳定性可以满足桥梁建设的实际需求。如果在实际设计环节，桥梁结构完全忽视了冗余度，没有进行冗余度的相关设计，整体结构的安全性能必然会有所下降，影响桥梁的建设质量和使用寿命。在实际应用中，如果桥梁系统中一个连接构件出现问题，都会降低桥梁的整体稳定性，引发安全事故。但是如果将冗余度考虑了进去，并且进行一定的优化设计，一旦构件受到破坏，桥梁系统也依然可以保持较为稳定的状态，正常运行下去，整体稳定性并不会受到影响。一个合理科学的冗余度，可以确保桥梁系统具备多条传力途径以及方式［2]。

在桥梁矩阵形式中，存在两个主要的变数，一个是桥梁的间距；另一个是桥梁的数目，主要是用于跨径的修正。而对于其他形式的结构冗余度，技术人员可以借助有限元程序来进行检验。与此同时，在结构设计中常常会遇到冗余度无法用上述标准来进行准确判断的情况，当遇到这样的情况时，就需要在设计开始对构件设计要做到精确和中规中矩。整个桥梁系统是一个整体，由许多的部件组成，每个部件在桥梁系统中都发挥着重要的作用，有各自的功能。就目前的情况来看，桥梁设计比较侧重对某一构件进行设计，这种方法忽视了整体性，桥梁整个系统的功能没有完全发挥出来。

3 实际应用

3.1 冗余度划分

现阶段，在工程实践中，关于冗余度的理解是当结构体系具备合理的冗余度，那么就代表结构具备多重传力方式。当系统中的任意一个或者是多个连接构件被外力损坏后，桥梁结构依然可以保持一定的稳定性，并在科学的范围内继续担任承载任务。这种储备承载能力的方式，主要依赖于结构体系关于荷载再分配的实际能力。参照荷载再分配的不同，可以将冗余度划分成3类：第一种，构件自身就有的冗余度。这一类冗余度主要是指即使某一构件突然失效，也不会影响其他构件，产生失效的连锁反应。例如：当某一构件发生开裂时，这种开裂不会继续扩展，延伸到另一构件。第二种，结构的冗余度。这一类冗余度主要表现为荷载再分配。在实际桥梁施工中，连续梁以及刚性节点刚架都属于此类。第三种，传力途径冗余度。这一类冗余度可以将其定义为结构系统冗余度。因为结构的荷载传递路径并不是单一的，拥有内力重新分布的功能，这种功能的价值主要体现在应对构件失效上。例如：同一跨径只有一片主梁的梁桥就基本上判定为不具备冗余度，主要是因为当并行分布的两片主梁有一片失效时，结合梁桥构造形式，此时的荷载可以有效转移到另一片梁的机会不大，另一片梁起不到什么作用。

3.2 荷载分配途径

针对桥梁上部结构来说，关于荷载的再分配主要存在两条潜在途径，一种是横向分配；另一种是纵向分配。其中横向分配程度完全由纵向构件的受力特性决定，例如：桥面板、构件间的连接等。决定桥梁系统冗余度的特性有：主梁数量（在横向布置的）、主梁间距、跨度数和跨长等［3]。荷载实现纵向再分配主要由构件变形能力决定，这一特点主要体现在多跨连续梁中。与桥梁上部结构的原理相同，桥梁下部结构也是完全由竖向荷载进行控制。例如：独柱墩和双柱墩相比，在承受竖向荷载方面有着相同强度，但是在抵抗横向荷载或者是倾覆方面，双柱墩效果显然更明显。综上可以得出，双柱墩具有的冗余度要优于独柱墩。

3.3 老桥基础利用

在设计城市高架桥梁时，要考虑远期规划要求，在预留高架接口或者远期高架主线接长的桥位处，桥梁构造要求适宜的冗余度，例如在市政高架桥梁上部结构改造或顶升时，保留原有桥墩基础，桥梁设计时，桥墩要富余的截面尺寸和承载力。

在老桥改造加固的时候，需要将整个纵断面抬高，进行桥面铺装加厚，通过铺装加厚的方法可以在一定程度上增大主梁高度，从根本上改善荷载横向分布情况，提高桥梁结构的稳定性，无论是整体荷载能力还是单梁承载能力都可以得到明显的提升。在恒载增加的情况下，由于桥梁有冗余度，所以在实际施工中就要满足主梁的要求，又要满足基础的要求。

3.4 桥梁拼宽

目前，双向四车道和双向六车道比较常见，因此在进行桥梁设计时，要考虑高速公路远期拓宽的需要，现阶段桥梁设计不仅要满足远期桥梁拼宽的需要，还要有适宜的冗余度，满足老桥拼宽及改造时荷载增加，如桥梁纵坡调整，铺装加厚导致的恒载加大，以及新建拼宽桥对老桥的影响。

在老桥拼宽工程中，通过优化冗余度设计，来提升拼宽工程的结构稳定性也是十分常见的。针对宽拼接桥，当拼接部分大于5m时，拼接部分主要为独立受力模式，拼接原则是上部构造要进行弱连接，而下部构造要尽可能不连接。针对窄拼接桥，拼接部分无法独立受力或者是受力性能不佳，在这样的情况下需要与原结构一起共同受力，在拼接原则上要秉持上部构造强连接的方法。介于二者之间的，可结合实际情况灵活选择拼接方式。

4 注意事项

首先，冗余度是一种结构体系的强度储备，在特定事件中发挥重要作用，或是当发生意外时，冗余度可以保证结构持续运行的能力，冗余度可以通过桥梁结构可靠系数和指标来进行描述，而不应该将其变成结构可靠度的贡献［4]。

其次，在桥梁结构体系中，连接构件自带的冗余度和外部边界相关的冗余度，或者是承载途径冗余度，这三种冗余度往往是共同存在的，并且三者之间是相互依托的关系。例如：多重承载途径想要实现需要借助科学的横向联结系，也就是结构冗余度才可以实现。

最后，针对大跨度桥梁，一般建议采取三维有限元分析的方法，并运用逐步迭代方式，对连锁破坏模式进行追踪，找出结构体系中现存的“短板”构件，从而进行针对性的优化设计，从设计环节、制造环节、架设环节和养护环节等各个环节避免事故隐患。

5 结语

综上所述，随着桥梁工程的增多，将冗余度充分考虑到桥梁结构设计中，可以极大限度提高结构的安全性以及耐久性，是当今社会经济发展的客观要求。社会的进步，对于桥梁使用年限和建设质量有了更加严格的要求，再加上经济发展促进了交通繁荣，促使桥梁工程一定要从源头保证设计的稳定性，将桥梁建设推向一个新高度。