劉魯生

摘要：文章關(guān)鍵從何為結(jié)構(gòu)可靠性以及在此理論之下的道橋構(gòu)造的設(shè)計(jì)規(guī)定、公路橋梁結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度及基于可靠度的公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)這四個(gè)方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)可靠度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在開展橋梁構(gòu)造的設(shè)計(jì)的時(shí)候，一般是按照如下的理念來開展活動(dòng)，即安穩(wěn)，節(jié)省費(fèi)用而且性能優(yōu)秀。在以往的設(shè)置工作中，關(guān)鍵是按照定值措施來開展設(shè)計(jì)，其意義是為了獲取符合設(shè)計(jì)規(guī)定的最低的設(shè)計(jì)，它不僅僅無法描繪和分析構(gòu)造中面對(duì)的各項(xiàng)不利現(xiàn)象，而且也無法體現(xiàn)別的內(nèi)容，更加的不能夠處理其存在的不利現(xiàn)象。同時(shí)因?yàn)楹芫靡詠?，在該?xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)進(jìn)行的時(shí)候，過分的看重其強(qiáng)度內(nèi)容，不關(guān)注持久性特征，關(guān)注強(qiáng)度，忽略使用極致模式。關(guān)注建設(shè)活動(dòng)，不重視檢修活動(dòng)，導(dǎo)致存在非常多的不利現(xiàn)象。最近一段時(shí)間中，我國出現(xiàn)的多起不利現(xiàn)象都是因?yàn)闃?gòu)造損壞而引起的，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)造的受力性等被影響。所以為了確保道橋的運(yùn)作安穩(wěn)，增加其使用時(shí)間，切實(shí)的提升道橋項(xiàng)目的穩(wěn)定性和持續(xù)性，降低存在的不利現(xiàn)象，進(jìn)而節(jié)省后續(xù)的維護(hù)資金，增加對(duì)其可靠性的探索等在道橋設(shè)計(jì)中已經(jīng)成為了一項(xiàng)要認(rèn)真關(guān)注的內(nèi)容。

1 何為構(gòu)造的可靠性

它是構(gòu)造的安穩(wěn)性以及持續(xù)性等的集合。通常，將對(duì)穩(wěn)定性有作用的要素分成結(jié)構(gòu)構(gòu)建的荷載效應(yīng)的R和抗力S。荷載在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)有不同的組合和效應(yīng)，抗力在材料性能、幾何參數(shù)和計(jì)算模式下均具有不定性，所以，在具體狀態(tài)中，我們只能從概率學(xué)上用失效概率度量結(jié)構(gòu)的可靠性，通過將抗力和作用效應(yīng)相互獨(dú)立。

結(jié)合當(dāng)前的統(tǒng)一思想，可靠度是在構(gòu)造要求的時(shí)限之中，在要求背景下，開展好特定功效的幾率。所謂的要求時(shí)間，具體的說是開展該項(xiàng)分析的時(shí)候，通過分析構(gòu)造的使用時(shí)間，分析多項(xiàng)變量和時(shí)間的聯(lián)系而使用的最為有效地時(shí)間。所謂的要求的背景，是說構(gòu)造在平時(shí)的設(shè)計(jì)以及建設(shè)等的環(huán)境中，也就是說忽略人為的不利現(xiàn)象的前提下。

2 在該背景之中的道橋構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定

可靠度理論下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總要求是：結(jié)構(gòu)的抗力R應(yīng)大于或等于結(jié)構(gòu)的綜合荷載效應(yīng)S，即RS。

在開展該項(xiàng)可靠性的分析的時(shí)候，也就是說在明確的背景下的建設(shè)，則將截面承載力的安全指標(biāo)β作為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)；將結(jié)構(gòu)在失效狀態(tài)時(shí)的概率稱為失效概率。不過具體情況中，抗力等都是不固定的，所以上面的公式是無法完全的符合的，也就是說在設(shè)定的幾率中符合規(guī)定。即P{RS}=Pr。

其中，Pr為結(jié)構(gòu)的概率可靠度。所以，設(shè)計(jì)中更明確的規(guī)定是：在一定的可靠度Pr或失效概率Pj條件下，開展設(shè)計(jì)活動(dòng)，確?？沽Τ^或者是等同于構(gòu)造的受力性。

但是在道橋的設(shè)計(jì)中，通常規(guī)定由明確的失效信息等，明確構(gòu)造的目標(biāo)可靠?jī)?nèi)容，獲取相關(guān)的公式。

3 關(guān)于道橋項(xiàng)目構(gòu)造目的可靠性

目標(biāo)可靠指標(biāo)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，它是構(gòu)造設(shè)計(jì)活動(dòng)期待實(shí)現(xiàn)的安全信息。而度量結(jié)構(gòu)可靠性的指標(biāo)就是可靠度。它的優(yōu)勢(shì)特征是目標(biāo)可靠指標(biāo)與失效概率或目標(biāo)可靠度（可靠概率）有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以，要將概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法用于公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第一規(guī)定設(shè)計(jì)人員明確按照多達(dá)的概率來當(dāng)成設(shè)計(jì)目的，即目標(biāo)可靠指標(biāo)應(yīng)選多大（其以結(jié)構(gòu)的重要性、失效后果、破壞性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素分析確定）。當(dāng)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率小，即可靠指標(biāo)大，構(gòu)造的可靠性增加，對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目費(fèi)用就多，而維護(hù)的資金變少，投資活動(dòng)和給整個(gè)社會(huì)帶來的不利現(xiàn)象就低很多。相反的，如果概率高的話，也就是說可靠性小的話，構(gòu)造的穩(wěn)定性就小，項(xiàng)目的資金就低，維護(hù)所需的費(fèi)用就多，而面對(duì)的不利現(xiàn)象等就非常的繁瑣。

現(xiàn)在，通過分析我們國家的有關(guān)規(guī)定，而且結(jié)合相關(guān)的建議信息，《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（CB/T 50283-1999）建議我國公路橋梁二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的目標(biāo)可靠指標(biāo)為：

主要組合（汽車、人群、結(jié)構(gòu)自重和土引起的或其中部分引起的效應(yīng)組合）：

延性破壞構(gòu)件βT=4.2

脆性破壞構(gòu)件βT=4.7

附加組合（在主要組合的基礎(chǔ)上再加上其他作用效應(yīng)的組合）：

延性破壞構(gòu)件βT=3.7

脆性破壞構(gòu)件βT=4.2

上述建議值分別相應(yīng)于現(xiàn)行公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范延性破壞構(gòu)件和脆性破壞構(gòu)件可靠指標(biāo)的下限值。

針對(duì)一級(jí)和三級(jí)的構(gòu)件，它的可靠性數(shù)值可以通過分析當(dāng)前的別的規(guī)定來開展，在目前已經(jīng)明確的二級(jí)的前提下增多一級(jí)減少0.5，此規(guī)定還是項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)定。

4 以可靠度為背景的道橋構(gòu)造的設(shè)計(jì)活動(dòng)

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

4.1.1 合理的選取設(shè)計(jì)變量信息

一般把對(duì)設(shè)計(jì)要求起主要影響作用的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，如目標(biāo)控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)造價(jià)C1和損失期望C2）和約束控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS）；把那種對(duì)于設(shè)計(jì)規(guī)定來說，變動(dòng)領(lǐng)域不是很寬或者是結(jié)合構(gòu)造規(guī)定或者是部分性的分析就可以合乎設(shè)計(jì)規(guī)定的數(shù)值當(dāng)成是設(shè)定的數(shù)值，此舉能夠有效的降低設(shè)計(jì)和運(yùn)算等的活動(dòng)量。

4.1.2 確定目標(biāo)函數(shù)

一般用全橋所設(shè)計(jì)的梁結(jié)構(gòu)造價(jià)之和作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先，假設(shè)所設(shè)計(jì)的梁在使用期內(nèi)失效概率為PF，其失效以達(dá)到或超過極限狀態(tài)為標(biāo)志，如果構(gòu)造受損的話，就要再次的分析。所以，橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)問題就歸結(jié)為尋求一組滿足預(yù)定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率PF，進(jìn)而確保費(fèi)用最少。

minC=C1+ C2PF

式中，C：目標(biāo)函數(shù)；

C1：結(jié)構(gòu)造價(jià)；

C2：結(jié)構(gòu)的損失期望，失效概率為PF時(shí)可能造成的失效結(jié)構(gòu)的恢復(fù)費(fèi)用。結(jié)構(gòu)失效概率為PF。

4.1.3 確定約束條件

公路橋梁結(jié)構(gòu)基于可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，則包括尺寸約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。開展設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該確保構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠合理的體現(xiàn)到道橋項(xiàng)目之中，就是把具體的約束內(nèi)容和設(shè)定的信息進(jìn)行比對(duì)，確保所有的要素都可以合乎目前的規(guī)定，以此來確保設(shè)計(jì)最為合理。

4.2 合理的選取設(shè)計(jì)計(jì)算措施

橋梁結(jié)構(gòu)基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題屬于比較復(fù)雜的多變量、多約束非線性優(yōu)化問題，在開展運(yùn)算的時(shí)候，一般是把有約束的要素變化成為相對(duì)的來分析。可以利用的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法有復(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

4.3 開展全方位的程序設(shè)計(jì)活動(dòng)

根據(jù)基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，得到功效綜合，速率快的體系。

4.4 探索結(jié)局

對(duì)結(jié)果開展全方位的比對(duì)，得到最佳的規(guī)劃。

通過上面的敘述，我們發(fā)現(xiàn)以可靠性為前提的道橋項(xiàng)目的設(shè)計(jì)活動(dòng)，不但分析到設(shè)計(jì)信息中的向量和有關(guān)的隨機(jī)性等，物料以及水泥等品質(zhì)的不明確特征，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者在開展活動(dòng)的時(shí)候按照目標(biāo)可靠性等來分析，確保其合乎安穩(wěn)以及持續(xù)性的設(shè)計(jì)規(guī)定。除此之外，還應(yīng)該分析到各種功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結(jié)構(gòu)運(yùn)行和維修費(fèi)用等在內(nèi)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，分析怎樣憑借最少的費(fèi)用來獲取最好的利潤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)費(fèi)用最低等的規(guī)定。在本文中，將構(gòu)造的可靠性當(dāng)成是指標(biāo)，不但可以分析其中出現(xiàn)的不明確性特征，還可以確保安穩(wěn)性和費(fèi)用以及短暫的費(fèi)用和長遠(yuǎn)的費(fèi)用之間的不利現(xiàn)象得以有效地調(diào)節(jié)，進(jìn)而確保道橋項(xiàng)目在安穩(wěn)有效地背景下實(shí)現(xiàn)。