（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏，南京，210014）
【摘 要】我国近年来经济繁荣发展迅速，对基础设施的发展也加大了重视程度，因此也就客观的对桥梁的使用寿命及质量提出了更高的要求。加之交通工具的发达，使得我们必须保证桥梁设计本身的安全性、稳定性、实用性及耐久性。在设计之初就要充分的考虑到桥梁冗余度的情况，包括要考虑到构件的破坏、桥梁极限荷载能力、桥梁受损时的极限状态这几个检验桥梁示范安全的状态指标。本文分析了桥梁设计的冗余度相关内容。
【关键词】桥梁设计；冗余度；内容；
随着社会经济的飞速发展，我国的交通业迎来了一大高峰，运输量急剧增加。很多桥梁修建年代较为久远，设计方面存在诸多不合理的地方，已经难以满足当前运输行业的发展需求。因此，加强对桥梁结构设计的研究极具现实意义。
一、冗余度的定义及内涵
桥梁结构安全起到决定性作用的应该是整个结构系统的冗余度，冗余度是在桥梁设计当中作为一种强度储备或者承载能力储备的角色而出现，当桥梁结构局部出现某种破坏发生危险的情况下时，整个桥梁的负荷载能力还在其本身可以承受的范围内，在这一范围内保持桥梁的整体受荷载的能力就是桥梁结构的冗余度。
冗余度归根结底是与系统的行为相关联的，一般我们在结构设计之初就应该把系统的系数考虑进来，进而估算整个桥梁系统的有效荷载能力。然而在设计过程当中容易与超静定次数混合使用，这一情况主要出现在计算机未在设计当中全面普及所导致。系统系数是用于名义构件承载力之前的乘数，与整个桥梁系统的冗余度及荷载能力相关联。为了计算整个系统的静力平衡，通常做法是把自由度数与静力平衡相统一。关于桥梁矩阵形式中，桥梁的间距和桥梁的数目是这一矩阵中的变数，这一概念是基于对跨径的修正而提出。对于其他形式的桥梁结构的冗余度，相关工程人员可以通过有限元程序来检验。在设计中往往会遇到所设计桥梁的冗余度难以用上述标准准确判断，这样一来就不得不要求设计人员在设计之初对构件的设计要更加中规中矩。与此不同的桥梁，冗余度也相对较好，在其设计过程当中可以相对开放。整个桥梁系统是浑然一体的一个整体，每个部件都发挥其各自功能。现行的桥梁设计往往是对某一单独构件进行设计，而忽视了桥梁整个系统。
二、桥梁结构体系的冗余度
1．桥梁结构由不同功能的构件，通过有效的连接方式，形成整体，共同抵抗外部荷载。桥梁结构的受力行为不是单纯的构件行为，而是一个系统行为。一个没有冗余度的结构体系，结构的整体安全由最弱的构件（或连接）控制。这个最弱的构件（或连接）一旦失效，整体结构也随之失效。而一个有冗余度的结构在整体失效前，至少有２种以上的构件（或连接）失效。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这里所说的“失效”，如果对应于设计规范中的极限状态，又可以分为承载能力极限状态（例如倒塌）和运营的正常使用极限状态（例如过大变形）。
2．目前在工程实践中，对冗余度的一般概念是，结构体系具备冗余度，就是具备多重传力途径。在一个或几个构件发生破坏后，桥梁结构系统仍然能够维持基本的整体性，在一定范围内持续承载。这种承载能力的储备，并不直接是成倍的安全系数，而主要依赖的是结构体系的荷载再分配能力。根据荷载再分配能力不同的表现形式，冗余度又可以分成3类：一是构件自身的冗余度。该类冗余度指某一构件的失效不会引发其他构件失效的连锁反应。例如在某一构件中生成的开裂不会扩展到另一构件。二是结构的冗余度。该类冗余度是与外部约束相关的指标，表现为单一构件的纵向荷载再分配能力。通常的超静定连续梁和刚性节点刚架都可以归为此类。三是传力途径的冗余度。该类冗余度可以理解为结构体系冗余度。结构具有多重的荷载传递路径，具备内力重分布的能力，以此来应对单个构件失效的情况。例如同一跨径只布置１片主梁或２片主梁的梁桥就规定为不具备承载的冗余度，因为并行布置的２片主梁，其中一片失效，根据目前常见的梁桥构造形式，荷载能够有效分配到另一片梁的可能性不大，基本情况是另一片梁也随之失效。
3．对上部结构而言，荷载的再分配有２条潜在的途径，即横向分配和纵向分配。荷载的横向分配程度取决于纵向构件自身的受力特性，如桥面板、次要构件的作用、构件间的连接，以及桥梁结构体系的几何布置。影响桥梁体系冗余度的几何特性有：主梁在横向布置的数量、主梁间距、主梁沿纵向的跨度数以及跨长。荷载在桥梁体系中的纵向再分配程度取决于构件的变形能力，这一特点在多跨连续梁中尤其显著。与上部结构相同，下部结构的设计也是由竖向荷载控制。而在衡量下部结构的冗余度时，下部结构对于横向荷载的反应却是十分重要的影响因素。例如独柱墩与双柱墩对于承受竖向荷载有相同的强度，而抵抗横向荷载和倾覆，双柱墩显然更有效。因此可以认为，对应于横向荷载和结构的整体稳定性，双柱墩的冗余度高于独柱墩。
三、桥梁设计冗余度的实现方法
桥梁设计的冗余度大小在于当某一个构件受损，桥梁整个承载力发生变化其能否及时的分配对已经施加在其上的荷载，这其中还包括其横向、纵向分配荷载的能力。横向、纵向分配荷载的能力大小则取决于纵梁特性、桥面板、几何构造、桥梁构件的延性等等方面。桥梁荷载的系数需要从几个方面来分析，一是桥梁设计中某个构件是否对结构安全有实质作用继而来区分其冗余度的是与非。二是某一构件的荷载系数的大小，冗余度好，延展性肯定也好，说明荷载系数要比1小; 反之如果某一构件的荷载系数如果要是大于1 的情况，说明整个设计的冗余度不是很好，其延展性必然会受到影响。构件的破坏、桥梁极限荷载能力、桥梁受损时的极限状态这几个是可以检验桥梁冗余度和整个构件体系是否安全的状态指标。我们针对典型桥梁之外的其他桥梁，也有相对应的分析方法。桥梁的冗余度是与桥梁本身的几何及桥梁部件相关联一致，根据这一原则去分析确定应当时间的荷载、检验完好桥梁及受损桥梁的状态以及在桥梁满荷载状态下的情况。在分析时还需要两个方面的支持，一是冗余度系数表根据典型的桥梁系统来修正得到的构件强度。二是利用非线性的结构分析软件来具体分析情况。
四、建议
1．冗余度是结构体系在特定危机事件中的强度储备，或是意外发生时，保证结构持续履行功能的能力。冗余度更多应该是结构整体的一种对“灾难”的承受能力。冗余度可以借用桥梁结构可靠度的某些参数和指标来描述，而不应该成为结构可靠度的一种贡献。
2．在结构体系中，构件自身的冗余度、与外部边界条件相关的冗余度，以及承载途径的冗余度常常共同存在，而且相互依托。例如多重的承载途径需要通过有效的横向联结系（结构自身的冗余度）才能实现。因此仅仅在极限状态验算式中反映是不全面的。
3．对于大跨度桥梁，建议进行三维有限元分析，采用逐步迭代方式，追踪结构体系的连锁破坏模式，找出结构体系中的“短板”构件，从而在设计、制造、架设和养护等各个环节消除事故隐患。
随着我们对于桥梁使用的质量和使用年限有了更高的要求，加上我国经济发展带来的交通繁荣，使得我们必须保证桥梁设计的稳定性，安全性以及耐久性。期望本文的研究可以为今后类似的桥梁工程的设计提供一定的参照依据。
参考文献：
[1]侯本权．基于结构可控性分析的换热网络旁路优化设计［J］．化工学报．2015，5(16):19－20．
[2]叶建仁．基于结构易损性的斜拉桥多灾害安全性能研究［J］．福州大学学报( 自然科学版)．2015，6(12): 29－30．
[3]宋卫国．大桥水中区引桥单桩独柱墩设计［J］．桥梁建设，2015，8(10): 15－17．
论文作者:祝建波
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年7月总第212期
论文发表时间:2016/9/14
标签：冗余论文; 桥梁论文; 荷载论文; 构件论文; 结构论文; 能力论文; 体系论文; 《工程建设标准化》2016年7月总第212期论文;