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鐵路橋梁極限狀態(tài)法與容許應(yīng)力法分析論文
摘要:概率極限狀態(tài)法較為全面地考慮了影響結(jié)構(gòu)安全度等因素的客觀變異性，比容許應(yīng)力法更合理，但新頒布的《鐵路橋涵極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》中各系數(shù)、參數(shù)的取值并未經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)。為了進(jìn)一步修訂、完善極限狀態(tài)法規(guī)范以滿足實(shí)際工程的需要，以三種形式的簡(jiǎn)支T梁為工程背景分別進(jìn)行試設(shè)計(jì)和同精度比較分析。分析結(jié)果表明:暫行極限狀態(tài)法規(guī)范的可靠度級(jí)別低于現(xiàn)行容許應(yīng)力法，而兩者在正截面抗裂性方面的可靠度水平是相當(dāng)?shù)摹?/p>
關(guān)鍵詞:橋梁工程;簡(jiǎn)支T梁;極限狀態(tài)法;容許應(yīng)力法;可靠度
容許應(yīng)力法是19世紀(jì)中葉由于鐵路的出現(xiàn)和重工業(yè)的興起而逐漸發(fā)展起來的�；诟怕实慕Y(jié)構(gòu)可靠性理論從1963年開始即得到迅速發(fā)展。至今，世界各國(guó)都在積極開展安全度的研究工作，使得概率結(jié)構(gòu)安全度理論日趨完善，并達(dá)到實(shí)用階段。與此同時(shí)，我國(guó)的可靠度理論研究也得到了迅速發(fā)展并取得較大成果。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、公路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已基本上普及了極限狀態(tài)法，但是鐵路系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全度的研究起步較晚，一直以來，鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用容許應(yīng)力法，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)規(guī)范的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)大量專題科研成果，并對(duì)按容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)的各類橋涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算分析，合理確定極限狀態(tài)法的目標(biāo)可靠度指標(biāo)和分項(xiàng)系數(shù)后，中國(guó)鐵路總公司于2014年才正式頒布《鐵路橋涵極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》。對(duì)于容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法兩者的區(qū)別，文獻(xiàn)給出了較為全面的分析。從公式的表達(dá)形式上，容許應(yīng)力法不區(qū)分構(gòu)件種類和使用情況，對(duì)不同的荷載形式，都根據(jù)容許強(qiáng)度，取統(tǒng)一的安全系數(shù)K，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全，但較為保守。概率極限狀態(tài)法中的安全系數(shù)則是以概率統(tǒng)計(jì)為根據(jù)而制定的，并將單一安全系數(shù)分解為抗力和荷載兩方面，對(duì)不同抗力和不同荷載原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用不同的分項(xiàng)系數(shù)，這更符合設(shè)計(jì)各變量的客觀實(shí)際。概率極限狀態(tài)法較為全面地考慮了影響結(jié)構(gòu)安全度各因素的客觀變異性，使設(shè)計(jì)的工程結(jié)構(gòu)更加合理，可以更好地處理結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，并可使同類結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同荷載情況下具有較佳的安全度一致性。
1分析過程介紹
以概率統(tǒng)計(jì)為根據(jù)的極限狀態(tài)法，具有客觀性、合理性的特點(diǎn)，明顯優(yōu)于帶有主觀性和經(jīng)驗(yàn)性的容許應(yīng)力法。但是最近頒布的《鐵路橋涵極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》中各系數(shù)、參數(shù)或通過小樣本試驗(yàn)研究得出或通過參考其他行業(yè)工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)法公式取值，均未經(jīng)過實(shí)際工程的檢驗(yàn)。為進(jìn)一步完善該規(guī)范的設(shè)計(jì)參數(shù)、充分體現(xiàn)極限狀態(tài)法的優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)若干實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行試設(shè)計(jì)，通過與既有容許應(yīng)力法規(guī)范各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的對(duì)比分析，使之對(duì)極限狀態(tài)法暫行規(guī)范的可靠性指標(biāo)有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)，為該規(guī)范暫行版本的修訂提供數(shù)據(jù)支撐。以時(shí)速200km客貨共線鐵路32m簡(jiǎn)支T梁(直線)、32m簡(jiǎn)支T梁(曲線)、24m簡(jiǎn)支T梁(直線)三種梁型作為背景項(xiàng)目，見圖1、圖2。實(shí)際計(jì)算過程中，僅對(duì)邊梁進(jìn)行計(jì)算。首先將最不利設(shè)計(jì)指標(biāo)容許值控制在5%以內(nèi)作為設(shè)計(jì)原則，通過優(yōu)化材料用量，分別采用容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法對(duì)這三種梁型進(jìn)行試設(shè)計(jì)，然后對(duì)這三種梁型在材料用量相同的前提下，分別采用容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)兩種方法各項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)的可靠度級(jí)別進(jìn)行同精度比較分析。
2試設(shè)計(jì)結(jié)果分析
2．1設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比
試設(shè)計(jì)過程中，梁體混凝土結(jié)構(gòu)尺寸及鋼束布置形式與原通用圖相同，通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力束規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。表1為24m簡(jiǎn)支T梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)成果。對(duì)于單片簡(jiǎn)支T梁，兩種方法設(shè)計(jì)出的鋼束束數(shù)相同，極限狀態(tài)法鋼束規(guī)格有4組低于容許應(yīng)力法，說明暫行極限狀態(tài)法規(guī)范的可靠度級(jí)別要低于現(xiàn)行容許應(yīng)力法。每孔雙線簡(jiǎn)支T梁由四片梁組成，考慮每孔簡(jiǎn)支T梁鋼束配置總量以后，兩種方法試設(shè)計(jì)得出的三種梁型鋼束重量見表2。由表2可以看出，采用相同設(shè)計(jì)指標(biāo)的控制原則，容許應(yīng)力法的材料用量要多于極限狀態(tài)法，極限狀態(tài)法能節(jié)省8%～10%的鋼束。
2．2計(jì)算結(jié)果對(duì)比
對(duì)于24m簡(jiǎn)支T梁來說，采用容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法進(jìn)行試設(shè)計(jì)過程中，各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)的具體計(jì)算結(jié)果見表3、表4。由表3、表4可以看出，與既有容許應(yīng)力法相比，極限狀態(tài)法包含更多的驗(yàn)算項(xiàng)目。在容許應(yīng)力法當(dāng)中，僅鋼束最大應(yīng)力幅驗(yàn)算與疲勞驗(yàn)算有關(guān)。而極限狀態(tài)法從混凝土、鋼束、普通鋼筋三種結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，以正截面、斜截面疲勞為驗(yàn)算內(nèi)容，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞極限狀態(tài)進(jìn)行了全面的計(jì)算分析。從驗(yàn)算結(jié)果來看，疲勞極限狀態(tài)當(dāng)中控制設(shè)計(jì)的主要項(xiàng)目是斜向鋼筋的斜截面抗剪疲勞，富余量12%，說明暫行極限狀態(tài)法規(guī)范中疲勞極限狀態(tài)并不控制設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)兩種方法來說，正截面抗彎強(qiáng)度都是主要控制設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)算項(xiàng)目，極限狀態(tài)法正截面抗彎強(qiáng)度富余量2．1%，容許應(yīng)力法正截面抗彎強(qiáng)度富余量4%，均在5%以內(nèi)。容許應(yīng)力法第二個(gè)控制設(shè)計(jì)的驗(yàn)算項(xiàng)目是運(yùn)營(yíng)荷載下的鋼束應(yīng)力，富余量3%，極限狀態(tài)法并不包含運(yùn)營(yíng)荷載下鋼束應(yīng)力驗(yàn)算的內(nèi)容，它的第二個(gè)控制設(shè)計(jì)的驗(yàn)算項(xiàng)目是正截面抗裂性，富余量5%。
3同精度比較結(jié)果分析
為了進(jìn)一步分析兩種計(jì)算方法在可靠度水準(zhǔn)方面的差異，按照表1中的極限狀態(tài)法試設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行鋼束配置，分別使用兩種方法進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)兩種規(guī)范來講，雖然具體條文規(guī)定不同，但均包含了正截面抗彎、正截面抗裂、斜截面抗裂三個(gè)方面的驗(yàn)算內(nèi)容。因此，從這三方面出發(fā)進(jìn)行同精度比較。極限狀態(tài)法規(guī)范以彎矩值的形式體現(xiàn)正截面抗彎強(qiáng)度的要求，使用應(yīng)力值對(duì)抗裂性進(jìn)行限制。對(duì)于正截面抗彎及抗裂驗(yàn)算，容許應(yīng)力法規(guī)范規(guī)定了其安全系數(shù)，對(duì)于斜截面抗裂性，容許應(yīng)力法規(guī)范同樣使用應(yīng)力值進(jìn)行限制。從總體上看，極限狀態(tài)法各項(xiàng)驗(yàn)算結(jié)果的富余量高于容許應(yīng)力法，但是兩種計(jì)算方法在正截面抗裂性驗(yàn)算方面的富余量非常接近。這也同樣說明了暫行極限狀態(tài)法規(guī)范的可靠度級(jí)別要低于現(xiàn)行容許應(yīng)力法，而兩者在正截面抗裂性方面的可靠度水平是相當(dāng)?shù)�。這種趨勢(shì)從表3和表4中同樣可以看出，在極限狀態(tài)法計(jì)算結(jié)果中，前兩個(gè)設(shè)計(jì)控制項(xiàng)目依次為正截面抗彎和正截面抗裂，而對(duì)于容許應(yīng)力法則依次為正截面抗彎和運(yùn)營(yíng)荷載下的鋼束應(yīng)力，正截面抗裂性的富余量較高，為23%。
4結(jié)論
以三種鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為工程背景，通過試設(shè)計(jì)和同精度比較，對(duì)暫行極限狀態(tài)法規(guī)范和現(xiàn)行容許應(yīng)力法規(guī)范的可靠度水平進(jìn)行了全方位的分析，結(jié)論如下:
(1)在相同設(shè)計(jì)指標(biāo)的控制原則下，僅修改鋼束配置，進(jìn)行試設(shè)計(jì)，容許應(yīng)力法的材料用量要多于極限狀態(tài)法，極限狀態(tài)法能節(jié)省8%～10%的鋼束。
(2)從驗(yàn)算項(xiàng)目來看，極限狀態(tài)法規(guī)范比容許應(yīng)力法規(guī)范增加了疲勞驗(yàn)算的內(nèi)容，但是該項(xiàng)驗(yàn)算內(nèi)容對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果并不起控制作用。兩種計(jì)算方法起控制作用的驗(yàn)算項(xiàng)目不同，說明兩種設(shè)計(jì)方法對(duì)不同驗(yàn)算項(xiàng)目可靠度要求的順序是不同的。
(3)經(jīng)過同精度比較分析可以發(fā)現(xiàn)，暫行極限狀態(tài)法規(guī)范的可靠度級(jí)別要低于現(xiàn)行容許應(yīng)力法，而兩者在正截面抗裂性方面的可靠度水平相當(dāng)。
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