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美国桥梁设计规范中的结构完整性理念
发表时间:2021-01-09 阅读次数:594次

        在美国桥梁设计规范AASHTO LRFD[1](Load and Resistance Factor Design,荷载-抗力系数设计)中,对结构完整性的要求如下:

        (1)针对极限状态的设计:要求在结构发生大范围的损伤和破坏时,仍然保持总体结构的完整性。这主要依靠构件本身的弹性储备和结构体系的协同作用。

        (2)地震破坏作为极端事件,要求桥梁结构在地震荷载作用下具备与其他强度极限状态相同的结构完整性是不经济不现实的。在这一极端事件下桥梁的完整性设计,是利用“响应调整系数”—r(Response Modification Factors),使得部分构件之间的连接在地震惯性力的作用下先行破坏,释放惯性力,确保结构不会整体坍塌。在地震荷载作用下容许桥墩出现非弹性变形,通过与上部结构的连接和与基础的连接之间的变形释放地震力。

        AASHTO规范中的结构完整性设计理念,在设计原则的条款中,表达为“冗余度”(Redundancy)。

        AASHTO LRFD设计规范中(1.3—DESIGN PHILOSOPHY),关于桥梁设计的冗余度有如下原则性的要求:“结构设计尽量采用连续结构,尽量提供多重传力途径”(multiple load path and continuous structures should be used unless there are compelling reasons not to)。

        对于承载能力极限状态的验算式为:

        式中的η包含三个分项系数,分别表示结构的延性、冗余度以及重要性。冗余度系数表示为ηR

        桥梁结构的冗余度是指结构在局部破坏的情况下,整体结构继续承受荷载的能力。更确切一些也可以理解为结构系统的承载能力储备率(或者称为强度储备率)。桥梁结构的局部破坏形式可以是构件或连接突然的脆性破坏,也可以是桥梁局部发生大变形后的延性破坏;破坏的原因可能是严重的活载超载,可能是构件的疲劳断裂,可能是水流冲刷导致地基承载力下降,或是突发事故如车撞、船撞、地震。

        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,一定有两种以上的构件(或连接)失效。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)。在桥梁工程实践中,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。

下图是桥梁体系冗余度维持结构完整性的一个典型案例。

        2008年5月20日晚,在俄亥俄州哈密尔顿郡,一辆行驶在美国I-275号跨州公路,载有80吨重机车车头的平板拖车脱钩失控,撞向I-74跨I-275公路桥的下部结构。拖车对排架的撞击是毁灭性的,三根立柱有两根被撞断。这座桥梁的连续梁结构体系、钢板梁之间有效的横向支撑和混凝土桥面板为体系提供的冗余度,保证了上部结构的整体性,在下部结构的一跨支撑失效时,应力可以沿纵向、横向重新分布,避免了桥梁的整体倒塌,而且在运营状态下坚持了10分钟。

 

[1] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 6th Ed (2012)

注:作者尹德兰,林同棪国际(中国)原桥梁总工程师

 

网络编辑:侯志伟,费嘉文,温建锋