浅谈桥梁设计的冗余度
作者：方睿 张炜炜
来源：《建筑工程技术与设计》2015年第16期
【摘要】为确保桥梁整体安全和结构稳定，在设计跟进中，需要特别注意冗余度，联系桥梁冗余度和破坏、断裂，保证桥梁具有抵御一般性的结构破坏能力。本文先从桥梁冗余度定义及在桥梁体系内在意义进行分析，根据标准冗余度系数规定，设计桥梁的参数，并提出合理化冗余度设计建议。
【关键词】桥梁设计；冗余度；安全问题
1.简述冗余度及在桥梁设计中的意义
简单地说，所谓冗余度，就是从安全角度考虑多余的一个量，这个量就是为了保障仪器、设备或某项工作在非正常情况下也能正常运转。目前大多现代产品和工程设计中都应用了冗余度这个思想和理论。 中国古代就有“过犹不及”的成语，意思是说事情做得过头，就跟做得不够一样，都是不合适的。说明太多的冗余度不单单是利，有的时候还是利大于弊。本文主要从工程方面阐述冗余度的利弊。
1.1桥梁冗余度定义和内涵
以四跨联系钢板桥梁破坏过程为案例进行分析，桥梁出现局部性的桥墩破坏桥体自身后，桥梁仍然可以保证十分钟稳定性，但是美国的俄亥俄州I - 275桥梁突发性的结构塌裂原因说法很多，但都是围绕桥梁冗余度。冗余度设计设计常常会出现结构支座约束反力桥梁结构自由度现象，也成为超净定结构。通常情况下的结构设计，多余的超净定结构约束力称之为冗余度。多余约束的存在是确保结构在连接失效或是部分约束中，保证结构整体稳定性的重要因素。这就说明，桥梁冗余度是一种承载能力和强度储备，桥梁部分结构出现损坏情况下，其整体结构仍然能够荷载一定承受力。
1.2桥梁冗余度
桥梁冗余度是指，一个桥梁的上部结构在其构件损伤或者失效后继续承受荷载的能力，桥梁结构的构件不是独立发挥作用的，而是和其它构件共同形成一个结构系统。
从桥梁结构整体角度对不同功能构建进行连接，构成结构受力体系，确保桥梁整体承载能力。桥梁缺少冗余度结构体系，会大大减低安全系数，某一构件破坏或者是连接失效，都会影响整体结构稳定性。而一个有冗余度的结构在整体失效前，一定有2种以上的构件（或连接）失效。但是，根据往年案例来说，单一构件遭到破坏，整体结构稳定性不会被破坏。所以说，桥梁设计中的冗余度是必要的，可以保证整体结构体系的多重传力途径，增强桥梁承载能力储备率。
1.3冗余度分类
第一类，冗余度构件。冗余度构件是指在某一构件失效后，不能引发其他构件发生连锁反应的一种。例如：但以构建出现开裂问题，不会引发其他构件问题。
第二类，冗余度结构。与外部约束相关的冗余度指标，某一构件纵向荷载的分配能力或分配指标。一般情况下，超静定连续桥梁与刚性结点钢架归为此分类中。
第三类，冗余度传力途径。也成为冗余度结构体系。桥梁冗余度结构多重荷载传力途径具备自身的内力重分布能力，专门针对单个构件失效问题。例如：同一跨径一般设置一片或两片主梁桥梁会制定不同的承载冗余度，一片梁其原因是现代桥梁结构的荷载分配到另一片梁的可能性非常小，另一片基本上会同时失效。
2.影响桥梁冗余度的设计参数
桥梁设计需要考虑很多结构设计参数，主要分为曲线半径、桥梁跨长、外部横向连接类型、数量，并影响着桥梁结构冗余度，以下对各设计参数进行简单分析：
2.1曲线半径
主要研究曲线半径的100米、200米、300米三种级别曲线半径，其结论是不同桥梁虚线半径的冗余度也是不同的。例如：跨径为70米桥梁，桥梁冗余度系数因曲线半径改变而改变。
2.2桥梁跨长
跨长并不是决定冗余度设计参数的一个因素，主要原因是桥梁外部横向进行充分连接时，不同跨长桥梁冗余度Rd数值时相同的。换一种说法就是，桥梁跨长对于冗余度影响作用比较小。
2.3外部横向连接类型
桥梁结构设计的稳定性与安全性的绝对性因素在于永久性外部横向连接或者是横隔板，能够确保桥梁体系横向能力传递准确性。结构设计时，需要连接外部横向、实心横隔板，并且使得连接构件处于正常荷载状态。不同类型外部横向连接或者是隔板局能够提升桥梁冗余度，其相互之间的影响作用也会进一步优化桥梁结构系统，使得其受力结构更加稳定、安全。特别注意的是，在特定使用环境下，桥梁实心横隔板与K形连接方式相比较，冗余度更高。
2.4外部横向连接数量
桥梁损坏初期阶段，混凝土桥面的荷载损坏部位扩展到近范围内横向连接部位，而外部横向连接数量严重影响着桥梁冗余度。桥梁结构设计过程中，随着桥梁每一跨外部横向连接数量的增多，冗余度就会增高。
3.桥梁设计的冗余度结论与优化建议
3.1冗余度作用问题
桥梁冗余度是自身结构体系允许在特定事件中强度储备，或者是发生损坏时，确保结构能继续完成正常工作的功能。冗余度大多数指对整体结构的一种能力承受。借助于桥梁整体结构可靠参数与指标进行分析，但是不能将其作为结构可靠度计算的一部分。
3.2冗余度反映实质
桥梁结构体系的构件冗余度和外部边界条件下的冗余度，以及和承载途径冗余度关联存在、相互衬托的冗余度共同存在。例如：多重承载力通过桥梁横向连接部位实现结构自身冗余度，所以在极限状态下进行的实验或验算出的冗余度是不能够全面反映客观事实的。
3.3桥梁结构设计中使用冗余度概念
冗余度概念在桥梁结构设计的实际应用， 需要在设计指导下进行。例如：提倡一些典型截面、特殊结构、结构表现形式、构造细节等；AASHTO规范在设计中利用冗余度系数对荷载效应进行“放大”或是“折减”，工程设计师会将安全系数和冗余度混为一谈。
3.4优化建议
按照不同桥梁使用目的，在允许特殊事件中要求冗余度。例如：在公路整体系统中，部分路段出现火灾、地震、洪水、大雪封道或者是车辆撞击等事件发生概率，进行不同路段桥梁结构系统的冗余度制定。大跨度桥梁冗余度设计，需要结合三元有限元进行逐步迭代分析，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，从而保证设计、架设、和养护等阶段中避免或消除安全隐患。
结束语
随着城市化进程的加快，对桥梁使用车限和质量提出更严格要求，需要更加长久的安全性和稳定性。在桥梁设计过程中，为了保证桥梁整体结构的稳固和安全，越来越注重有效的运用冗余度理念，分析桥梁的断裂和破坏模式与冗余度的内在联系，以确定桥梁抵抗一般结构损坏力的能力。全文对桥梁冗余度相关问题进行简单分析，根据冗余度自身结构特点和问题，按照一定的设计原则，注重桥梁冗余度设计，结合实际情况，提出了一些优化建议，希望能对今后桥梁工程研究提供一定的数据。
参考文献
[1]尹德兰，邓宇. 桥梁设计的冗余度[J]. 桥梁建设，2013，05：93-98.
[2]童志华，夏飞. 对桥梁设计冗余度的研究[J]. 公路交通科技（应用技术版），2014，06：260-261.
[3]邓翔， 马赟.公路桥梁上部结构冗余度概述[J].城市建设理论研究（电子版.2013.22.
[4]连军；贾磊；徐艳玲；；靖安高速公路梁峁、沟壑地区桥梁设计方法综述[J]；公路；2008，01
[5]付克璐：我国景观桥梁的现状及发展[A]；第三届河南省汽车工程科技学术研讨会暨2006年省汽学会理事会议资料[C]；2006年
浅谈桥梁设计的冗余度
作者：方睿 张炜炜
来源：《建筑工程技术与设计》2015年第16期
【摘要】为确保桥梁整体安全和结构稳定，在设计跟进中，需要特别注意冗余度，联系桥梁冗余度和破坏、断裂，保证桥梁具有抵御一般性的结构破坏能力。本文先从桥梁冗余度定义及在桥梁体系内在意义进行分析，根据标准冗余度系数规定，设计桥梁的参数，并提出合理化冗余度设计建议。
【关键词】桥梁设计；冗余度；安全问题
1.简述冗余度及在桥梁设计中的意义
简单地说，所谓冗余度，就是从安全角度考虑多余的一个量，这个量就是为了保障仪器、设备或某项工作在非正常情况下也能正常运转。目前大多现代产品和工程设计中都应用了冗余度这个思想和理论。 中国古代就有“过犹不及”的成语，意思是说事情做得过头，就跟做得不够一样，都是不合适的。说明太多的冗余度不单单是利，有的时候还是利大于弊。本文主要从工程方面阐述冗余度的利弊。
1.1桥梁冗余度定义和内涵
以四跨联系钢板桥梁破坏过程为案例进行分析，桥梁出现局部性的桥墩破坏桥体自身后，桥梁仍然可以保证十分钟稳定性，但是美国的俄亥俄州I - 275桥梁突发性的结构塌裂原因说法很多，但都是围绕桥梁冗余度。冗余度设计设计常常会出现结构支座约束反力桥梁结构自由度现象，也成为超净定结构。通常情况下的结构设计，多余的超净定结构约束力称之为冗余度。多余约束的存在是确保结构在连接失效或是部分约束中，保证结构整体稳定性的重要因素。这就说明，桥梁冗余度是一种承载能力和强度储备，桥梁部分结构出现损坏情况下，其整体结构仍然能够荷载一定承受力。
1.2桥梁冗余度
桥梁冗余度是指，一个桥梁的上部结构在其构件损伤或者失效后继续承受荷载的能力，桥梁结构的构件不是独立发挥作用的，而是和其它构件共同形成一个结构系统。
从桥梁结构整体角度对不同功能构建进行连接，构成结构受力体系，确保桥梁整体承载能力。桥梁缺少冗余度结构体系，会大大减低安全系数，某一构件破坏或者是连接失效，都会影响整体结构稳定性。而一个有冗余度的结构在整体失效前，一定有2种以上的构件（或连接）失效。但是，根据往年案例来说，单一构件遭到破坏，整体结构稳定性不会被破坏。所以说，桥梁设计中的冗余度是必要的，可以保证整体结构体系的多重传力途径，增强桥梁承载能力储备率。
1.3冗余度分类
第一类，冗余度构件。冗余度构件是指在某一构件失效后，不能引发其他构件发生连锁反应的一种。例如：但以构建出现开裂问题，不会引发其他构件问题。
第二类，冗余度结构。与外部约束相关的冗余度指标，某一构件纵向荷载的分配能力或分配指标。一般情况下，超静定连续桥梁与刚性结点钢架归为此分类中。
第三类，冗余度传力途径。也成为冗余度结构体系。桥梁冗余度结构多重荷载传力途径具备自身的内力重分布能力，专门针对单个构件失效问题。例如：同一跨径一般设置一片或两片主梁桥梁会制定不同的承载冗余度，一片梁其原因是现代桥梁结构的荷载分配到另一片梁的可能性非常小，另一片基本上会同时失效。
2.影响桥梁冗余度的设计参数
桥梁设计需要考虑很多结构设计参数，主要分为曲线半径、桥梁跨长、外部横向连接类型、数量，并影响着桥梁结构冗余度，以下对各设计参数进行简单分析：
2.1曲线半径
主要研究曲线半径的100米、200米、300米三种级别曲线半径，其结论是不同桥梁虚线半径的冗余度也是不同的。例如：跨径为70米桥梁，桥梁冗余度系数因曲线半径改变而改变。
2.2桥梁跨长
跨长并不是决定冗余度设计参数的一个因素，主要原因是桥梁外部横向进行充分连接时，不同跨长桥梁冗余度Rd数值时相同的。换一种说法就是，桥梁跨长对于冗余度影响作用比较小。
2.3外部横向连接类型
桥梁结构设计的稳定性与安全性的绝对性因素在于永久性外部横向连接或者是横隔板，能够确保桥梁体系横向能力传递准确性。结构设计时，需要连接外部横向、实心横隔板，并且使得连接构件处于正常荷载状态。不同类型外部横向连接或者是隔板局能够提升桥梁冗余度，其相互之间的影响作用也会进一步优化桥梁结构系统，使得其受力结构更加稳定、安全。特别注意的是，在特定使用环境下，桥梁实心横隔板与K形连接方式相比较，冗余度更高。
2.4外部横向连接数量
桥梁损坏初期阶段，混凝土桥面的荷载损坏部位扩展到近范围内横向连接部位，而外部横向连接数量严重影响着桥梁冗余度。桥梁结构设计过程中，随着桥梁每一跨外部横向连接数量的增多，冗余度就会增高。
3.桥梁设计的冗余度结论与优化建议
3.1冗余度作用问题
桥梁冗余度是自身结构体系允许在特定事件中强度储备，或者是发生损坏时，确保结构能继续完成正常工作的功能。冗余度大多数指对整体结构的一种能力承受。借助于桥梁整体结构可靠参数与指标进行分析，但是不能将其作为结构可靠度计算的一部分。
3.2冗余度反映实质
桥梁结构体系的构件冗余度和外部边界条件下的冗余度，以及和承载途径冗余度关联存在、相互衬托的冗余度共同存在。例如：多重承载力通过桥梁横向连接部位实现结构自身冗余度，所以在极限状态下进行的实验或验算出的冗余度是不能够全面反映客观事实的。
3.3桥梁结构设计中使用冗余度概念
冗余度概念在桥梁结构设计的实际应用， 需要在设计指导下进行。例如：提倡一些典型截面、特殊结构、结构表现形式、构造细节等；AASHTO规范在设计中利用冗余度系数对荷载效应进行“放大”或是“折减”，工程设计师会将安全系数和冗余度混为一谈。
3.4优化建议
按照不同桥梁使用目的，在允许特殊事件中要求冗余度。例如：在公路整体系统中，部分路段出现火灾、地震、洪水、大雪封道或者是车辆撞击等事件发生概率，进行不同路段桥梁结构系统的冗余度制定。大跨度桥梁冗余度设计，需要结合三元有限元进行逐步迭代分析，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，从而保证设计、架设、和养护等阶段中避免或消除安全隐患。
结束语
随着城市化进程的加快，对桥梁使用车限和质量提出更严格要求，需要更加长久的安全性和稳定性。在桥梁设计过程中，为了保证桥梁整体结构的稳固和安全，越来越注重有效的运用冗余度理念，分析桥梁的断裂和破坏模式与冗余度的内在联系，以确定桥梁抵抗一般结构损坏力的能力。全文对桥梁冗余度相关问题进行简单分析，根据冗余度自身结构特点和问题，按照一定的设计原则，注重桥梁冗余度设计，结合实际情况，提出了一些优化建议，希望能对今后桥梁工程研究提供一定的数据。
参考文献
[1]尹德兰，邓宇. 桥梁设计的冗余度[J]. 桥梁建设，2013，05：93-98.
[2]童志华，夏飞. 对桥梁设计冗余度的研究[J]. 公路交通科技（应用技术版），2014，06：260-261.
[3]邓翔， 马赟.公路桥梁上部结构冗余度概述[J].城市建设理论研究（电子版.2013.22.
[4]连军；贾磊；徐艳玲；；靖安高速公路梁峁、沟壑地区桥梁设计方法综述[J]；公路；2008，01
[5]付克璐：我国景观桥梁的现状及发展[A]；第三届河南省汽车工程科技学术研讨会暨2006年省汽学会理事会议资料[C]；2006年