桥梁工程安全决策及设计的优化分析

桥梁工程安全决策及设计的优化分析郭卓明（上海城建设计院，200011）摘要：本文通过桥梁结构在整个交通工程中的费用损失分析，分析了桥梁的合理安全度以及最优设计状态的确定方法，并以一定工程实例为背景做了相应的示例计算和分析。最后提出并且分析研究了工程最优安全度设置的保证率问题。关键词：桥梁结构安全决策优化设计1概述结构的安全性是一个相对的概念，绝对的安全是不存在的。这里的相对性包含两个方面，首先是针对整个社会发展，即不同行业之间安全程度的比较及合理配置，其次是土木工程行业内各个不同工程之间的安全程度的合理差异。合理协调这种安全的相对性就需要借助于结构的安全决策和优化分析。目前可靠度设计方法已经逐渐进入实际应用阶段，而在实际设计中以安全系数为依据的设计方法仍然被广泛应用。这就需要我们在进行分析时既考虑结构可靠度，同时也应包括结构安全系数的分析。2可靠度分析结构在规定的时间、条件下完成预定的功能的概率便为结构的可靠度，一般以失效概率或可靠度指标的型式给出，其表达型式为：Pfxdxfgx0（1）式中：g(x)为功能函数，f(x)为荷载和抗力的联合概率密度函数。实际上，由于功能函数和其概率密度函数均很难精确表达和求解，一般在可靠度求解过程中不采用这种型式。目前比较成熟的方法是一次二阶矩的方法，具体有中心点法及其改进的验算点法应用最为广泛。在可靠度的计算中，还有一种概念上十分简单的方法，那就是Monte-Carlo法。它是一种通过大量的抽样模拟计算，从中统计结构的失效概率的近似计算方法。另外还有一种利用响应面积分来求解的可靠度计算方法，Schueller[1]和Faravelli[2]均作过一些研究，但是其在结构工程中的应用尚不多见。2.1体系可靠度目前比较成熟的可以进入实际应用的可靠度分析均是针对某个构件甚至是断面的可靠度分析，结构设计统一标准和各类设计规范的规定亦基本按此考虑。但是对于设计以及安全决策来说，最具实际意义的是结构的整体可靠度。因为结构功能的发挥是一种整体的效用，某个具体构件的损坏并不意味这结构的绝对失效，同样也有可能当结构失效时结构中某些构件的安全度还相当大。因此结构的体系可靠度分析十分重要。理论上，体系可靠度的表达式为：PfdrdrfSdSsCsCisCnsRRRnSn1121,,,（2）对于交通工程的优化设计，还应该从整个交通网络功能发挥的角度来进行分析，这就是网络可靠度分析及网络中各元件的可靠度优化配置分析。理论上更为全面合理的则是应再进一步从社会大系统的角度来进行系统优化[3]，但是这种优化目前还只是一种理论上的探讨。2.2可靠度和安全系数在安全标准设置以及优化设计中，其结果目前一般是以目标可靠度的形式给出的，然而在传统的设计中则多是以结构的安全系数为标准的，尤其在实际设计中则更是如此。因此将可靠度指数和安全系数进行转换亦非常重要。当抗力和作用的变异系数及分布确定时，可靠度和安全系数之间存在着一种一一对应的转换关系[4]，通过推导可知，当分布为正态分布时，两者关系为：KKooRS1222或KoRSSSR11222222（3）当为对数正态分布时，两者关系为：lnKoRS22或KoRSexp22（4）式中：为可靠度指标，Ko为中心安全系数，R、S分别为抗力R和作用S的变异系数。以上两式均由根据中心点法推导出的可靠度指数求解方程得出。对于其它各种分布，理论上亦可相应推出两者关系式。3结构分析在整个桥梁结构的安全决策和优化设计中，归根到底都必须落实到结构本身的安全水准上来，而优化设计则更是必须和结构的材料用量施工技术等费用方面的因素联合分析，在当前的实际设计水平下也必须和其设计安全系数相联系。因此结构的安全性分析不但在优化设计时必不可少，而且在安全决策中亦是相当重要。一般各种结构决策分析均以目标可靠度为最终决策目标，然而当我们需要对具体的结构进行优化设计时，对结构可靠性、安全性的分析就必不可少了。对于正常的承载能力失效目前新的公路桥梁规范就有成文的分析方法，相对比较成熟，此处不再赘述。本文的分析是以针对独塔单索面斜拉桥主塔的稳定安全性分析为基础的[7]。4安全设防及设计的优化分析安全设防水准分析有两个目的，一方面为行业规范的制订提供依据，另一方面则可对某一具体工程进行设防的优化设计。尤其是某些特大型工程，行业提供的规范往往没有明确规定，因此进行这种设防度分析就更显必要。4.1结构安全度－费用分析结构的安全性与修建费用之间关系的分析有两种分析方法。第一是经验统计法，即统计分析大量的工程实践的费用和工程可靠度之间的回归关系式；第二是确定性的分析，以结构可靠度分析为主，对相应结构的造价作粗略评估，来寻求两者关系。假定安全度的改变不影响施工技术等条件的改变，则桥梁总体造价与材料用量大致可成正比关系。本文以主塔稳定性入手，对某桥梁的造价和安全度做了示例性分析。分析几种情况的后相应的指标如表2所示。在为提高（或降低）桥梁可靠度而改变设计的过程中，以目前的强度设计理论为基础，通常有两种做法，一是增大结构尺寸（即增大混凝土用量），二是增加配筋率（即增加钢筋用量）。这也将引起结构造价变化的不一致。分析中规定两者以按百分比同步增长（或降低）的方式进行。此处我们认为结构形式的优化已经完成。桥梁建造费用分析表1序号1234567主塔材料用量0.70.80.91.01.11.21.3稳定安全系数1.591.812.142.402.652.933.27稳定可靠度1.722.202.823.23.63.984.39失效概率0.04270.01390.00240.036870.031590.033450.04567注：表中材料用量以初始设计为1，其他安比例增减。在安全系数和可靠度之间关系的转换时，采用式（3）。式中抗力和作用的变异系数分别安文献[4]选取。回归表2中数据后可得参数为7.9，Co为初始设计造价的1/1.922（实际上这只是一个虚拟值）。则可靠度与建造费用之间粗略的关系为：CPPCff1179.ln（5）上式表示成图形则如图1所示。0.020.040.060.080.101.01.21.41.61.82.02.22.40.00010.0010.010.11.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0图1桥梁造价－失效概率关系（图中纵坐标1表示Co）4.2优化分析优化分析时，首先需结合第三章算例进行桥梁损坏的损失分析。根据通常造价，设本桥总体造价在1亿，完全破坏修复工期为12个月，其他交通发生分配等预测仍然采用前面数据。当桥梁发生破坏后，交通往往须经历一个逐渐恢复的过程。因此损失的计算须按交通的恢复量分成几个阶段累计，计算结果如表2所示。PfPfCC对数坐标线性坐标运输损失计算表2交通恢复度b5=0.0b4=0.25b3=0.5b2=0.75时间(天)180180180180运输增加量(辆工作日/天)203401051533750运输损失(万元)7322437854121500总损失(万元)123228注：每车每工作日假定按200元产值计。再加上根据损坏度确定的结构自身的损失，优化目标函数可确定如下：DPCPLPPPfffff1179192213323.ln..（6）求导取零后可以解得结构得最优设防度为：Pf000494.。相应的可靠度指标为2.58，安全系数为1.96。5杭州弯通道设计的合理安全设防分析杭州湾通道是为联结全国为数不多的深水港宁波港与全国最大的经济中心上海之间的交通运输，以及发展上海－浙江乃至华东经济带而需要修建的一条高速通道。也是中国规划中的沿海辽东至海南公路运输大动脉的一个重要组成部分。目前，已经有上海林李公司等单位提出了六个跨越杭州湾（或钱塘江）的公路通道方案。本文的分析在经过方案比较后的方案一的基础上进行。分析时，桥梁造价与可靠度之间的关系采用上一节式（14）分析结果，因此主要是损失的预测，由文献[5][6]，主桥损坏引起的损失值约为41.57亿左右（根据交通预测量确定），参照一般同类工程设通道主桥部分总造价约为20亿，因此优化目标函数可表达为：DPPPfff1179192220415720.ln..（7）分析后可以得出其最优失效概率为0.021，相应得可靠度为2.04，安全系数为1.75。从常规的设防概念来说，这是偏小的。实际上这样解得的结果也的确应该偏小。从可靠度的角度来说，这个结果只是在保证率为50%的最优设防值。因为在概率意义上结构损坏的损失值和结构造价本身都是一个随机数（包括造价计算式中的和Co），因此求得的最优设防度本身也是一个具有一定分布规律的随机数，上述求得结果只是其均值。而对于这些大型工程来说，必须具有较大的保证率，所以实际上真正的合理最优值尚需进一步分析确定。将式（6）中各数据替换成变量，求导后可得结构最优损坏概率的表达式为：PCLfo（8）式中和Co意义同前，L为结构损坏损失总量。因此由误差传递公式：YiinXfXi2122（9）当式（8）中各参数的方差已识后便可求得其方差，则结合上述求得均值，在确定出其防分布规律之后便可得到其在任意保证率下的最优设防度。由于其分布有一个界限，分析认为极值三型分布是比较符合此最优值之概率分布的（见式10）。Pxxxokexp11（10）式中x为失效概率，其均值和方差分别为：1111xko（11）11211212xkko（12）将式（7）和（9）两式求得的均值和方差代入上面两式，即可得到其分布参数。进而便可求解任意保证率下的最优设防度。由于式（11）（12）涉及一个函数，所以求解时可借助计算机。假设上述例子当中最优损坏概率的方差为0.2（由前面计算均值为0.021），则便可计算得相应的极值III型分布参数为：xko0017106.,.。从而可方便的得到任意保证率下的最优设防度。其分布函数和密度函数分别见图2。0.020.040.060.080.100.00.20.40.60.81.00.000.020.040.060.080.10图2极值三型分布函数及其密度函数表3所示为在各自保证率下的最优设防度。由于分布函数的峰值相当明显，因此不同保证率下的最优设防度比较接近。各保证率下的最优设防度表3保证率%9585755025最优设防破坏概率0.007950.011830.01440.0210.0262对应可靠度2.412.262.182.041.956小结结构设防以及设计的优化分析最后就集中到两个方面，第一是结构造价和可靠度安全度之间的关系问题，第二就是结构可靠度与其损坏后的损失之间的关系。同时由于这些优化离不开结构本身，因此结构自身的分析亦是设防优化分析的一个重要部分。本文对桥梁进行了设防的优化分析后，主要可得出一下结论：1)以结构安全度可靠度分析为基础，结合结构造价估计函数来分析结构造价与可靠度之间的关系这种方法是行之有效的。分析的结果亦显示用造价估计函数式（14）来进行拟合也是比较合理的。2)设防优化分析中，可以发现，按照一般的优化方法分析得出的结果和现在常规的设防度相比要小的多。这是由在设防优化的保证率太小所引起的。3)分析认为，结构安全设防的最优值实际亦是一个具有一定分布特征的随机数，因此在分析中，要求得在任意保证率下的设防最优值，尚需分析其分布形式以及相应的方差和均值。这方面的研究尚有待进一步深入。参考文献[1]Schueller,G.I.andStix,R.,ACriticalAppraisalofMethodstoDetermineFailureProbabilities,StructuralSaf