1冗余度以及其在桥梁设计中的内在意义
1．1冗余度的定义及内涵
桥梁稳定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，当桥梁结构局部发生某种被破坏的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。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和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。系统系数的作用始终会贯穿于整个设计体系当中。在整个设计过程中通常会涉及到2个阶段的过程。一是冗余度的计算方法，而且要有一个系统系数的简便计算表，可以在桥梁设计和估算时采取此种方式进行计算。二是将第一种计算方法拓展到连续梁上部结构当中。上述系统系数的计算方法已经被广泛的应用于工字型或者箱型截面的钢和后张混凝土结构中去。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。
1．2桥梁结构体系的冗余度
桥梁结构中的冗余度在整个桥梁结构体系中占有很重要的地位，但是研究整个桥梁的机构时候结构体系通常只是是将具有不同功能的结构部件通过受力系统科学有序的链接起来，以保证整个桥梁有充足的荷载能力。而一个桥梁结构如若没有冗余度，整个结构体系的安全系数也必然会很低。这是因为若在某个时候整个结构系统某一连接部件被破坏的情况下，就会另整个结构系统稳定性发生变化，这一情况在美国某钢桥出现过。而一个桥梁结构有冗余度的情况下，结果会大大不同，一般情况下某个部件被破坏的情况下并不会影响整个桥梁的结构体系的稳定性发生变化。因此，在实际的桥梁设计当中为了整个桥梁结构体系的稳定性和安全性，会对整个系统设定一个冗余度，使得整个桥梁结构系统有不同途径的多条传力方式，这也就说明桥梁结构的承载力大小与桥梁结构体系的荷载与再分配能力的大小有正相关的关系。
1．3冗余度系数
冗余度系数一般用Ｒ表示，这一情况在桥梁设计中得到了体现。在实际的桥梁设计中，会把桥梁结构分为2个部分进行冗余度的定量计算分析，通过分析可以得到整个桥梁的承载力及再分配能力的大小。Ｒ可以通过公式计算得出，可为桥梁冗余度的设计提供客观的参考依据。
2桥梁各设计参数对结构冗余度的影响
桥梁跨长、曲线半径、外部横向连接类型和数量等等指标都是在桥梁设计过程中主要使用的桥梁结构设计参数。上述参数在设计时都会或多或少的对冗余度产生一定的影响。以下我们将分别对这几个影响因子进行分析。
2．1跨长对结构冗余度的影响
若要不同跨长的桥梁达到相同的Ｒ值就要使得桥梁外部横向连接要足够的多。这一发现是通过不断的实际操作中发现的，也就是跨长实际不是冗余度的主要决定性影响因素，换言之跨长这一设计参数在实际的设计冗余度可以考虑的比较少。
2．2曲线半径对结构冗余度的影响
我们以跨径80m的设计桥梁为对象进行分析，其结构系统的冗余度系数会与曲线半径之间成正相关关系。据此我们可以得出一个结论，跨径不相同的桥梁曲线半径会得出不同的冗余度。这一结论是建立在对曲线半径为150米、200米、250米三个等级的曲线半径与冗余度之间的关系研究之上。
2．3外部横向连接类型对结构冗余度的影响
在桥梁设计之初，外部横向连接的类型和实心横隔板的链接要满足结构部件全区服时满荷载为最低标准。这也就意味着外部横向连接的类型和实心横隔板的链接对于桥梁系统的安全性和稳定性起到决定性作用，因为该设计参考因素对桥梁系统的横向传力能力会有很重要的作用。当然外部横向连接类型的不同或者横隔板的不同对桥梁冗余度的提升也会有不同的表现。从桥梁设计的安全性和稳定性角度出发，外部横向连接的类型和实心横隔板的链接相互之间的最佳搭配才会形成最可靠的受力系统。此外，需要特别提出的一点是，在某些情况之下，实心横隔板要比K形连接对冗余度的提高更加有效。
2．4外部横向连接数量的影响
理论上，在桥梁收到破坏在损坏的最初阶段，混凝土桥面所收到的损坏荷载难以及时从梁损坏区域传递到最近的横向连接部位，因此我们可以得出，外部横向连接的的类型及数量的多少对桥梁设计的冗余度有很大的影响。然而在实际的桥梁设计过程中，我们不难发现冗余度的高低与桥梁每一个跨度中所含有的外部横向连接的类型及多少有很大关系。
3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、基座出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。
4结束语
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稳定性、安全性、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。
作者：张犁 单位：湖南中大设计院有限公司
