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摘要：近年来，我国的一些地方出现了大桥坍塌或局部破坏事故，究其原因我们就会发现大多因构件疲劳损坏所致，这会造成桥梁结构的承载能力和使用性能大大降低。可见，我们要想确保桥梁能够安全运营、增加其使用寿命及最大限度地提升桥梁的安全性和耐久性，同时又避免桥梁出现早期病害，有效降低桥梁后期的维修费用，就必须要对桥梁结构进行优化设计，确保其能够安全、可靠长远地为人类造福。本文主要是对结构可靠度下的公路桥梁进行深入研究，确保可以做到优化设计。
关键词：桥梁结构；结构可靠度；结构设计
我们应该知道桥梁结构设计的基本原则主要是安全、适用和经济。我们传统的桥梁结构设计大都是选用定值设计的方法，主要是为了确保符合设计规范条件的要求，其设计水平一般不高，存在一方面无法描述和解决桥梁结构中客观存在的种种不确定性因素，另一方面也无法实现定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标，不能科学地协调它们之间的矛盾，无法使它们达到有效的平衡。此外，长期以来，我们在桥梁的设计过程中，存有只片面考虑到强度而忽视了耐久性，只看到强度极限状态而没有看到使用极限状态，只注重对桥梁结构的建造而对其后期的检测和维护缺乏有效管理，最终会严重影响桥梁结构的安全性。
一、结构可靠度的定义
结构可靠度主要是指工程结构需要在规定的时间内和规定的条件下，需完成预定功能的概率。所谓“规定时间”主要是指在我们对结构进行可靠度分析时，需要充分考虑结构的使用期，把握好各种基本变量与时间的关系所取用的基准时间；“规定的条件”主要是指结构在我们的正常设计、施工和使用的条件下，通常不会考虑那些人为过失的影响因素；“预定功能”是指在我们的正常施工和使用过程中，需要根据结构能承受可能出现的种种作用，确保能够具有良好的工作性能和耐久性，对于设计规定的偶然事件发生时和发生后，确保结构能够保持必要的整体稳定性。
二、可靠度理论下公路桥梁结构设计要求
我们对可靠度理论下公路桥梁结构设计的总要求主要是：结构的抗力R应大于或等于结构的综合荷载效应s，即Rs。
在我们对公路桥梁结构可靠性进行设计的过程中，规定的条件主要是在正常情况下的施工，则将截面承载力的安全指标B作为结构的可靠指标；将结构在失效状态时的概率称为失效概率。但由于实际中抗力和荷载效应均为随机量，因此上式并不能绝对满足，而只能在一定概率意义下满足。即P{RS}=Pr。
其中，Pr为结构的概率可靠度。因此，结构设计更明确的要求是：在一定的可靠度Pr或失效概率Pj条件下，进行结构设计，确保结构的抗力能够大于或等于结构的综合荷载效应。
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在我们具体的公路桥梁结构设计过程中，需要事先确定结构的失效标准和失效模型；然后对结构的目标可靠指标进行确定；从而对设计表达式进行推算。
三、公路桥梁结构目标可靠度
我们应该知道目标可靠指标既是我们进行结构设计的依据，也是结构设计应该要预期达到的安全水平指标。我们所说的度量结构可靠性的指标也就是可靠度，其存在的优势主要是目标可靠指标与失效概率或目标可靠度（可靠概率）有一一对应关系。因此，我们要想更好地将概率极限状态设计法用于公路桥梁结构设计，首先就应该让设计者能够确定以多大的失效概率作为设计目标，也就是应该选择多大的目标可靠指标，这主要是由结构的重要性、失效后果、破坏性质、经济指标等影响因素所决定的。如果我们所设计的结构构件失效概率小，那么可靠指标就会比较大，从而有效确保结构的可靠程度，相应的就会使工程造价高，而维护费用较小，那么就会有较小的投资风险和给社会带来较小的后果；如果反之，失效概率大，那么可靠指标小，从而结构的可靠程度低，工程造价低，存在较多的维护费用，投资风险及给社会带来的后果也就比较大。
目前，根据我国现行公路桥梁设计规范条件下桥梁结构构件可靠度校准的结果，经综合分析，并参考国内外各种结构构件目标可靠指标的建议值，《公路工程结构可靠度设计统一标准》（CB/T50283-1999）建议我国公路桥梁二级结构构件在设计基准期内的目标可靠指标为：
主要组合（汽车、人群、结构自重和土引起的或其中部分引起的效应组合）：
延性破坏构件BT=4.2
脆性破坏构件BT=4.7
附加组合（在主要组合的基础上再加上其他作用效应的组合）：
延性破坏构件BT=3.7
脆性破坏构件BT=4.2
上述建议值分别相应于现行公路桥梁结构设计规范延性破坏构件和脆性破坏构件可靠指标的下限值。
对于一级和三级公路桥梁结构构件，相应的目标可靠指标可根据我国《工程结构可靠度设计统一标准》（CB50253-1999）的要求，在已确定的二级结构构件目标可靠指标的基础上各分别增减0.5，这个要求依然是工程经验性的要求。
四、基于可靠度的公路桥梁结构优化设计
1.结构优化模型
基于可靠度的桥梁结构优化模型可以决策出各个构件的最优可靠度，各个构件的优化设计就是以最小的造价实现它的最优可靠度，这就将结构整体优化设计方法分成以下内容：
首先，对设计变量进行选择
一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度PS）；而将那些对设计要求来讲，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量。
其次，对目标函数进行确定
一般用全桥所设计的梁结构造价之和作为目标函数进行优化。首先，假设所设计的梁在使用期内失效概率为PF，其失效以达到或超过极限状态为标志，一旦结构损坏必须考虑重建。因此，桥梁结构的可靠度优化设计问题就归结为寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率PF，从而使总费用C最小。
minC=C1+C2PF
式中，C：目标函数；C1：结构造价；C2：结构的损失期望，失效概率为PF时可能造成的失效结构的恢复费用。结构失效概率为PF。
再次，对约束条件进行确定公路桥梁结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，要使结构优化设计应用于实际桥梁工程，则是将公路桥梁设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较，保证各约束条件都符合现行规范的要求，以实现最优设计。
2.对优化设计计算方法进行合理选择
桥梁结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，在计算过程中，通常是将有约束优化问题转化为无约束问题求解。可以利用的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell法等。
3.对程序进行有效设计
根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。
4.对结果进行分析
对计算结果进行分析，确定最优设计方案。
五、结束语
综上所述，我们在选择可靠度的公路桥梁结构设计方法时，需要综合考虑多方面的影响因素，来确保设计人员能够实现最佳的优化设计，从而保障可以达到更加安全、适用、耐久的设计要求，确保能够以较小的成本获得较大的经济效益。
参考文献
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[4]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报；2011（05）.
论文作者:张慧
论文发表刊物:《防护工程》2017年第14期
论文发表时间:2017/11/6
标签：结构论文; 可靠论文; 桥梁论文; 构件论文; 概率论文; 指标论文; 公路论文; 《防护工程》2017年第14期论文;