0引言
随着社会经济的飞速发展，我国的交通业迎来了一大高峰，运输量急剧增加。很多桥梁修建年代较为久远，设计方面存在诸多不合理的地方，已经难以满足当前运输行业的发展需求。因此，加强对桥梁结构设计的研究极具现实意义。1996年，AASHTO规范的荷载抗力系数设计法中正式提出冗余度设计要求，标志着冗余度设计成为桥梁结构设计中必不可少的一项重要内容。
1桥梁结构冗余度的概述
冗余度一词由英文单词“redundancy”翻译而来，在工程结构设计领域，冗余度有时也被称作超静定次数[1]。在实际工程结构中，冗余度即多余约束的存在，能够保证工程结构在丧失部分约束或局部连接后依然具有一定的荷载能力，能在一段时间内维持结构整体的稳定性。如果桥梁的结构设计中没有考虑冗余度，整个桥梁的安全性将由其中最弱的一个构件或连接点来决定。也就是说，一旦这个最弱的构件或连接点产生损坏，整个桥梁结构都会受到牵连而失效。而对于加入了冗余度设计的桥梁结构而言，要想整个桥梁结构失效，至少要破坏其中两种以上的构件或连接点，因此大大提高了桥梁的整体稳定性。目前在桥梁结构设计中，冗余度设计就是赋予桥梁多重传力途径，使桥梁在局部构件遭到破坏后，桥梁系统的整体性不受破坏，且能够通过结构体系的荷载再分配，使桥梁能够继续提供一定的承载能力。另外，荷载再分配也具有几种不同的形式，可以据此将桥梁结构的冗余度分为以下三类：①构件本身的冗余度。即指某一构件的破坏不会造成其余构件的连锁失效，比如一个构件产生断裂后，不会扩大影响到其他构件；②结构的冗余度。这里的冗余度与外部约束有关，是一种将单独构件的纵向荷载进行再分配的能力，在桥梁工程中经常使用的刚性节点钢框架及超静定连续梁均属于这一类；③传力过程的冗余度。即桥梁结构体系的冗余度，具体来讲，就是结构上拥有多种荷载传递途径，能够进行内力的再分配，可以缓解单一构件损坏所带来的影响[2]。
2冗余度设计对桥梁结构稳定性影响的实例
2.1美国银桥垮塌事故
美国银桥建于1928年，主跨214m，边跨116m，采用两条眼杆式主缆，主缆材质为经过热处理的高强度碳素钢。1967年，服役了将近40年的银桥突然垮塌，造成重大的人员伤亡。事后的调查表明，导致该桥垮塌的罪魁祸首是主缆眼杆连接处发生了断裂。主缆眼杆的连接环通过销钉扣接，因存在细小的制造缺陷，导致此处产生应力集中和疲劳，最终连接环发生开裂，而眼杆的独特构造使得这一裂纹难以被人发现和检测到，造成裂纹不断扩大，最终发展到连接环的整个截面。由于主缆的两根眼杆以环环相扣的方式连接，当其中一根开裂失效以后，相当于整个主缆截面缩小一半，导致另外的一根眼杆承受了承载能力极限以外的拉伸作用，并产生破坏失效，在接下来的一分钟内，整个银桥产生毁灭性的破坏，从主跨、边跨到桥塔全部倒塌。
2.2俄亥俄州I-74跨I-275路桥破坏事故
俄亥俄州I-74跨I-275路桥为四跨连续梁桥，其上部采用六块钢板梁，在横撑下连为一体，板梁上方搭盖混凝土桥面板；路桥下部采用美国较为流行的钢筋混凝土排架式桥墩。2008年5月20日，在该路桥服役32年之际，I-275公路上的一辆载有80吨重物的平板拖车脱离控制，将路桥下部的两根墩柱撞倒，但令人庆幸的是，该路桥受此重击仍未垮塌，只有主梁部分发生下垂。随后美国的公路管理部门赶赴现场进行处理，控制住了事故的蔓延，没有造成更大损伤。
2.3实例分析结论
在银桥的结构体系中，主缆通过许多环环相扣的眼杆销接而成，这种特殊的连环构造使得连接环成为传力的关键路径，也成为整个银桥结构体系中的重大缺陷[3]。通过销钉扣接的两环中任一环失效，都会造成整个主缆的失效。从整体结构上来讲，银桥两座桥塔的底端和桥墩采用销钉式铰接，该设计本意是允许塔底转动，给塔顶留有纵向位移空间，以充分考虑主缆在温度影响下的伸缩效应，同时更好地适应不停变化的交通活载分布。然而这种设计导致主缆和桥塔之间彼此依赖，进一步降低了银桥整体结构上的冗余度。与银桥垮塌事故截然不同的是，在I-74跨I-275路桥事故中，路桥在桥墩损毁之后依然保持基本的整体性，没有发生严重垮塌，事后调查表明，这主要是由于该路桥上部结构的冗余度较高。该路桥具有以下三个构造特点：一是桥梁采用连续梁结构；二是使用了混凝土桥面板；三是钢梁之间建立了横向支撑。这样的结构设计使得路桥上部结构体系具有很好的整体性，当其中一跨的支座失效以后，其应力能够在纵横两向上重新分配，因此桥梁很难发生整体性的垮塌。美国银桥的彻底垮塌和I-74跨I-275路桥惊人的稳定性，足以证实冗余度设计在桥梁结构设计中的重要性。
3桥梁结构设计中冗余度的运用
在桥梁结构体系中，往往几个冗余度同时存在、彼此依托，其中包括构件的冗余度、结构的冗余度以及传力途径的冗余度。在设计多重传力途径时，不能单纯依赖极限状态验算式，这是因为多重传力途径的实现必须要借助结构本身的冗余度（即横向联结系）。在冗余度理念的实践应用过程中，需要着重将冗余度设计表现在桥梁结构设计的指导原则中，例如对某些特定的结构类型、典型的截面形式、独特的构造细节予以提倡或回避等。值得注意的是，在美国AASHTO规范中，采用冗余度系数来放大或折减荷载效应，表面看起来就好像是对结构体系的一种“奖惩”，这导致冗余度概念极易与安全系数概念相混淆，因此桥梁设计师在设计过程中应对此加以注意。在大跨径桥梁设计中，提倡采用三维有限元分析，通过逐步迭代算法，确定路桥结构中的连锁破坏形式，发现路桥结构中不符合冗余度要求的构件，进而通过改进设计、制造环节以及加强养护等手段来克服构件缺陷，提高路桥结构的安全性。目前，AASHTO规范中对于路桥结构冗余度设计的要求还比较缺乏系统性，没有针对路桥的特定用途以及特定的破坏事件进行分类要求。因此，建议根据地震、洪水、滑坡、爆炸、车船冲撞等具体事故的发生几率，对特定路段上的路桥结构设计的冗余度作出相应的细化要求，进一步提高冗余度设计的规范性和有效性，以更好地指导桥梁设计师们将冗余度理念运用到桥梁结构设计中[4]。
4结语
近年来，我国桥梁工程发生了若干起事故，造成不同程度的财产、人员损失，同时在社会上造成了比较严重的影响，带来较大的负面作用。本文结合相关事故案例情况，分析了冗余度理念对桥梁结构设计的影响及其应用，以期起到抛砖引玉的作用，达到避免事故、造福社会的目的。
作者：吴志芳 单位：河北锐驰交通工程咨询有限公司
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