李豪
重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400041
摘要：桥梁结构的可靠性研究是土木工程中的一个十分重要的领域。桥梁是交通的纽带，桥梁结构的可靠性对经济和人身安全都有着重大影响。本文主要对评价桥梁工程可靠性的方法及其各自的优缺点进行了研究，并结合可靠度理论，优化结构设计，提高结构设计的科学性、合理性。结果表明，我国已形成一套较为完善的桥梁评估系统，未来将广泛应用于实际桥梁工程评估中。
关键词：桥梁结构 可靠性 评估方法
1 引言
随着我国经济快速发展，交通也越来越发达，桥梁结构在我国交通运输中发挥着重要作用，保证桥梁结构在服役期间的稳定性尤为重要。所谓桥梁结构的可靠性问题就是研究现有桥梁结构在各种外部荷载及一些不确定性因素等作用下是否能够保持足够的稳定性，这就是所谓的结构的可靠度。
我国对桥梁结构可靠性的研究工作起步较晚，由于当时我国对桥梁结构稳定的认识还很浅，到了50年代中叶，直到前苏联提出了极限状况设计法，我国才开始借鉴采用。
2 评估方法
结构的可靠性包括结构的安全性、耐久性、适用性，例如结构在正常施工和正常使用期间能承受各种外加荷载，能保持良好的性能；在规定时间内不出现过大的裂缝，钢筋不被严重锈蚀等。我们用可靠度来衡量结构的可靠性，包括了以上三种性能。这里不考虑结构阻力随时间的衰减。
2.1 可靠性鉴定评级
用这种方法，就需要经验丰富的工程师在现场检查中对现有桥梁进行检查并分级，并对桥梁材料的损伤程度进行检查分级，检查内容包括钢筋锈蚀程度、混凝土开裂程度等。评分标准和损伤程度标准是由大量的调查结果和实验研究结果预先确定的。林少培等人提出了用不确定层次分析法对结构的可靠性进行评价的思路。最终利用重要性系数和子结构阻力计算出整体结构的可靠度。该方法比较简单方便，计算量也较小，但缺点是不能很好地考虑各子结构的不确定性，并且最后的研究结果的可靠程度取决于评价者的经验累积程度和判断的准确性。
2.2 荷载实验
这是一种通过现场对桥梁进行荷载试验然后对桥梁结构进行评测的方式。需要强调的是，荷载试验虽然是桥梁评估中常用的方法，但不能取代传统的评估方法，只能作为获取信息的手段和分析方法的补充。这种观点的依据是：试验费用大，方法难以推广，严重的可能会对结构造成严重破坏，影响正常交通。
2.3 桥梁评估专家系统
这里所说的桥梁评价专家系统，就是利用计算机仿照经验丰富的专家的评判机制，对现有桥梁进行综合评测的方式。目前，实用性评价体系仍在研发中，此系统是基于鉴定评级的基础上，再借助于评价专家系统，可以在没有专家的情况下提供咨询服务，自行完成一次对桥梁的评估。
2.4基于结构可靠度理论的方法
以概率论为基础的结构可靠度理论很好的考虑了结构中的诸多不确定性因素。把影响结构可靠性的因素视为随机变量，通过大量数据分析和统计，再利用可靠度理论计算出可靠指标和失效概率，此结果较为客观，准确。目前，这一理论已广泛应用于结构工程中的各个领域，由于此理论是以概率论为基础，较好的考虑了结构中的一些模糊因素，为桥梁评估提供了一个合理的方法。
3 基于可靠性理论优化结构设计
桥梁结构设计的基本原则是安全、适用、耐久、经济。
传统的桥梁结构设计主要采取定值设计方法，既不能考虑和解决桥梁结构中的各类不确定因素，也不能定量地分析计算其安全性、适用性和经济性指标，更不能合理地调和它们之间的矛盾，从而形成一个新的平衡点。事实上，传统的设计方法在满足设计规范的前提下满足最底层的设计，因此有必要开启新的思路和发明新的方法。
3.1结构优化设计理论
可靠性理论就是为优化结构设计理论而打下基础，将两者相结合，就能有效的提高设计的可靠性和安全性，是工程结构设计领域的一个重要问题。目前有限元软件发展越来越快，应用于大量复杂的领域，当然也在优化设计中应用，再加以高等数学归纳方法，基于可靠性的结构优化设计理论在实际工程中得到广泛应用。结构的设计优化包括构件的尺寸优化、外观优化、材料优化等，具体研究包括钢架、拉索、钢筋等。
3.2 结构优化设计方法
在数学规划的基础上，数值优化方法在结构优化设计中得到了越来越普遍的应用，特别是数学规划方法和优化准则方法。此外，近年来由于智能算法和有限元方法的兴起，为结构优化设计的研究创造了良好的条件。
①优化准则法
结构优化设计是以现代理论力学和高等数学方法为根本，以达到最优化的设计，用迭代法得到了最满意的设计方案。其中，全应力设计是最早发现也使用最广泛的方法。由于其迭代次数与自变量的个数无关，而且收敛速度较快，且简便易上手，便于设计人员掌握。
②数学规划法
数学规划方法是以数值分析、数理统计等为基础，与优化设计的理论相结合，将结构优化转化为数值分析问题来求解。在实际中，非线性规划问题的线性化一般采用线性逼近法，如级数线性规划法；此外，可将约束优化问题转化为无约束优化问题求解，这样会简单许多，如常用的罚函数法和拉格朗日乘子法。数学规划方法中还有可行方向法，它考虑了求解优化设计问题的约束条件，此方法结果更为精确，缺点是计算量较大。
3结构施工期可靠性评估
施工阶段也是结构寿命中的一个关键影响时期，施工阶段是将图纸变成实物的阶段，但是，施工期间结构稳定的复杂性是难以预测和计算的，例如，风荷载、地震荷载等，都是难以预测的不确定性因素。从而难以实现桥梁的设计目标。
目前有预测控制法，此方法就是考虑到各方面的影响因素，对施工可能造成的误差进行事先评估，并严格按照施工步骤执行，使施工后的成桥状与设计相吻合。其次，还有一种方法是事后调整控制，即施工完成后对部分结构进行计算调整，避免整个施工过程中产生过大的偏差，才能保证桥梁施工的质量。
4 结论
本文研究讨论了桥梁结构可靠度的评估方法，应选择不同的优化模型和评估方法，或优化模型，研究出一种更合理的方法，这些仍然是一个难题，需进一步研究。由此，我认为值得研究的有以下几个问题：
（1）本文研究了桥梁结构的可靠性分析与计算方法，包括各子结构构件和结构总体的可靠度研究，但目前问题在于对后者的研究。
（2）现在结构可靠度的研究多是从工程技术的角度出发，研究的是结构的技术寿命，如何经济因素考虑到桥梁结构中，从经济角度来进行对结构的可靠性评估和寿命预测，将是目前较为理想的研究方向。
参考文献：
[1]刘同星.桥梁结构生命全过程可靠性研究[D].郑州大学,2013.
[2]穆加宇.结构可靠性理论在桥梁工程中的应用[D].浙江大学,2002.
[3]魏嬿.基于可靠度理论的既有桥梁承载力评估[D].西南交通大学,2012.
[4]齐承涛.基于荷载试验的桥梁可靠性评估[D].长安大学,2009.