对公路桥涵设计中设计洪水频率的思考.doc

对公路桥涵设计中设计洪水频率的思考牟洪仲 安竹石摘要:从与时间相关的三个基本概念出发，通过设计洪水频率与设计基准期、设计洪水频率与设计使用年限、设计洪水频率与区域防洪标准、设计洪水频率与抗震设计标准四组对比，得到关于公路桥涵设计中设计洪水频率的几点思考。关键词：设计洪水频率、保证概率Abstract:This article clears three time-related primary concepts fist,then analyzes the following four groups of comparisons: designed flood frequency and design reference period; designed flood frequency and design working life; designed flood frequency and the regional standard for floor control ;designed flood frequency and seismic design standard,and summarizes several view about designed flood frequency.Key word: designed flood frequency guarantee probability 1. 定义1.1设计洪水频率 桥涵设计中的设计洪水频率是指在设计时采用的某一洪水重现的概率1，它的实质是一种累计频率。与之对应的是洪水重现期，它表示在很长的一段时间内，该洪水频率对应的洪水平均多少年发生一次。即若选定的洪水频率为1%，表示超过这样的洪水每年出现的可能性为1%。由此可知，设计洪水频率是与时间相关的一个概念，而公路桥函设计通用规范(JTG D60-2004)中与时间相关的一个核心概念是设计基准期，所以也简要陈述一下设计基准期的概念。1.2设计基准期 设计基准期为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数2，是概率分析上采用的概念，我国公路桥涵设计的基准期主要是通过可变荷载统计分布确定的。其实质是抗力函数与作用函数简化的一个时间参数。公桥规中规定：公路桥涵设计基准期为100年。这里涉及到的是一个分析的范畴3，而在桥梁设计规范中，对于和设计更相关的、业主更关心的设计使用年限概念却少提及，现结合其他结构说明一下。作者：牟洪仲（1984），男，贵州大学土木建筑工程学院硕士研究生，贵州 贵阳 550003 安竹石（1960），男，硕士生导师，副教授，贵州大学土木建筑工程学院，贵州 贵阳 5500031.3设计使用年限 公路水泥混凝土路面的设计年限是指路面达到预定损坏标准所能作用的时间4。对于桥梁设计，我们也可认为桥梁在正常条件下不需大修所能运营的时间。美国对桥梁的设计使用年限为不小于75100年5，该文还提出了公路混凝土桥涵结构设计使用年限的规定建议，对于一般大中小桥均为100年。2. 对比2.1 设计洪水频率与设计基准期的对比 按设计基准期的定义，材料与荷载的考虑都是在一百年之内以较大概率来保证的，而对于设计洪水频率，假定以一般大中桥1%的设计洪水设计频率(即每年不到该洪水位的概率为99%)来设计，根据其满足二项分布6可知，在建桥一百年都不触及该频率对应洪水位的概率P=0.99=36.6%，而这是一个较小的保证概率。由此可见，二者在一定程度上是不对应的。2.2 设计洪水频率与设计使用年限的对比由上一小结以及设计使用年限的定义与一般规定，还是以一般大中桥为例子，在使用年限内洪水将以较大概率1-0.99=63.4%触及该频率对应洪水位，在这种情况下结构能不能真正达到经验的设计使用年限将有较大的困难。所以，在桥梁设计规范中更明确地规定设计使用年限，并通过一定的设计参数与设计措施保证在设计使用年限内能够降低洪水的影响是必要的。当然，提高设计洪水频率也是一个措施，比如美国规范就比我国高，但即使提高的1/500,也只能保证50年使用过程中有90%的保证概率，所以单独以提高设计洪水频率的方式来提高保证率作用不明显。2.3 桥梁设计洪水频率与区域防洪标准的对比公桥规中对于设计洪水频率大小的规定仅与桥梁跨径与重要性有关，而不涉及到区域的防洪标准，将防洪标准较低的区域与较高的地区等同对待，将使防洪标准较低的区域很难达到公桥规规定的设计洪水频率值，且极易在防洪标准较低的地区形成桥与路连接不顺，甚至单桥突起的情况。所以，设计洪水频率可区别对待，根据实际情况适当调整其大小，而这种调整又与桥梁结构自身需以较大概率在较长使用期内保证桥梁不触及设计水位的目标相抵触，如何在这种情况下仍能保证桥梁的安全？除了对桥梁本身加强外，对其他临时性的防洪设施的强化也很重要。7文中提到的多次设防的方法，即将洪水分为偶遇洪水与罕遇洪水的方法更多的是从效益分析层面来确定洪水频率的，但这个效益应是以桥梁不造成安全事故为前提，所以即使从效益角度出发设计洪水频率的标准降低了，桥梁本身的强度与防罕见洪水的措施是不可少的。2.4 桥梁设计洪水频率与抗震设计标准的对比桥梁设计洪水频率的概念属于防洪设计的一个范畴，而桥梁设计规范中涉及防洪设计的地方少之又少，这与抗震设计有专门的公路工程抗震设计规范形成对比，防止洪水特别是罕见洪水对桥涵造成的伤害也应重视。另外，抗震设计的标准不论在国内还是国外都相对较高，例如，现行的美国公路桥梁设计规范（AASHTO）地震设计在使用状态下，按 50 年使用期内10%的失效率进行设计的。 即在 50 年内，有90%的把握不会发生超过这设防等级的地震，相当于重现期为475 年。3. 结论3.1 本文明晰了在桥梁设计过程中与设计洪水频率相关的几个概念，进而进行了四组对比，得出桥梁规范中对设计洪水频率的规定与对其它一些相关概念的规定一定程度上的不统一。3.2 从设计洪水频率出发得到的保证率的角度来说，我国的防洪标准是偏低的。所以，可适当提高设计洪水频率的标准。但如上文所述即使提高了设计洪水频率的标准，对罕见洪水的防止也是有限的，那么在条件允许的条件下，我们可以以防止偶遇洪水的破坏为主，而对罕见洪水采用特殊的措施进行应对，这样的话即使设计洪水频率降低了，其实质仍保证了较高的安全性。而对于偶遇洪水与罕遇洪水的划分，以及防止罕遇洪水对桥涵破坏的措施限于篇幅以后再详述。3.3 桥梁设计过程中设计洪水频率的取值还需充分考虑区域防洪标准并结合效益分析确定。3.4 建议桥规中能有业主与设计人员关心的设计使用年限的规定。3.5 在不断完善防洪设计相关规范与理论研究的同时，可对照抗震设计等相关规范，将抗震设计的一些方法运用到防洪设计，将防洪设计的一些方法运用到抗震设计。 参考文献：1 JTG D60-2004,公路桥函设计通用规范S.2 GB 50068-2001,建筑结构可靠度设计统一标准S. 3 袁贤讯,陈国英.结构设计基准期与设计工作寿命的关系J. 中国建设信息,2001(21):48-51. 4 JTG D40-2002 公路水泥混凝土路面设计规范 JTG D40-2002隐藏,公路水泥混凝土路面设计规范S.5 张洪波,鲍卫刚.公路桥涵结构的设计基准期与设计使用年限J .公路，2005（8）：35-37.6 周国利.概率论与数理统计M. 南京：南京大学出版社，2007.7 齐怀恩,王光远.公路桥梁抗洪设计标准的反思和建议J.林业科技情报，1998（3）：7-13