關(guān)于橋梁設(shè)計(jì)問(wèn)題的探析
2016-12-19
我國(guó)對(duì)橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)行的規(guī)范主要就是提出了要求橋梁要保證經(jīng)濟(jì)、安全、適用且美觀，這些要求基本上都符合人們對(duì)于橋梁的要求。而在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該要考慮橋梁的正常使用和極限承載能力。橋梁的極限承載能力主要是考慮當(dāng)橋梁的控制結(jié)構(gòu)喪失承重能力臨界狀態(tài)時(shí)的承載能力，橋梁的基本設(shè)計(jì)原則就是要求橋梁的荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值一定要小于或者是等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)值。要充分利用工作條件系數(shù)、材料安全系數(shù)以及荷載安全系數(shù)等一些不確定的因素,進(jìn)行綜合的考慮，同時(shí)還要考慮這些因素綜合作用下的橋梁總體的安全儲(chǔ)備，這可以看作是對(duì)橋梁安全性要求的根本保證。
1 橋梁設(shè)計(jì)的先決條件
1.1 安全是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提
隨著改革開(kāi)放的力度加大，城市車輛的飛速發(fā)展，城市交通運(yùn)輸十分繁忙，車速也在不斷提高，橋梁結(jié)構(gòu)不光要求結(jié)構(gòu)自身的受力安全，而且要求橋梁構(gòu)造的安全。在大橋設(shè)計(jì)中，有河中設(shè)墩的連續(xù)箱梁，有連續(xù)剛構(gòu)，有上承式拱橋等橋梁結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)實(shí)際的地形、地質(zhì)、地物，最后綜合比較選擇，保證急流的流水?dāng)嗝婧蜆蛄航Y(jié)構(gòu)自身安全。又如在橋墩設(shè)計(jì)中，以盡量減少橋下車輛對(duì)橋墩摩擦引起橋梁結(jié)構(gòu)的不安全和增強(qiáng)橋梁建筑的美觀。
1.2 經(jīng)濟(jì)是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的保證
一座橋梁建筑設(shè)計(jì)的再如何漂亮，若它的造價(jià)比看上去一般化的橋梁高出許多，這座漂亮的橋梁設(shè)計(jì)也是失敗的。故在橋梁設(shè)計(jì)中，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)盡量地考慮經(jīng)濟(jì)。
1.3 功能在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也不應(yīng)忽視
在交通日益劇增的情況下，橋梁方案設(shè)計(jì)中，交通組織功能也要擺在重要的地位上，尤其是立交橋，不光橋上有車輛，橋下車輛也川流不息。如果不綜合考慮交通功能，下行車輛撞擊橋墩或有關(guān)橋梁部分，導(dǎo)致橋梁坍塌，這種事故在國(guó)內(nèi)外都有發(fā)生。作為橋梁設(shè)計(jì)人員必須注意這一點(diǎn)來(lái)進(jìn)行橋梁方案比選，乃至確定后的橋梁分跨。
1.4 美觀是橋梁設(shè)計(jì)必須考慮的一部分
橋梁建筑不僅是交通工程中的重點(diǎn)建筑物，而且也是美化環(huán)境的點(diǎn)綴品，所以設(shè)計(jì)必須精心方案比選、精心設(shè)計(jì)、精心施工，以期求得在增加投資不多的條件下，取得橋梁美觀的效果。
2 在我國(guó)當(dāng)前的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在著下列傾向
2.1 設(shè)計(jì)中多考慮橋梁
2.2 主要重視橋梁的強(qiáng)度極限狀態(tài)，卻忽略了使用時(shí)極限狀態(tài)，而橋梁的結(jié)構(gòu)在其生命周期中，使用時(shí)的性能表現(xiàn)是最為重要的；強(qiáng)度，很少考慮橋梁的耐久性。
2.3 只重視橋梁的結(jié)構(gòu)建造，卻忽視了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)；
2.4橋梁的安全性及耐久性較差。首先，施工管理水平較低。在國(guó)內(nèi)外，橋梁倒塌事件時(shí)有發(fā)生，針對(duì)于這種情況，工程界開(kāi)始重視橋梁安全性的問(wèn)題。一般的看法認(rèn)為:當(dāng)前的工程事故主要是由于管理水平低造成的，大量的橋梁在沒(méi)有達(dá)到預(yù)期使用壽命時(shí)，就出現(xiàn)了病害。還有大量的橋梁在使用了幾年后，甚至剛建成不久出現(xiàn)了嚴(yán)重的耐久性不足問(wèn)題。此外，工程施工的材料以次充好，鋼筋保護(hù)層不做，有些施工現(xiàn)場(chǎng)的構(gòu)件開(kāi)裂等，這些都造成了典型的橋梁工程事故。
現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有這樣的傾向：設(shè)計(jì)中考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少；重視強(qiáng)度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期中最重要的卻恰恰是使用時(shí)的性能表現(xiàn)；重視結(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護(hù)。實(shí)際上，目前的橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注，既沒(méi)有明確提出使用年限的要求，也沒(méi)有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)（從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計(jì)程序上上保證耐久性，并明確聲明在何種維護(hù)和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性）。這些傾向在一定程度上導(dǎo)致了當(dāng)前工程事故頻發(fā)、結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短的不良后果；也與國(guó)際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢(shì)相違背；也不符合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)和綜合經(jīng)濟(jì)性（考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護(hù)等整個(gè)周期的費(fèi)用）的要求。
3 需要改進(jìn)的問(wèn)題
3.1 應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題
橋梁在建造和使用過(guò)程中，一定會(huì)受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，并要承受車輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來(lái)作用，同時(shí)橋梁所采用材料的自身性能也會(huì)不斷退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代以來(lái)，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴(yán)重?fù)p害的例子很少，但已經(jīng)有多座橋梁因?yàn)槔鞯哪途眯詥?wèn)題而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟(jì)損失。
需要指出的是，很多這類問(wèn)題與沒(méi)有進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計(jì)有關(guān)，這也促使人們重新認(rèn)識(shí)橋梁的耐久性問(wèn)題。大量的病害實(shí)例也證明，除了施工和材料方面的原因，影響結(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素是來(lái)自構(gòu)造上（也即設(shè)計(jì)上）的缺陷。
3.2 重視對(duì)疲勞損傷的研究
橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。
由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會(huì)逐漸發(fā)展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測(cè)到，但其帶來(lái)的后果往往是災(zāi)難性的。
疲勞損傷過(guò)去一直被認(rèn)為是鋼橋設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題，由鋼結(jié)構(gòu)疲勞引起的鋼材開(kāi)裂案例較多，亦有不少因疲勞斷裂引起橋梁垮塌的例子。近20年來(lái)，疲勞損傷的研究已進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，但對(duì)于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動(dòng)態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強(qiáng)。
對(duì)疲勞損傷的研究不僅僅指對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，事實(shí)上橋梁結(jié)構(gòu)常常由于某些關(guān)鍵部位的局部疲勞失效而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效，例如斜拉橋拉索錨固端的疲勞損害。
3.3 充分重視橋梁的超載問(wèn)題
汽車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營(yíng)；其二是橋梁通行的車流量超過(guò)原設(shè)計(jì)；另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計(jì)荷載的變化和交通量的增加；后者是車輛使用者違法超載營(yíng)運(yùn)，后兩種超載現(xiàn)象在我國(guó)公路運(yùn)輸中較為普遍。
橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問(wèn)題。超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。例如，混凝土橋梁一直被認(rèn)為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開(kāi)裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)件的開(kāi)裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來(lái)不該開(kāi)裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來(lái)較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形。這些都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響，因此除了交管部門要加強(qiáng)管理外，也需要對(duì)超載帶來(lái)的后果進(jìn)行研究、分析。
結(jié)語(yǔ)
目前我國(guó)的橋梁正處在蓬勃發(fā)展時(shí)期，在設(shè)計(jì)方面，要學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外好的經(jīng)驗(yàn)，才會(huì)使我國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)水平與施工管理水平，更上一層樓。
參考文獻(xiàn)
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