關于橋梁設計問題的探析
2016-12-19
我國對橋梁設計現(xiàn)行的規(guī)范主要就是提出了要求橋梁要保證經(jīng)濟、安全、適用且美觀，這些要求基本上都符合人們對于橋梁的要求。而在具體的設計過程中，還應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橋梁的控制結構喪失承重能力臨界狀態(tài)時的承載能力，橋梁的基本設計原則就是要求橋梁的荷載效應不利組合的設計值一定要小于或者是等于結構抗力的設計值。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,進行綜合的考慮，同時還要考慮這些因素綜合作用下的橋梁總體的安全儲備，這可以看作是對橋梁安全性要求的根本保證。
1 橋梁設計的先決條件
1.1 安全是橋梁結構設計的前提
隨著改革開放的力度加大，城市車輛的飛速發(fā)展，城市交通運輸十分繁忙，車速也在不斷提高，橋梁結構不光要求結構自身的受力安全，而且要求橋梁構造的安全。在大橋設計中，有河中設墩的連續(xù)箱梁，有連續(xù)剛構，有上承式拱橋等橋梁結構形式。根據(jù)實際的地形、地質、地物，最后綜合比較選擇，保證急流的流水斷面和橋梁結構自身安全。又如在橋墩設計中，以盡量減少橋下車輛對橋墩摩擦引起橋梁結構的不安全和增強橋梁建筑的美觀。
1.2 經(jīng)濟是橋梁結構設計的保證
一座橋梁建筑設計的再如何漂亮，若它的造價比看上去一般化的橋梁高出許多，這座漂亮的橋梁設計也是失敗的。故在橋梁設計中，在滿足結構安全的前提下，應盡量地考慮經(jīng)濟。
1.3 功能在橋梁結構設計中也不應忽視
在交通日益劇增的情況下，橋梁方案設計中，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橋梁部分，導致橋梁坍塌，這種事故在國內外都有發(fā)生。作為橋梁設計人員必須注意這一點來進行橋梁方案比選，乃至確定后的橋梁分跨。
1.4 美觀是橋梁設計必須考慮的一部分
橋梁建筑不僅是交通工程中的重點建筑物，而且也是美化環(huán)境的點綴品，所以設計必須精心方案比選、精心設計、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 在我國當前的橋梁結構設計中，存在著下列傾向
2.1 設計中多考慮橋梁
2.2 主要重視橋梁的強度極限狀態(tài)，卻忽略了使用時極限狀態(tài)，而橋梁的結構在其生命周期中，使用時的性能表現(xiàn)是最為重要的；強度，很少考慮橋梁的耐久性。
2.3 只重視橋梁的結構建造，卻忽視了對橋梁結構的維護；
2.4橋梁的安全性及耐久性較差。首先，施工管理水平較低。在國內外，橋梁倒塌事件時有發(fā)生，針對于這種情況，工程界開始重視橋梁安全性的問題。一般的看法認為:當前的工程事故主要是由于管理水平低造成的，大量的橋梁在沒有達到預期使用壽命時，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)了嚴重的耐久性不足問題。此外，工程施工的材料以次充好，鋼筋保護層不做，有些施工現(xiàn)場的構件開裂等，這些都造成了典型的橋梁工程事故。
現(xiàn)在，國內的結構設計過程中，有這樣的傾向：設計中考慮強度多而考慮耐久性少；重視強度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，而結構在整個生命周期中最重要的卻恰恰是使用時的性能表現(xiàn)；重視結構的建造而不重視結構的維護。實際上，目前的橋梁設計中，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進行專門的耐久性設計（從材料、結構措施及設計程序上上保證耐久性，并明確聲明在何種維護和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性）。這些傾向在一定程度上導致了當前工程事故頻發(fā)、結構使用性能差、使用壽命短的不良后果；也與國際結構工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢相違背；也不符合結構動態(tài)和綜合經(jīng)濟性（考慮結構建設、使用、維護等整個周期的費用）的要求。
3 需要改進的問題
3.1 應該更加重視結構的耐久性問題
橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環(huán)境、有害化學物質的侵蝕，并要承受車輛、風、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而導致結構各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領域，國內從上世紀80年代以來，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴重損害的例子很少，但已經(jīng)有多座橋梁因為拉索的耐久性問題而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟損失。
需要指出的是，很多這類問題與沒有進行合理的耐久性設計有關，這也促使人們重新認識橋梁的耐久性問題。大量的病害實例也證明，除了施工和材料方面的原因，影響結構耐久性的決定性因素是來自構造上（也即設計上）的缺陷。
3.2 重視對疲勞損傷的研究
橋梁結構所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結構內產(chǎn)生循環(huán)變化的應力，不但會引起結構的振動，還會引起結構的累積疲勞損傷。
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，極有可能會引起材料、結構的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測到，但其帶來的后果往往是災難性的。
疲勞損傷過去一直被認為是鋼橋設計中的核心問題，由鋼結構疲勞引起的鋼材開裂案例較多，亦有不少因疲勞斷裂引起橋梁垮塌的例子。近20年來，疲勞損傷的研究已進入混凝土結構，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構件的動態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強。
對疲勞損傷的研究不僅僅指對整個結構而言，事實上橋梁結構常常由于某些關鍵部位的局部疲勞失效而導致整個結構的失效，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載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設計；另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設計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運，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍。
橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現(xiàn)一些超載引發(fā)的結構破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復，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為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結構內部已經(jīng)受到損傷，構件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結構產(chǎn)生裂縫或本來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。這些都會對結構長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管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。
結語
目前我國的橋梁正處在蓬勃發(fā)展時期，在設計方面，要學習和借鑒國外好的經(jīng)驗，才會使我國的橋梁設計水平與施工管理水平，更上一層樓。
參考文獻
[1]常大民，江克斌編著.橋梁結構可靠性分析與設計[M].北京：中國鐵道出版社.1995.
[2]李國平編著.橋梁預應力混凝土技術及設計原理[M].北京：人民交通出版社.2004.
