關(guān)于橋梁設(shè)計問題的探析
2016-12-19
我國對橋梁設(shè)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(shè)計過程中，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)時的承載能力，橋梁的基本設(shè)計原則就是要求橋梁的荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計值一定要小于或者是等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)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(jìn)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(shè)計的先決條件
1.1 安全是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)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(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)計中，以盡量減少橋下車輛對橋墩摩擦引起橋梁結(jié)構(gòu)的不安全和增強橋梁建筑的美觀。
1.2 經(jīng)濟是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的保證
一座橋梁建筑設(shè)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(shè)計也是失敗的。故在橋梁設(shè)計中，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)盡量地考慮經(jīng)濟。
1.3 功能在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中也不應(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，這種事故在國內(nèi)外都有發(fā)生。作為橋梁設(shè)計人員必須注意這一點來進(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(shè)計必須精心方案比選、精心設(shè)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(dāng)前的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，存在著下列傾向
2.1 設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建造，卻忽視了對橋梁結(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。在國內(nèi)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(rèn)為:當(dāng)前的工程事故主要是由于管理水平低造成的，大量的橋梁在沒有達(dá)到預(yù)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(yán)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(hù)層不做，有些施工現(xiàn)場的構(gòu)件開裂等，這些都造成了典型的橋梁工程事故。
現(xiàn)在，國內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有這樣的傾向：設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護(hù)。實際上，目前的橋梁設(shè)計中，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計（從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計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；也與國際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動態(tài)和綜合經(jīng)濟性（考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護(hù)等整個周期的費用）的要求。
3 需要改進(jìn)的問題
3.1 應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)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(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(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，國內(nèi)從上世紀(jì)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(yán)重?fù)p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(jìn)行合理的耐久性設(shè)計有關(guān)，這也促使人們重新認(rèn)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(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素是來自構(gòu)造上（也即設(shè)計上）的缺陷。
3.2 重視對疲勞損傷的研究
橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會引起結(jié)構(gòu)的振動，還會引起結(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(jié)構(gòu)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(zāi)難性的。
疲勞損傷過去一直被認(rèn)為是鋼橋設(shè)計中的核心問題，由鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)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(jié)構(gòu)而言，事實上橋梁結(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)載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)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(shè)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(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行研究、分析。
結(jié)語
目前我國的橋梁正處在蓬勃發(fā)展時期，在設(shè)計方面，要學(xué)習(xí)和借鑒國外好的經(jīng)驗，才會使我國的橋梁設(shè)計水平與施工管理水平，更上一層樓。
參考文獻(xiàn)
[1]常大民，江克斌編著.橋梁結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社.1995.
[2]李國平編著.橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)及設(shè)計原理[M].北京：人民交通出版社.2004.
