橋梁設計
橋梁設計應著(zhù)重注意哪幾方面?
1)應該更加重視結構的耐久性問(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(chē)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,從而導致結構各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域,國內從上世紀80年代以來(lái),修建了大量的斜拉橋;雖然迄今為止出現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(wèn)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(lèi)問(wèn)題與沒(méi)有進(jìn)行合理的耐久性設計有關(guān),這也促使人們重新認識橋梁的耐久性問(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,影響結構耐久性的決定性因素是來(lái)自構造上(也即設計上)的缺陷。
國內從上世紀90年代開(kāi)始重視了對結構耐久性的研究,也取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統計分析的角度進(jìn)行的,對如何從結構和設計的角度及如何以設計和施工人員易于接受和操作的方式來(lái)改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且,長(cháng)期以來(lái),人們一直偏重于結構計算方法的研究,卻忽視了對總體構造和細節處理方面的關(guān)注。結構的耐久性設計與常規的結構設計有著(zhù)本質(zhì)的區別,目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。
國外的橋梁設計有鑒于耐久性不足導致的嚴重損失,近年來(lái)十分重視提高結構物的耐久性并將其作為重要的設計原則,統一考慮合理的結構布局和構造細節,強調使結構易于檢查、維修,以保證橋梁的安全使用、盡可能地減少維修費用,取得了較好的綜合經(jīng)濟效益。實(shí)際上,國內外的研究和實(shí)踐都表明,結構耐久性對于橋梁的安全運營(yíng)和經(jīng)濟性起著(zhù)決定性作用。
2)重視對疲勞損傷的研究
橋梁結構所承受的車(chē)輛荷載和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載,會(huì )在結構內產(chǎn)生循環(huán)變化的應力,不但會(huì )引起結構的振動(dòng),還會(huì )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(guān)裂紋。如果宏觀(guān)裂紋不得到有效控制,極有可能會(huì )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(lái)的后果往往是災難性的。
疲勞損傷過(guò)去一直被認為是鋼橋設計中的核心問(wèn)題,由鋼結構疲勞引起的鋼材開(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)入混凝土結構,但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構件的動(dòng)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(gè)結構而言,事實(shí)上橋梁結構常常由于某些關(guān)鍵部位的局部疲勞失效而導致整個(gè)結構的失效,例如斜拉橋拉索錨固端的疲勞損害。
3)充分重視橋梁的超載問(wèn)題
汽車(chē)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(yíng);其二是橋梁通行的車(chē)流量超過(guò)原設計;另一種是車(chē)輛違規超載。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(chē)輛使用者違法超載營(yíng)運,后兩種超載現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(wèn)題。超載會(huì )使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇,甚至會(huì )出現一些超載引發(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(chē)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,但由于混凝土結構內部已經(jīng)受到損傷,構件的開(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)裂的結構產(chǎn)生裂縫或本來(lái)較小的裂縫成為超出規范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形。這些都會(huì )對結構長(cháng)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(mén)要加強管理外,也需要對超載帶來(lái)的后果進(jìn)行研究、分析。
4)積極借鑒國外的經(jīng)驗和成果
國內橋梁設計存在的主要問(wèn)題是結構正常使用性能差(指與設計期望相比,可歸結為適用性能差,包括橋梁的過(guò)大振動(dòng)、線(xiàn)形不平順、接頭跳車(chē)、結構開(kāi)裂和過(guò)大的變形等)、耐久性和安全性差(包括使用壽命短、維護費用高、安全事故較頻繁等)。這些問(wèn)題的產(chǎn)生固然與目前國內施工質(zhì)量和管理水平較低有關(guān),但平心而論,既然這種現狀不能在短期內得到解決,那么作為工程設計人員就應該在正視這一問(wèn)題的前提,充分考慮到現階段的施工和管理水平和材料工藝水平,采用適當的安全度、適當的設計方法來(lái)保證橋梁使用性能的達到,這才是更為主動(dòng)和有效的方法。特別是橋梁存在的耐久性和安全性問(wèn)題很多與結構體系或使用材料選擇不合理及結構細節處理不當有關(guān)。
在歐洲國家(如德國、丹麥等),非常重視對結構物進(jìn)行性能設計(即PBD, Performance Based Design),內容包括結構的變形、裂縫、振動(dòng)、強健性、美觀(guān)、耐久性能、疲勞性等。PBD研究主要是為了使結構在運營(yíng)過(guò)程中除了保證最低的安全性要求外,尚應有良好的使用性能(包括壽命和耐久性、抗腐蝕、耐疲勞性、美觀(guān)等)。就其本質(zhì)而言,歐洲國家的PBD理論,主要研究結構在使用過(guò)程中表現出來(lái)的服務(wù)性能,分析使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機理、規律,尋求新的結構設計理念和方法。
從歐洲人的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,PBD似乎是對以耐久性為核心的結構使用性能指標的綜合考慮。這一點(diǎn)對國內工程界應該是有啟示的。目前國內的設計可視為靜態(tài)的設計,它只定義了設計建成時(shí)刻結構具有的工作能力和性能,而對營(yíng)運期間性能隨時(shí)間的劣化及其實(shí)際的性能表現缺乏足夠的認識和考慮;換言之,從經(jīng)濟性的角度講是只考慮了建造成本,而忽視了營(yíng)運期的維護成本和與使用壽命相對應的成本效益。
橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問(wèn)題,要積極借鑒國外成功的經(jīng)驗和做法,除了加強施工質(zhì)量管理外,要從橋梁設計理念和結構體系和構造的角度做好耐久性的設計。同時(shí)需要研究疲勞和超載對于橋梁結構耐久性的影響。
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