橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項的探究

聶春婧

（遼寧乾成工程設(shè)計咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000）

橋梁設(shè)計是一個復(fù)雜的，系統(tǒng)的工程。需要豐富的理論知識，并且盡量避免主觀經(jīng)驗因素對設(shè)計的影響。在橋梁設(shè)計過程中仍然有許多重大的理論問題需要解決。日前，國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍有這樣的傾向：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。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，也沒有進行專門的耐久性設(shè)計。這些傾向在一定程度上導(dǎo)致了當前工程事故頻發(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)濟性的要求。

我國的橋梁設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系仍不夠完善，在橋梁設(shè)計領(lǐng)域，特別是關(guān)于橋梁施工和使用期安全性的問題還有許多可以改進的地方。結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是選擇經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)力案，其次是結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件和連接的設(shè)計，并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠性指標以保證結(jié)構(gòu)的安全性。

許多致計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性。

1 設(shè)計方面的具體細節(jié)

構(gòu)造設(shè)計存在漏洞。典型問題是伸縮縫處僅設(shè)普通橡膠支座。應(yīng)改為橡膠活動支座，否則在汽車荷載作用下伸縮縫處易拉裂，普通橡膠支座變形，極大地影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性。橋面沒有設(shè)計整體鋼筋網(wǎng)，沒有考慮汽車超載問題。超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍，汽車超載營運，會對橋梁結(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，設(shè)計時也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。伸縮縫處空心梁預(yù)埋數(shù)量不足，監(jiān)理及施工單位必須事先做好復(fù)查工作。樁基主筋保護層與建筑制圖不一致，施工及監(jiān)理單位必須十分注意這一問題，否則樁基主盤保護層難以達到設(shè)計要求。

2 結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計問題

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(zhì)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。

在大跨度橋梁領(lǐng)域，國內(nèi)從上世紀80年代以來，建造了大量的斜拉橋。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，又帶來了經(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安全性設(shè)計有關(guān)，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(jié)構(gòu)耐久性的根本因素是來自構(gòu)造設(shè)計上的缺陷。

國內(nèi)從上世紀90年代開始重視了對結(jié)構(gòu)耐久安全性的研究，也取得了不少成果。而這些研究大多是從材料和統(tǒng)計分析的角度進行的，對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計的角度來改善橋梁耐久安全性卻很少有人研究。而且，長期以來，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計算方法的研究，卻忽視了對總體構(gòu)造和細節(jié)處理方面的關(guān)注。因此，需要努力將耐久安全性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。

3 結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題

橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，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。如果宏觀裂紋得不到有效控制，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。

4 橋梁的超載問題

橋梁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；其二是橋梁通行的實際車流量超過設(shè)計流量；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，甚至會出現(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。

5 抗震性能

對于修建在地震區(qū)的橋梁，應(yīng)按抗震要求采取防震措施；設(shè)計中嚴格要求施工質(zhì)量，如施工接縫處的強度保證等；對結(jié)構(gòu)各部加強整體聯(lián)結(jié)，加強橋梁支座的錨固，加強墩臺及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性，增強配筋，提高結(jié)構(gòu)的延性；對橋位處的不良土質(zhì)采取必要的土層加固措施，對結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)在構(gòu)造上予以加強；對梁式橋，要在墩臺上設(shè)置防止落梁的縱、橫向擋塊，以及上部結(jié)構(gòu)之間的連接件；在重要的橋梁上，必要時需采用減震消能裝置，如橡膠墊塊，特制的消能支座等。

6 環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展

橋梁設(shè)計應(yīng)考慮環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求，包括生態(tài)、水、空氣、噪聲等幾個方面。應(yīng)從橋位選擇、橋跨布置、基礎(chǔ)方案、墩身外形、上部結(jié)構(gòu)施工方法、施工組織設(shè)計等多方面全面考慮環(huán)境要求，對于施工過程中的植被破壞、水土流失、排渣污染等，應(yīng)采取切實可行的工程控制措施，并建立環(huán)境監(jiān)測保護體系，將不利影響減至最小。

7 幾點注意事項

7.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析

對于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析的非常復(fù)雜的研究課題，許多學者對此從不同角度進行了研究，提出了一些概念和方法。系統(tǒng)可靠度分析研究內(nèi)容車富，難度較大。

7.2 人為差錯的分析

許多結(jié)構(gòu)的失效并作由荷載、強度的不確定性造成，而往往是設(shè)計、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為差錯造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點之一。

7.3 在役結(jié)構(gòu)的可靠性評估與維修決策問題

對在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠性評估與維修決策正成為建筑結(jié)構(gòu)學的邊緣學科。

它不僅涉及結(jié)構(gòu)力學、斷裂力學，建筑材料科學、工程地質(zhì)學等基礎(chǔ)理論，而且，與施工技術(shù)、檢驗手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關(guān)系。同時，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論，在在役結(jié)構(gòu)的可靠性評估中也必將得到相應(yīng)的發(fā)展。

7.4 模糊隨機可靠度的研究

模糊隨機可靠度理論研究是工程結(jié)構(gòu)廣義可靠度理論研究的重要內(nèi)容。隨著模糊數(shù)學理論與方法的完善，模糊隨機可靠度理論也必將進一步完善和發(fā)展。

結(jié)語

一座安全、耐久、健康的橋梁充分體現(xiàn)了設(shè)計者的智慧和審美觀，值得世人回味，經(jīng)歷時間的考驗?？傊?，橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要在因地制宜的前提下，根據(jù)建設(shè)單位的橋梁設(shè)計任務(wù)書，認真學習國內(nèi)外的先進技術(shù)，盡可能采用成熟的新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備、新材料和新工藝，遵照有關(guān)包括設(shè)計總則、荷載、各種材料的技術(shù)條件要求和各種容許數(shù)值、各類結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求和檢算方法等的設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標準，采取適宜的設(shè)計方法，盡量避免主觀經(jīng)驗因素對設(shè)計的影響。

[1]張建仁，劉揚.結(jié)構(gòu)可靠度理論及其在橋梁工程中的應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社.2003.

[2]武芳，趙雷.橋梁結(jié)構(gòu)可靠性研究的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].工程結(jié)構(gòu).2004.