橋梁結構研究及優化設計發展

【摘 要】對橋梁結構開展損傷識別研究是目前國內外的研究熱點。首先介紹橋梁健康監測的意義與現狀，討論了基于可靠度的橋梁結構優化設計的模型。近年來，橋梁結構健康監測成為國內外學術界、工程界的研究熱點，重視橋梁檢測，提高橋梁管理水平，掌握試驗數據處理和分析方法，了解橋梁檢測的工作程序、檢測項目及檢測方法，對于提高橋梁的安全使用有著重要的意義。

【關鍵詞】優化設計 發展 損傷識別

隨著交通建設事業的蓬勃發展，橋梁服役年限日漸增長，橋梁結構中會不可避免地出現表面和內部缺陷，這些缺陷往往具有很大的危險性，如果管養和維護不好，橋梁的壽命將會大大縮短，甚至會發生突然的破壞，造成人民生命財產損失。因而橋梁建筑已不單純作為交通線上重要的工程實體，而且常作為一種空間藝術結構物存在于社會之中，這就對橋梁結構的設計提出了更高的要求。我國鐵路部門過去對鐵路橋梁的疲勞問題進行了很多研究，也取得了一些研究成果，實際上，橋梁結構的疲勞破壞是橋梁結構設計中的一個非常重要的問題。

1. 什么是橋梁結構健康監測

我們知道，交通是社會的經濟命脈，橋梁是交通的咽喉，交通不暢會制約社會的經濟發展，所以保障橋梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至關重要。為保證橋梁安全運行、避免嚴重事故發生，對橋梁結構進行健康監測應運而生，那么到底什么是橋梁結構健康監測呢？橋梁專家介紹:橋梁結構健康監測是以科學的監測理論與方法為基礎，采用各種適宜的檢驗、檢測手段獲取數據，為橋梁結構設計方法、計算假定、結構模型分析提供驗證;對結構的主要性能指標和特性進行分析，及早預見、發現和處理橋梁結構安全隱患和耐久性缺陷，診斷結構突發和累計損傷發生位置與程度，并對發生后果的可能性進行判斷與預測。通過對橋梁結構健康狀態的監測與評估，為橋梁在各種氣候、交通條件下和橋梁運營狀況異常時發出預警信號，為橋梁維護、維修與管理措施提供依據，并通過及時采取措施達到防止橋梁坍塌、局部破壞，保障和延長橋梁的使用壽命的目的。因此從這些方面看，橋梁結構健康監測的范圍是非常廣的，我們對此需要有正確的認識！

2. 橋梁結構的現狀及設計

城市橋梁結構體系的發展經過了漫長的歷程。一般來說，傳統的橋梁結構分為五大類：梁式橋、拱式橋、剛構橋、斜拉橋和懸索橋。橋梁結構與理論研究的進展，生產技術水平的提高及結構材料的進步密切相關，因此結構形式隨著社會的進步在不斷變化著。而近年來，信息和交通運輸業越來越成為推動地區和國民經濟，提高綜合國力的主要力量，各類城市都增大了基礎建設的投入，架橋鋪路。使橋梁建設的蓬勃發展促進了橋梁結構的改良和更新。目前橋梁結構的現狀是：首先橋梁的組合或混合結構體系在不斷的更新。城市橋梁中，不同體系的組合結構已經開始顯現，例如部分斜拉橋，斜拉拱橋及拱梁組合橋等。這其中，部分斜拉橋的應用較為成功，其構造特點是在連續梁中支點處設置短索塔，其塔高只有斜拉橋索塔高度的一半左右，斜拉索通過矮索塔上設置的轉向塊索鞍對主梁產生豎向支反力和水平壓力。主梁承受大部分荷載效應，而斜拉索只承擔小部分荷載，對主梁起到一定的幫扶作用，它克服了連續梁結構受力方面的弱點，使連續梁支點處負彎矩大大降低。其次是新材料及材料組合應用非常的多。我們知道，新材料的發展會帶來新設計思路，利用材料組合進行設計便是一種途徑，根據結構不同部位受力情況配置不同材料，以便充分發揮各自特性，取得較好的經濟效益。近年來，高強度纖維材料以其優良的特性開始應用于橋梁維修加固之中，效果顯著，相信隨著成本的降低，會不斷擴大應用范圍，與其他材料一起建造更為經濟有效的橋梁。最后是美學因素將會對橋梁結構的選擇產生絕對性的影響。除了傳統的拱橋以外，斜拉橋和懸索橋由于造型優美，標志性強，迅速加進到城市橋梁建設之中。城市內建造斜拉橋，獨塔形式的視覺沖擊力最強，單索面的應用會使全橋更加簡潔壯麗。

那么橋梁結構的設計又有什么內容呢？我們知道，橋梁設計是一個復雜的，系統的工程。需要豐富的理論知識，并且盡量避免主觀經驗因素對設計的影響。因此在橋梁設計過程中仍然有許多重大的問題需要解決。首先在設計中要解決的就是輕型橋臺的問題，眾所周知，輕型橋臺臺身體積較小，多為直立的薄壁墻，兩側設有用于擋土的翼墻，也可以將側墻做成斜坡。因此在兩橋臺下部設置鋼筋混凝土支撐梁，上部結構與橋臺通過錨栓連接，構成四鉸框架結構系統，并借助兩端臺后的被動土壓力來保持穩定是比較實用的。其次就是鋼筋混凝土的薄壁橋臺設計。一般來說，常用的薄壁輕型橋臺有懸臂式、扶壁式、撐墻式、及箱式等，由帶扶壁的前墻和側墻以及水平底板構成，擋土墻則是由前墻和間距為2.5～3.5m的扶壁組成。對它的設計需要非常認真。再次是埋置式橋臺設計。根據橋梁專家的介紹，埋置式橋臺又可分為肋板式橋臺、樁柱式橋臺和框架式橋臺。臺身埋置于錐形護坡中，大大減小了橋臺所受的土壓力，橋臺的體積也相應減小。但是由于臺前護坡是用片石（或混凝土）作表面防護的一種永久性設施，存在著被洪水沖毀而使臺身裸露的可能，因此，設計時必須進行強度和穩定性驗算。最后我們當然也要把橋頭路基沉降、滑動驗算也要考慮在內。首先，路基沉降過大、橋頭跳車、臺背和梁端過早損壞，加大豎向土壓力及負摩阻力，造成橋臺蓋梁開裂及樁基不均勻下沉、路面開裂及路基滲水，促使路基失穩。其次，由于路基滑動使橋臺所承受的水平土壓力已遠大于計算值，對于橋頭高路基和處于改河、填溝段或路基外不遠處有溝、河的，更要注意深層滑動的驗算。因此在設計時要充分注意，以免發生安全問題！

3. 橋梁結構的損傷識別

橋梁結構是一個要素和結構復雜、具有生存環境和結構功能的動力學系統。系統研究思路已應用于橋梁結構損傷識別和健康監測，通過主動施加外部能量來實現對系統的控制。橋梁結構的損傷識別是通過試驗和計算機來實現對結構的建模。橋梁結構可以看作是一個處于一定環境中的橋梁結構，一定的輸入對應一定的輸出，通過對系統輸出和輸入的分析，可以實現對橋梁結構損傷的判斷和識別。對這樣一個識別首先應確立一個橋梁整體監測的方法，對橋梁在使用年限內工作特性的變化進行全面深入的研究，建立客觀同一的橋梁狀態評估標準。所以整個技術的成功開發乃至結構目標的最終實現有賴于更好地結合系統自身的要素、結構和系統工作環境。因此在具體實現橋梁結構系統的損傷識別時，我們在當前主要有以下幾方面的工作：第一是針對系統輸出：開發和應用以無線通訊技術為手段的數據采集系統；發能適用于交通荷載風荷載及定點測試荷載的傳感器最優布設技術；第二是針對系統輸入和輸出的反向分析：采用動態邊界子結構原理，開發以結構模型修正法為基礎的結構損傷識別技術；研究非線性結構模型的時域評估方法及系統識別技術；尋找更適合橋梁監測的新指紋；開發橋梁觀察與監測收據管理系統及決策專家系統；綜合良態建模技術，改善有限元模型修正方法；第三是系統分析的終端應用：根據觀察與監測的結果分析剩余的承載能力；建立橋梁安全準則及能用于橋梁整個壽命過程經濟評價的估價模型。這樣才能讓橋梁結構的損傷識別工作做好！

結語

我們國家自從改革開放以來在交通業上已經取得了飛速發展，特別是橋梁工程的建造，為其注入了巨大的活力。因此我們一定要做好橋梁結構研究及優化設計發展工作，為我國的交通運輸業發展做出自己的貢獻

參考文獻：

[1]黎旭東.《橋梁結構探析》[M].人民交通出版社，2010.

[2]劉志義.《淺談組合結構橋梁》[M].建筑工程，2009.

[3]歐漢聲，張志剛.《橋梁結構研究及設計》[M].科技信息，2007.

（作者單位：秦皇島市市政設計院）