關于橋梁結構優(yōu)化設計的探討

魯楠 夏正光

摘 要：橋梁工程是由許多結構構件組成的系統(tǒng)結構，是城市基礎設施中一個重要的組成部分，其結構設計是否科學合理，直接決定了橋梁的安全性、實用性和耐用性。文章通過對橋梁結構設計的介紹，探討一下橋梁設計的問題及優(yōu)化方案。

關鍵詞：橋梁結構；優(yōu)化設計；問題

1 現(xiàn)階段橋梁結構設計面臨的問題

1.1 橋梁設計缺乏先進的理論基礎和完善的結構體系

目前在我國，一些橋梁設計人員在結構設計時存在對橋梁結構的整體性、安全性和耐久性考慮片面，部分橋梁結構的整體性延性不足，計算圖式和受力路線不明確，主要會引起：結構局部受力過大，應力集中；混凝土強度要求過低；保護層厚度過小；構件截面過小或過大等問題。這些問題都會削弱橋梁結構的耐久性，會嚴重影響橋梁的安全。

此外，一些橋梁設計人員缺少動態(tài)思維方式。在針對不同的環(huán)境、不同的使用條件和不同的設計對象時，不能根據變化因素對結構體系做出合理的應對措施。在新技術、新材料、新工藝快速發(fā)展的情況下，對結構設計也提出了新要求，這時候設計人員的創(chuàng)新意識和與時俱進的設計理念就尤為重要了。

在結構體系上，目前的橋梁設計普遍的缺乏整體的設計規(guī)劃，過于偏重設計建成時期結構的工作和服務能力，而對其他時期的性能變化沒有更為全面的考慮。橋梁工程是一個由許多結構構件組成的一個系統(tǒng)結構，設計人員要用動態(tài)思維去解決面臨的發(fā)展技術問題，要盡可能的將未來所面臨的問題計算在內，保證橋梁設計結構體系的完整性。

1.2 橋梁結構的可靠性和耐久性問題

橋梁結構可靠性的概念是：在規(guī)定的服役基準期內，在正常使用和維護的情況下，結合環(huán)境和結構抗力衰退等因素的影響，橋梁結構在服役期過后的后續(xù)服役期內能完成預計功能的能力。我國橋梁結構設計可靠性的重視程度大于耐久性，重視強度極端狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，重視橋梁結構的建造而忽視檢測和維修，不少大橋坍塌都是由于構件疲勞損壞所引起，影響了橋梁的承載能力和使用性能。

橋梁在建造和使用過程中，受到了外部和自身環(huán)境的影響導致結構各部分不同程度的損傷和劣化，有些橋梁僅用10年左右的時間就因為耐久性出了問題而影響結構安全。結構耐久性不應成為橋梁結構最普遍的一個安全問題，設計時要從結構構造、材料等角度采取措施來加強結構耐久性。

1.3 橋梁結構的疲勞損傷問題

橋梁結構的疲勞損傷，是由于橋梁所采用的材料不均勻和不連續(xù)，存在許多微小的缺陷，在荷載反復作用下，這些微小缺陷會逐漸變化形成損傷，并逐漸在材料中形成大面積裂紋，裂紋得不到有效控制，極有可能會引起材料、結構因脆弱而斷裂，造成嚴重后果。對疲勞損傷的研究不僅僅針對整體橋梁結構，實際上橋梁結構常常由于某些關鍵部位的局部疲勞而導致整體結構的失效。近幾年，我國發(fā)生過幾次大的橋梁事故，都是因為結構疲勞損傷的情況引起的。另外，超載也是導致橋梁結構疲勞損傷的重要原因。

2 橋梁設計中應注意的具體問題及解決方法

2.1 設計地基高度的調整

地基是橋梁施工中最重要的工作之一，地基高度的不合理，給橋梁結構建設帶來很多不安全因素。由于地基土層極易風化，如果解決的不合理，就會導致地基不夠堅實，地基下沉甚至地基崩潰等后果。首先，用封閉的防水技術，可以增強橋梁地基的穩(wěn)固性能，標高地基高度，以此來保護橋梁地基強度。其次，設計人員應把握好地基高度，在設計階段，就應當考慮上部結構，基礎和地基共同作用，必要時采取有效措施加強上部結構的強度，可以增加建造物對地基不均勻變形的適應能力。

2.2 混凝土裂縫的寬度調整

裂縫是混凝土構件不可避免的特征，不僅影響結構的美觀，而且會導致構件承載能力和耐久性等性能的下降。我國橋梁規(guī)范中根據構件類型和環(huán)境類別對裂縫寬度進行了嚴格規(guī)定，強化控制混凝土裂縫的寬度可以使橋梁承載能力得到提升，耐久性更有保障。混凝土裂縫寬度的設計，可通過采用結構局部預防力、調整鋼筋布設位置和加強混凝土截面剛度等方法來控制混凝土裂縫的寬度。

3 橋梁結構設計的優(yōu)化措施

在這里我們探討的是基于可靠性的優(yōu)化設計。這種優(yōu)化模式是由Forscll最先提出來的，他把使總耗費（初始投資與期望損失值之和）最小化作為優(yōu)化目標，主要研究了可靠性與優(yōu)化之間的關系。他指出，用整個橋梁結構失效概率作為功能約束的優(yōu)化過程應該產生出更加平衡與合理的安全度相一致的設計。他認為，科學的優(yōu)化設計應該考慮橋梁結構在各種荷載作用下的性能，同時橋梁結構的服役期很長，如果不加維修，它的功能一定會越來越衰退，所以必然要及時采取相應的維修和加固的措施。不難理解，橋梁結構設計可靠度標準越高，建造橋梁結構的原始成本就越少。所以會存在一個最優(yōu)化設計可靠度，在這個標準下，橋梁結構服役期的總耗費是最小的。

3.1 充分重視橋梁結構的耐久性設計

現(xiàn)行規(guī)范對橋梁設計的要求是適用、經濟、安全、美觀，對橋梁的強度考慮多于耐久性，對使用周期中橋梁的性能表現(xiàn)相當重視而忽視使用極限狀態(tài)和對結構的維護。這種傾向很大程度上造成了工程事故頻發(fā)、橋梁結構質量差，性能不穩(wěn)定、使用年限短等不良后果。設計人員應該從思想上改變這種傾向，充分重視對橋梁結構耐久性的設計，不但讓它在服役期內安全可靠的工作，同時要最大限度的延長它的衰退期，安全使用的年限越長，則其經濟性和實用性越優(yōu)化。

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，會在結構內產生循環(huán)變化的力量，會引起結構的震動，也會引起結構的積累疲勞損傷。在循環(huán)荷載作用下，這些缺陷會逐漸形成宏觀裂紋，如果得不到控制，會引起材料和結構的斷裂。早期的疲勞損傷不易被檢測到，但帶來的后果是不堪設想的。設計人員要充分重視對疲勞損傷的研究，盡量把疲勞損傷的因素消除，把造成不良后果的可能性降到最低，避免造成不可彌補的損失。

3.3 重視對橋梁超載問題的研究

3.3.1 橋梁年限過長，超齡負載使用。

3.3.2 橋梁同時通行的車流量超過可承載的最大限值。

3.3.3 車輛違規(guī)超載。

超載一方面會引起橋梁結構的疲勞損傷問題，另一方面，由于超載引起的橋梁內部結構的損傷不能恢復，使其工作狀態(tài)發(fā)生變化，危害橋梁結構的安全性和耐用性。所以，在橋梁設計中應重視對橋梁超載問題的研究，充分考慮社會、經濟、環(huán)境、地域等因素的影響，把超載問題納入橋梁結構設計中來。

3.4 施工中所能涉及到的優(yōu)化設計

3.4.1 斜腹桿混凝土受拉開裂處理問題設計：應采用局部預應力的方法，也就是橋梁只在斜腹桿內布置冷拉級預應力鋼筋，拱片預制成型后張拉錨固，這樣就大大降低了斜腹桿拉應力和混凝土裂縫開展寬度。

3.4.2 泥巖地基處理問題設計：此基礎的設計應采用巖面防水封閉技術，當基坑挖至設計標高后，經平整和清理基底后，快速的澆筑封底防水混凝土以保護地基。這一措施可以防止表層地基土膨化、保持地基土的強度。

3.4.3 竣工階段橋墩抗推問題設計：可在墩頂增設臨時的水平拉桿，另一端與橋臺錨固，臨時支架拆除前進行預張拉。這樣，墩基底的應力及抗滑穩(wěn)定都能夠滿足規(guī)范的要求。

4 結束語

橋梁對我國現(xiàn)階段的交通運輸發(fā)揮著巨大的作用。我們在認識交通運輸對橋梁作用的同時，還要積極的探討它在橋梁設計理論和結構構造體系、耐久性、疲勞損傷、超負荷作業(yè)等方面的一系列問題，只有這樣我們才能進一步地提高我國橋梁設計的技術水平，增加橋梁的使用壽命，并在節(jié)省維修資金的基礎上，有效的保證其質量，為國家的經濟發(fā)展做出貢獻，也為人們提高生活質量提供有利保障。