對(duì)路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析探討

董利鵬+陳晶晶

摘 要：路橋作為國家基礎(chǔ)交通設(shè)施，在加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民生活質(zhì)量中發(fā)揮十分重要的作用。因此，路橋工程的設(shè)計(jì)可靠性和運(yùn)營耐久性日益引起社會(huì)的關(guān)注和重視。路橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是理論知識(shí)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)容易引起路橋結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，進(jìn)而影響路橋的安全性。本文主要分析探討路橋在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的看法，以期能提供一些借鑒作用。

關(guān)鍵詞：路橋 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 耐久性 可靠性

1、引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，作為國家基礎(chǔ)交通設(shè)施系統(tǒng)中的重要組成部分，路橋工程建設(shè)的可靠性、耐久性和安全性日益受到社會(huì)的關(guān)注。路橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是路橋工程的基礎(chǔ)，是保障路橋使用的可靠性和耐久性的根本所在。路橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是理論設(shè)計(jì)知識(shí)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合。因此，總結(jié)以往路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，引入國內(nèi)外先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合路橋工程的實(shí)際施工情況，綜合考慮各種因素的影響，構(gòu)建符合國情的路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，這對(duì)提高路橋在使用中的安全性和可靠性具有十分重要的意義。

2、路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意的問題

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的耐久性問題

路橋的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題，耐久性設(shè)計(jì)直接影響橋梁的質(zhì)量。若路橋的耐久性設(shè)計(jì)沒有滿足橋梁的使用要求，可能會(huì)降低橋梁的使用效率，增加路橋的維護(hù)成本。

但在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，有些設(shè)計(jì)人員因?yàn)閷?duì)設(shè)計(jì)理論掌握的不夠深入，不能整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，生搬硬套設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)圖示，忽視從結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性、結(jié)構(gòu)材料到路橋施工和使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的主觀和客觀錯(cuò)誤因素，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。同時(shí)，有些設(shè)計(jì)人員工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足和缺乏主觀能動(dòng)性，習(xí)慣用靜態(tài)的思維去解決設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的各種技術(shù)問題。因路橋的使用壞境和使用條件不盡相同，其結(jié)構(gòu)往往要求不同的布局和構(gòu)造。再詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)范也不能代替設(shè)計(jì)人員解決各種實(shí)際問題，再新的設(shè)計(jì)規(guī)范也不能滿足不斷發(fā)展的新材料、新工藝和新技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。目前的設(shè)計(jì)被認(rèn)為是靜態(tài)設(shè)計(jì)，通常過度強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)建成時(shí)期的結(jié)構(gòu)工作和服務(wù)能力，缺乏對(duì)因時(shí)間變化導(dǎo)致實(shí)際使用性能下降的認(rèn)識(shí)和思考。同時(shí)，沒有從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，過多考慮建造成本，忽視橋梁的運(yùn)營成本和使用壽命對(duì)應(yīng)的成本。因此，除了滿足規(guī)范的要求外，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要對(duì)結(jié)構(gòu)本性有著正確的認(rèn)識(shí)。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性問題

路橋的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)也是路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽視的因素，可靠性設(shè)計(jì)直接關(guān)系路橋工程施工的質(zhì)量和安全性。若路橋結(jié)構(gòu)可靠性在設(shè)計(jì)過程中沒有得到保證，勢(shì)必危害橋梁的結(jié)構(gòu)，在施工工程中容易引發(fā)安全事故，造成難以彌補(bǔ)的人員和社會(huì)損失。同時(shí)，路橋結(jié)構(gòu)可靠性低將降低橋梁的使用壽命，提高維護(hù)成本。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要保證橋梁的結(jié)構(gòu)可靠性，從而保障橋梁的使用安全性，提高使用壽命，減少事故和額外的維護(hù)費(fèi)用。

路橋結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)是指，在結(jié)構(gòu)承受外載荷和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)特征已知的情況下，根據(jù)規(guī)定的對(duì)象可靠指標(biāo)，合理選擇結(jié)構(gòu)截面的結(jié)合參數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)，其可靠性高于預(yù)先的給定值。我國對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性研究僅限于理論，且側(cè)重于可靠性設(shè)計(jì)方面，對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估理論的研究比較落后。實(shí)際上，只有對(duì)現(xiàn)有路橋結(jié)構(gòu)做出正確的可靠性評(píng)估，才能準(zhǔn)確得到路橋的剩余壽命，進(jìn)而保證路橋在后續(xù)使用壽命中的安全性，節(jié)省大量的維護(hù)資金。

最近幾年發(fā)生的大橋坍塌或局部破壞事故在一定程度上都是由構(gòu)件疲勞損壞引起的，這反應(yīng)了在橋梁設(shè)計(jì)階段，重視強(qiáng)度而忽視耐久性和，重視強(qiáng)度極限狀態(tài)而忽視使用極限狀態(tài)，重要橋梁的結(jié)構(gòu)建造而忽視橋梁的結(jié)構(gòu)檢測(cè)和維護(hù)，導(dǎo)致橋梁的承載能力變差，影響橋梁的安全運(yùn)營，提高后期橋梁的維修費(fèi)用。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)是非常必要且不可或缺的。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)疲勞損傷問題

路橋的疲勞損傷也是路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽視的因素。橋梁在使用過程中承受的載荷是因車輛載荷和風(fēng)載荷引起的動(dòng)載荷，這會(huì)在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生變化的循環(huán)應(yīng)力，從而引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)和累計(jì)疲勞損傷。由于橋梁的建造材料是非連續(xù)均勻的，會(huì)存在很多微小的缺陷。這些微小缺陷會(huì)在循環(huán)應(yīng)力的作用下，合并為較大的結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而發(fā)展為宏觀的裂縫和斷裂。此外，路橋的疲勞損傷設(shè)計(jì)也不能只關(guān)注整體結(jié)構(gòu)，對(duì)于路橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，因更加注意局部的疲勞損傷設(shè)計(jì)。

2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超載問題

車輛的超載主要分為三種情況：橋梁超齡超負(fù)載運(yùn)營，橋梁超設(shè)計(jì)車流量通行，行駛車輛違規(guī)超載。超載會(huì)引起橋梁的疲勞應(yīng)力突然加大，容易引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，或產(chǎn)生橋梁內(nèi)部不可恢復(fù)的結(jié)構(gòu)損傷，影響橋梁的正常載荷下的運(yùn)營狀態(tài)，從而危害橋梁的安全性和耐久性。因此，在路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，要綜合考慮當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)情況，在計(jì)算載荷設(shè)計(jì)中，充分合理考慮超載外力，化被動(dòng)適應(yīng)載荷到主動(dòng)適應(yīng)載荷，從而有效提高結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命。

3、橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)方法

路橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以分為兩類方法：經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)法和概率設(shè)計(jì)法兩類。經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)法是按經(jīng)驗(yàn)將影響結(jié)構(gòu)安全的各項(xiàng)參數(shù)取值，一般取規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值或者平均值，并考慮會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全性的發(fā)生變化的參數(shù)，再通過載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，再選定路橋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)X。概率設(shè)計(jì)法是把所有可能會(huì)降低結(jié)構(gòu)安全性的參數(shù)設(shè)定為隨機(jī)變量，引入概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中的數(shù)學(xué)工具來分析這些參數(shù)，或者通過可靠度分析，計(jì)算在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)，結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)使用功能的概率。目前，概率設(shè)計(jì)法因其高可靠性和高效率，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。以發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行來分，可靠度設(shè)計(jì)通常分為半概率設(shè)計(jì)法、近似概率設(shè)計(jì)法和全概率設(shè)計(jì)法。

3.1半概率設(shè)計(jì)法

半概率設(shè)計(jì)法是指在設(shè)計(jì)階段，分別從承載載荷和材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)上使用概率設(shè)計(jì)的方法。但由于沒有從路橋結(jié)構(gòu)的整體性出發(fā)，將載荷和抗力分開設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)失效概率的計(jì)算，并僅引用工程經(jīng)驗(yàn)來確定各項(xiàng)安全系數(shù)。因此，半概率設(shè)計(jì)法屬于經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)和概率設(shè)計(jì)綜合方法。目前，我們大部分路橋設(shè)計(jì)規(guī)范都屬于半概率設(shè)計(jì)法。

3.2近似概率設(shè)計(jì)法

近似概率設(shè)計(jì)法是通過概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，相對(duì)估計(jì)出路橋結(jié)構(gòu)和構(gòu)建截面的“可靠概率”，并通過數(shù)學(xué)工具，進(jìn)一步估計(jì)該“可靠概率”。這種方法是基于概率理論的設(shè)計(jì)方法，但忽略了變量隨時(shí)間變化的關(guān)系，線性化復(fù)雜極限狀態(tài)方程，所以只能當(dāng)做一種近似的概率法。當(dāng)前，這種方法已經(jīng)在我國進(jìn)入實(shí)用階段。

3.3全概率設(shè)計(jì)法

全概率設(shè)計(jì)法是指在設(shè)計(jì)中，將如載荷、材料性能和尺寸等各項(xiàng)參數(shù)均使用隨機(jī)變量或者隨機(jī)概率模型來描述，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，求得最優(yōu)失效概率。該設(shè)計(jì)方法要求對(duì)理論知識(shí)掌握能力和對(duì)實(shí)際工程環(huán)境的了解程度都有很高的要求，因此還沒有得到廣泛推廣。目前僅應(yīng)用在特殊重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

4、結(jié)語

路橋工程建設(shè)中國家基礎(chǔ)交通設(shè)施系統(tǒng)中的重要組成部分，其可靠性、耐久性和安全性在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。路橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是理論設(shè)計(jì)知識(shí)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，從耐久性、可靠性、疲勞損傷、超載和運(yùn)營環(huán)境的綜合角度出發(fā)，才能保障路橋運(yùn)營的安全性和可靠性，延長路橋的使用壽命，降低路橋的維護(hù)費(fèi)用，更好的為社會(huì)發(fā)展服務(wù)。

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