橋梁設(shè)計(jì)隱患問題與排查措施研究

楊勇、李航

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路交通量不斷增加。在交通運(yùn)輸中，橋梁是重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。然而，在運(yùn)營(yíng)過程中由于汽車重載及頻繁加減速和制動(dòng)、極端氣候等因素的影響，很多橋梁上下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的破壞，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)安全性和舒適性降低。因此，對(duì)存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的橋梁及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)尤為必要。該研究以某高速公路一座跨越深溝河谷的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、荷載試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析等手段，深入研究該類型橋梁的病害機(jī)理及其處置方法，提出相應(yīng)的加固方案，旨在提高此類橋梁的整體安全性和使用壽命。

1 橋梁設(shè)計(jì)隱患問題

1.1 橋梁設(shè)計(jì)隱患的定義

橋梁設(shè)計(jì)隱患通常包括以下幾個(gè)方面：一是結(jié)構(gòu)性病害，如裂縫、變形等；二是功能性病害，如缺損、失效等；三是材料性病害，如腐蝕、老化等。不同類型的病害產(chǎn)生的原因也不盡相同，需要具體情況具體分析。例如，混凝土碳化、鋼筋銹蝕等都屬于結(jié)構(gòu)性病害，而橋面鋪裝開裂、坑槽等則屬于功能性病害。針對(duì)以上不同類型的橋梁設(shè)計(jì)隱患，應(yīng)采用合適的檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面細(xì)致的檢查和評(píng)定，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，還需結(jié)合實(shí)際情況制訂出切實(shí)可行的防治方案和應(yīng)急預(yù)案，提高橋梁工程的整體安全性和可靠性[1]。

1.2 橋梁設(shè)計(jì)隱患的類型

1.2.1 結(jié)構(gòu)性缺陷。主要包括混凝土強(qiáng)度不足、鋼筋配置不合理等方面，這些都會(huì)導(dǎo)致梁體受力不均勻，從而出現(xiàn)裂縫和變形現(xiàn)象。

1.2.2 材料質(zhì)量不合格。在橋梁工程中，所使用的各類材料必須具備一定的強(qiáng)度和剛度才能保證其安全性能。但是個(gè)別企業(yè)為了追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，非法采用劣質(zhì)材料或者以次充好，這給整個(gè)橋梁工程帶來極大的安全隱患。

1.2.3 施工工藝不當(dāng)。部分施工單位專業(yè)技術(shù)水平不足，責(zé)任心不強(qiáng)，不能嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，例如未能正確設(shè)置預(yù)拱度、張拉時(shí)間過早等，這樣不僅會(huì)影響橋梁的正常使用功能，還會(huì)留下嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。

1.2.4 運(yùn)營(yíng)管理不到位。由于橋梁長(zhǎng)期承受車輛荷載以及受到氣候變化等因素的影響，容易出現(xiàn)各種病害和損傷。而如果橋梁維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)、不完善，甚至存在超重車通過、人為破壞等違規(guī)行為，將會(huì)進(jìn)一步加劇橋梁的損壞程度，形成惡性循環(huán)[2]。

1.3 優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)的方法

1.3.1 均勻化方法

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使結(jié)構(gòu)具有較高的安全性和穩(wěn)定性，需要采用一些科學(xué)合理的計(jì)算方法來對(duì)其受力情況進(jìn)行全面細(xì)致的分析。其中，最常用的一種計(jì)算方法就是均勻化方法。該方法主要通過將結(jié)構(gòu)中各個(gè)部位所承受的荷載進(jìn)行均分，從而有效避免出現(xiàn)局部應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象，進(jìn)而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力和抗裂性能。

1.3.2 變厚度法

在進(jìn)行梁體計(jì)算時(shí)，一般采用等截面梁模型。但是由于實(shí)際工程中存在很多不確定因素，比如混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失以及支座沉降等，這些都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和應(yīng)力重分布，因此需要考慮變截面梁模型以更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)受力情況[3]。

1.3.3 ESO 方法

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(ESO)的概念(Evolutionary Structural Optimiza-tion)，（其模型如圖1 所示）。該理論是一種全新的抗震設(shè)計(jì)理念和方法，其核心思想是通過對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的控制來提高結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。但是，由于我國(guó)目前還沒有形成一套完整、成熟的ESO 體系，在具體應(yīng)用過程中還存在一些困難和不足。因此，有必要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究和規(guī)范制定，推動(dòng)ESO 方法與我國(guó)橋梁工程實(shí)踐相結(jié)合，不斷提升我國(guó)橋梁工程的抗震安全性能。

圖1 ESO 方法模型

2 橋梁設(shè)計(jì)隱患問題的排查措施

2.1 建立健全設(shè)計(jì)管理制度

在進(jìn)行橋梁工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要有一套完整、規(guī)范的設(shè)計(jì)管理體系來保證其順利實(shí)施。首先要制訂科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案和進(jìn)度計(jì)劃，明確各個(gè)階段的工作目標(biāo)與任務(wù)；同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工過程中各類數(shù)據(jù)信息的收集整理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理各種突發(fā)狀況，確保整個(gè)項(xiàng)目能夠按照預(yù)期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成。其次，為了增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的責(zé)任意識(shí)和質(zhì)量意識(shí)，可以通過定期組織培訓(xùn)或考核等方式來提高他們的專業(yè)技能水平，進(jìn)而提升整體設(shè)計(jì)水平。最后，在設(shè)計(jì)管理制度建設(shè)方面，也應(yīng)充分考慮不同部門之間的協(xié)作關(guān)系，做好溝通協(xié)調(diào)工作，避免各自為政導(dǎo)致工期延誤、成本增加等不良后果[4]。

2.2 加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)單位的監(jiān)管

在進(jìn)行橋梁工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇專業(yè)能力強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。但是當(dāng)前一些小型設(shè)計(jì)院或個(gè)人為了追求片面經(jīng)濟(jì)利益，往往采用不合規(guī)的手段來獲取項(xiàng)目，這些行為不僅違反相關(guān)法律法規(guī)，也給橋梁工程帶來安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量隱患。因此，必須加大對(duì)設(shè)計(jì)單位的監(jiān)管力度，規(guī)范市場(chǎng)秩序，保障橋梁工程的整體質(zhì)量與安全性。

2.3 基于BESO 的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2.3.1 BESO 方法的基本原理

BESO 方法是一種基于模型的可靠性評(píng)估技術(shù)，其主要思想是將系統(tǒng)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，并在每個(gè)子系統(tǒng)中建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用進(jìn)行模擬和計(jì)算，得到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)及其變化規(guī)律。然后利用這些性能指標(biāo)來判斷該系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全要求或使用壽命等條件。該研究采用BESO 方法，對(duì)橋梁工程的設(shè)計(jì)、施工和使用等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出相關(guān)管理建議。

2.3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

橋梁設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，需要考慮很多方面，比如材料、氣候環(huán)境等。橋梁設(shè)計(jì)方案不僅是設(shè)計(jì)圖紙和文字說明書，在實(shí)際情況下還需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析并建立數(shù)學(xué)模型，這樣才能使橋梁設(shè)計(jì)的方案更加科學(xué)合理。在分析結(jié)構(gòu)受力時(shí)，由于應(yīng)力集中處極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提出構(gòu)件所能承受的最大應(yīng)力要求[5]。

2.3.3 性能指標(biāo)公式

性能指標(biāo)的計(jì)算方法有多種，常用的幾種方法有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法、經(jīng)驗(yàn)公式及綜合評(píng)估系統(tǒng)，其中較為先進(jìn)和應(yīng)用性最廣的是對(duì)過去使用狀態(tài)下制訂橋梁結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以及采用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來完成橋型設(shè)計(jì)方案比較。在工程項(xiàng)目中對(duì)橋梁整體狀況做出全面準(zhǔn)確的評(píng)估是非常必要的重要環(huán)節(jié)。通過該方法可以將各個(gè)因素影響到的全部因素加以考慮并計(jì)算出總指標(biāo)值，從而為設(shè)計(jì)人員提供較為科學(xué)合理的參考依據(jù)，在許多實(shí)例中證明該方法解決實(shí)際問題的有效性。初始設(shè)計(jì)域的相關(guān)體積計(jì)算如公式（1）所示：

在優(yōu)化迭代過程中，第i次迭代的結(jié)構(gòu)的相關(guān)體積計(jì)算如公式（2）所示：

迭代第i次的性能指標(biāo)計(jì)算如公式（3）所示：

在橋梁工程的建設(shè)中，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，充分考慮各種因素，在確保安全和穩(wěn)定的前提條件下選擇最佳設(shè)計(jì)方案。

2.3.4 APDL 參數(shù)化計(jì)算與分析

該處將使用ANSYS 軟件進(jìn)行APDL 參數(shù)化建模和仿真。首先，需要對(duì)模型的幾何尺寸、材料屬性等信息進(jìn)行輸入。然后，通過APDL 語言編程實(shí)現(xiàn)橋梁?jiǎn)卧膮?shù)化建模，并設(shè)置邊界條件和荷載情況[6]。最后，運(yùn)行程序得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果，包括位移、應(yīng)力等方面的數(shù)據(jù)輸出結(jié)果。橋梁設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題有：對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，建立合理、可靠、安全穩(wěn)定性好的模型；在橋梁工程施工時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際情況選擇適當(dāng)方案。具體實(shí)施流程見圖2。

圖2 BESO 優(yōu)化流程圖

2.4 拓?fù)鋬?yōu)化在橋梁造型領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化作為一種新型的材料開發(fā)方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)踐中。該方法可以通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)、均勻、變厚度等變量的優(yōu)化來達(dá)到減輕自重、提高剛度以及降低成本等目的。同時(shí)，由于其具有很好的可制造性和可調(diào)節(jié)性，因此也成了現(xiàn)代化橋梁建設(shè)過程中不可或缺的一部分[7-8]。以某座大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋?yàn)槔捎肁NSYS 軟件建立全橋模型并進(jìn)行靜動(dòng)力計(jì)算后發(fā)現(xiàn)：原方案存在較多的箱梁腹板開裂現(xiàn)象，且部分區(qū)域受力較為集中；而經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化處理后，不僅有效減少箱梁截面尺寸，還讓整個(gè)主塔高度得到大幅度提升，從而改善整體受力情況。綜上所述，基于拓?fù)鋬?yōu)化的橋梁造型設(shè)計(jì)方法，不僅可以大幅度提高橋梁的承載能力和安全性能，還能夠進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)橋梁事業(yè)向更高水平邁進(jìn)[9-10]。

3 結(jié)語

該研究通過對(duì)某高速公路上一座大橋的病害進(jìn)行分析，提出一些解決方案和建議。首先，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮施工過程中可能出現(xiàn)的各種情況，并采取相應(yīng)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施；其次，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原材料的質(zhì)量控制，嚴(yán)格按照規(guī)范要求選用合適的混凝土配合比；最后，應(yīng)針對(duì)大橋存在的其他病害，如支座脫空、伸縮縫堵塞等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。