橋梁設(shè)計中應考慮的幾個問題

1、橋梁設(shè)計中應考慮的幾個問題1、安全是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提 隨著改革開放的力度加大，城市車輛的飛速發(fā)展，城市交通運輸十分繁忙，車速也在不斷提高，橋梁結(jié)構(gòu)不光要求結(jié)構(gòu)自身的受力安全，而且要求橋梁構(gòu)造的安全。在作樂山市大渡河龔嘴電站大橋設(shè)計中，我們設(shè)計組也進行了許多方案比選，有河中設(shè)墩的連續(xù)箱梁，有連續(xù)剛構(gòu)，有上承式拱橋等橋梁結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)實際的地形、地質(zhì)、地物，最后綜合比較選擇了中承式拱橋，一跨135米跨過，保證了急流的大渡河流水斷面和橋梁結(jié)構(gòu)自身安全（該橋驗算荷載為特種荷載-300，已于1999年10月通車，并進行了動、靜載實驗，運行良好）。又如在大營坡立交橋設(shè)計中，橋墩是采用圓柱還是方

2、柱問題上，我們設(shè)計組也進行了結(jié)構(gòu)分析和討論，最終一致選擇用方柱，保證橋墩的結(jié)構(gòu)剛度（因上部結(jié)構(gòu)傳下的偏心彎矩較大），方柱的四角采用了R15cm的圓角，以盡量減少橋下車輛對橋墩摩擦引起橋梁結(jié)構(gòu)的不安全和增強橋梁建筑的美觀。2、經(jīng)濟是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的保證 一座橋梁建筑設(shè)計的再如何漂亮，若它的造價比看上去一般化的橋梁高出許多，這座漂亮的橋梁設(shè)計也是失敗的。在樂山市大渡河龔嘴電站大橋設(shè)計中，定下采用中承式拱橋后，拱圈是用鋼筋砼呢，還是鋼管砼？經(jīng)過比選，我們設(shè)計組采用了變截面鋼筋砼拱圈。因為本橋地處偏遠大山之中的大渡河上，當?shù)氐纳?、石料比較豐富，可就地取材，而鋼管拱不僅昂貴，且鋼管運距也相當遠。

3、故在橋梁設(shè)計中，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，應盡量地考慮經(jīng)濟。 3、功能在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中也不應忽視 城市橋梁不同于公路橋梁，在城市交通日益劇增的情況下，橋梁方案設(shè)計中，交通組織功能也要擺在重要的地位上，尤其是立交橋，不光橋上有車輛，橋下車輛也川流不息。如果不綜合考慮交通功能，下行車輛撞擊橋墩或有關(guān)橋梁部分，導致橋梁坍塌，這種事故在國內(nèi)外都有發(fā)生。作為橋梁設(shè)計人員必須注意這一點來進行橋梁方案比選，乃至方案確定后的橋梁分跨。在貴陽市都司路高架橋跨越中華路的大南門交叉口位置，設(shè)計者在地面設(shè)置了交通導流環(huán)島，一跨20米跨徑的橋梁正好處于環(huán)島內(nèi)。橋梁建成后，隨著城市的發(fā)展，車輛的增多，該

4、交叉口經(jīng)常塞車，不得已取消了地面環(huán)島。由于該交叉口的橋梁跨徑較小，導致左轉(zhuǎn)車輛的行車軌跡不順暢，司機抱怨連天，這無疑是橋梁設(shè)計敗筆。4、美觀是橋梁設(shè)計必須考慮的一部分 城市橋梁建筑不僅是交通工程中的重點建筑物，而且也是美化環(huán)境的點綴品，所以設(shè)計必須精心方案比選、精心設(shè)計、精心施工，以期求得在增加投資不多的條件下，取得橋梁美觀的效果。比如在城區(qū)建一座二、三十米跨度的立交橋，不管用鋼還是預應力砼，通常的做法是用一根等截面梁跨越，但由于人們的視覺有錯覺，所以往往把這根梁看成是帶下垂撓度的彎梁，看起來很不舒服，甚至有怕它掉下來的危險。我們在貴陽市中心環(huán)南線朝陽洞路玉廠路立交橋方案設(shè)計中，有意

5、把梁底線作成反拱線，在橋墩支點處稍微增加一點材料，但給橋下車輛和行人一種安全美的感覺。實際上呈反拱的下弦就等于是一根弧形托梁，這是一種最簡單的支承，它融合在梁體內(nèi)，變得看不出，可它能起到美化橋梁的作用。 綜合考慮以上四項標準來進行橋梁方案比選，最后的設(shè)計、施工將會變得容易，建成后的橋梁才是安全美、經(jīng)濟美、功能美與環(huán)境、視角美。   國內(nèi)橋梁設(shè)計存在的主要問題     具體的設(shè)計過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進行。前者是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務能力臨界狀態(tài)時的承載能力、設(shè)計的基本原則是要求荷載效應不利組合的設(shè)計值，必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗

6、力的設(shè)計值。利用荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)及工作條件系數(shù)來考慮不確定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲備，是一個半概率的極限狀態(tài)設(shè)計法?？梢哉J為是對安全性要求的保證。后者控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時應力、裂縫和變形小于一定的限值，對應于適用性的要求。 暫且不論這些控制方程和計算理論是否完全合理，它們至少從定性和定量的形式上保證了安全性和適用性兩項要求，而對于經(jīng)濟、美觀的要求則沒有具體的指標進行衡量。當然，在方案設(shè)計和評審階段會考慮到經(jīng)濟和美觀的要求 (中小橋梁主要關(guān)注經(jīng)濟性，而大型和特大型橋梁對美觀問題越來越重視；但需要指出的是該階段對經(jīng)濟性的評估往往是只注重考慮建設(shè)成本，而對于后期

7、的養(yǎng)護、維修等的長期綜合成本缺乏考慮，因此這種評估經(jīng)常是比較片面的。一個典型的例子是斜拉橋的換索問題。由于目前技術(shù)水平的限制，斜拉橋拉索的平均使用壽命在20年到30年之間，也就是在其服役期期間至少要進行一次換索，如果考慮到后期換索的巨大投入，那么在跨度1000米以下的橋型競爭中，懸索橋與斜拉橋在經(jīng)濟性方面的差距將大大減小。 現(xiàn)在，國內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，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

8、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（從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計程序上上保證耐久性，并明確聲明在何種維護和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性）。這些傾向在一定程度上導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（考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護等整個周期的費用）的要求。 橋梁安全性、耐久性差的主要原因 1）施工和管理水平低 國內(nèi)外多座橋梁的突然破壞與倒塌，已使工程界對橋梁安全性問題倍加關(guān)注。一般的看法認為當前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所

9、導致。對于短期內(nèi)發(fā)生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設(shè)計要求，典型的問題包括材料強度不足和施工工藝不合格等；也有個別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴重的管理問題，更是對橋梁安全造成致命的損害。 而大量的橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時，出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化；特別是一些橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴重的耐久性不足的問題，這也與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴重的構(gòu)件開裂問題（主要原因包括：水泥選用、混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護不當及預應力施加不合理等）。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產(chǎn)生明

10、顯的影響，但卻會對結(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。 2）設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不夠完善 在承認施工存在問題的同時，也不可否認，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)計的首要任務是選擇經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案，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。 許多設(shè)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。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余

11、性??；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構(gòu)件截面過??；這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，會嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性。不少橋梁、雖然滿足了設(shè)計規(guī)范的強度要求，僅用了510年就因為耐久性出了問題影響結(jié)構(gòu)安全。結(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問題，設(shè)計時要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強結(jié)構(gòu)耐久性。 不同的環(huán)境和使用條件、不同的設(shè)計對象都會對結(jié)構(gòu)體系提出不同的布局和構(gòu)造等方面的要求。規(guī)范再詳細也不能包羅本應由設(shè)計人員解決的各種問題、規(guī)范更新得再快也適應不了新認識、新技術(shù)、新材料快速發(fā)展對結(jié)構(gòu)提出的各種新的要求。因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計

12、除了滿足規(guī)范的要求外，還要求設(shè)計人員具有對結(jié)構(gòu)本性的正確認識、豐富的經(jīng)驗和準確的判斷。 需要改進和努力的方向 1）應該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題 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，從而導致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域，國內(nèi)從上世紀80年代以來，修建了大量的斜拉橋；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，既影響了使用又增大了經(jīng)濟損失。 需要指出的是，很多這類問題與

13、沒有進行合理的耐久性設(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)耐久性的決定性因素是來自構(gòu)造上（也即設(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)耐久性的研究，也取得了不少成果。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)計的角度及如何以設(shè)計和施工人員易于接受和操作的方式來改善橋梁耐久性卻很少有人研究。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。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著本質(zhì)的區(qū)別，目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。 

14、國外的橋梁設(shè)計有鑒于耐久性不足導致的嚴重損失，近年來十分重視提高結(jié)構(gòu)物的耐久性并將其作為重要的設(shè)計原則，統(tǒng)一考慮合理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細節(jié)，強調(diào)使結(jié)構(gòu)易于檢查、維修，以保證橋梁的安全使用、盡可能地減少維修費用，取得了較好的綜合經(jīng)濟效益。實際上，國內(nèi)外的研究和實踐都表明，結(jié)構(gòu)耐久性對于橋梁的安全運營和經(jīng)濟性起著決定性作用。2）重視對疲勞損傷的研究 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

15、并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，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。近20年來，疲勞損傷的研究已進入混凝土結(jié)構(gòu)，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強。 對疲勞損傷的研究不僅僅指對整個結(jié)構(gòu)而言，事實上橋梁結(jié)構(gòu)常常由于某些關(guān)鍵部位的局部疲勞失效而導致整個結(jié)構(gòu)的失效，例如斜拉橋拉索錨固端的疲勞損害。 3）充分重視橋梁的超載問

16、題 汽車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；其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計；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。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。例如，混凝土橋梁一直被認為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混

17、凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形。這些都會對結(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，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。 4）積極借鑒國外的經(jīng)驗和成果 國內(nèi)橋梁設(shè)計存在的主要問題是結(jié)構(gòu)正常使用性能差（指與設(shè)計期望相比，可歸結(jié)為適用性能差，包括橋梁的過大振動、線形不平順、接頭跳車、結(jié)構(gòu)開裂和過大的變形等）、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護費用高、安全事故較頻繁等）。這些問題的產(chǎn)生固然與目前國內(nèi)施工質(zhì)量和管理水

18、平較低有關(guān)，但平心而論，既然這種現(xiàn)狀不能在短期內(nèi)得到解決，那么作為工程設(shè)計人員就應該在正視這一問題的前提，充分考慮到現(xiàn)階段的施工和管理水平和材料工藝水平，采用適當?shù)陌踩?、適當?shù)脑O(shè)計方法來保證橋梁使用性能的達到，這才是更為主動和有效的方法。特別是橋梁存在的耐久性和安全性問題很多與結(jié)構(gòu)體系或使用材料選擇不合理及結(jié)構(gòu)細節(jié)處理不當有關(guān)。 在歐洲國家（如德國、丹麥等），非常重視對結(jié)構(gòu)物進行性能設(shè)計（即PBD， Performance Based Design），內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動、強健性、美觀、耐久性能、疲勞性等。PBD研究主要是為了使結(jié)構(gòu)在運營過程中除了保證最低的安全性要求外，尚應有良好的使用性能（包括壽命和耐久性、抗腐蝕、耐疲勞性、美觀等）。就其本質(zhì)而言，歐洲國家的PBD理論，主要研究結(jié)構(gòu)在使用過程中表現(xiàn)出來的服務性能，分析使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機理、規(guī)律，尋求新的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和方法。