橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析

徐徉

（黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

目前國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍有這樣的傾向：設(shè)計(jì)中考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少；重視強(qiáng)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(gè)生命周期中最重要的卻恰恰是使用時(shí)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(hù)。實(shí)際上，目前的橋梁設(shè)計(jì)中，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)。這些傾向在一定程度上導(dǎo)致了當(dāng)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(dòng)態(tài)和綜合經(jīng)濟(jì)性的要求。

1 我國橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

總體來講我國的橋梁設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系仍不夠完善，在橋梁設(shè)計(jì)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(jìn)的地方。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是選擇經(jīng)濟(jì)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(jì)，并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠性指標(biāo)以保證結(jié)構(gòu)的安全性。

許多設(shè)計(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)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(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性。

2 橋梁設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

2.1 應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題。國內(nèi)從上世紀(jì)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(jì)分析的角度進(jìn)行的，對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的角度及如何以設(shè)計(jì)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(jì)算方法的研究，卻忽視了對總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。國內(nèi)外的研究和實(shí)踐都表明，結(jié)構(gòu)耐久性對于橋梁的安全運(yùn)營和經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用。

2.2 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(fēng)荷載都是動(dòng)荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，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(shí)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(zāi)難性的，故而對疲勞損傷的研究需要引起足夠的重視。

2.3 充分重視橋梁的超載問題。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(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(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(fù)，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。因此需要對超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。

2.4 積極借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)和成果。國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要問題是結(jié)構(gòu)正常使用性能差、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護(hù)費(fèi)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(jì)人員就應(yīng)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(dāng)?shù)陌踩?、適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法來保證橋梁使用性能的達(dá)到，這才是更為主動(dòng)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(xì)節(jié)處理不當(dāng)有關(guān)。

在歐洲國家，非常重視對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行性能設(shè)計(jì)（即 PBD，Performance Based Design），內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動(dòng)、強(qiáng)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(yùn)營過程中除了保證最低的安全性要求外，尚應(yīng)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(wù)性能，分析使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機(jī)理、規(guī)律，尋求新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和方法。

3 可以深入研究的方向

3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析。對于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析的非常復(fù)雜的研究課題，許多學(xué)者對此從不同角度進(jìn)行了研究，提出了一些概念和方法。如結(jié)構(gòu)可靠度分析的一階矩概念及荷載為Ferry Borges Castanheta組合情況下的計(jì)算方法問題；利用系統(tǒng)系數(shù)，針對結(jié)構(gòu)各種破壞水平所對應(yīng)的極限狀態(tài)不同，計(jì)算系統(tǒng)可靠度并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽樣技術(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度等，同時(shí)，一些學(xué)者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問題?？傊到y(tǒng)可靠度分析研究內(nèi)容豐富，難度較大。

3.2 人為差錯(cuò)的分析。許多結(jié)構(gòu)的失效并非由荷載、強(qiáng)度的不確定性造成，而往往是設(shè)計(jì)、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為差錯(cuò)造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點(diǎn)之一。

3.3 在役結(jié)構(gòu)的可靠性評估與維修決策問題。對在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠性評估與維修決策正成為建筑結(jié)構(gòu)學(xué)的邊緣學(xué)科，它不僅涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、建筑材料科學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)理論，而且，與施工技術(shù)、檢驗(yàn)手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關(guān)系。同時(shí)，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論，在在役結(jié)構(gòu)的可靠性評估中也必將得到相應(yīng)的發(fā)展。

3.4 模糊隨機(jī)可靠度的研究。模糊隨機(jī)可靠度理論研究是工程結(jié)構(gòu)廣義可靠度理論研究的重要內(nèi)容，隨著模糊數(shù)學(xué)理論與方法的完善，模糊隨機(jī)可靠度理論也必將進(jìn)一步完善和發(fā)展。

4 結(jié)語

橋梁設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的，系統(tǒng)的工程。需要豐富的理論知識，并且盡量避免主觀經(jīng)驗(yàn)因素對設(shè)計(jì)的影響。在橋梁設(shè)計(jì)過程中仍然有許多重大的理論問題需要解決。總之橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評估及維修決策之中尚有許多細(xì)致的工作要做。

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