基于全壽命理念的鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)

徐廣明

(城市建設(shè)研究院，北京 100120)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的現(xiàn)代化水平不斷加強(qiáng)，建立縱貫整個(gè)城市、順暢的現(xiàn)代化交通網(wǎng)絡(luò)，積極發(fā)展現(xiàn)代交通運(yùn)輸事業(yè)。對(duì)于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加強(qiáng)全國各族人民的大團(tuán)結(jié)，促進(jìn)不同地區(qū)的文化交流和鞏固國防等方面，都具有積極的作用。設(shè)計(jì)是保證橋梁建設(shè)質(zhì)量的先決條件，對(duì)整個(gè)橋梁的施工和使用起到了決定性的作用。綜觀世界各個(gè)大城市，都以恢弘的公路橋建筑作為城市的標(biāo)志與驕傲。因此，路橋建筑已不單單是城市交通網(wǎng)的載體，更被?？醋魇且粋€(gè)國家科學(xué)技術(shù)、綜合國力的綜合體現(xiàn)。

1 全壽命理念概述

對(duì)于一座橋梁的設(shè)計(jì)，其最重要的目標(biāo)就是要保證橋梁的使用壽命，也就是利用各種先進(jìn)的橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)來對(duì)橋梁的安全性、抗疲勞性等因素進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)橋梁的使用安全和延長橋梁的使用壽命。但是，橋梁一經(jīng)投入使用，將會(huì)受到自然環(huán)境、車輛負(fù)載等因素的影響，這些都會(huì)導(dǎo)致橋梁使用壽命的額縮短，過去只注重橋梁的設(shè)計(jì)，卻忽略橋梁施工、維修養(yǎng)護(hù)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前公路橋梁建設(shè)的要求。因此，必須引進(jìn)全壽命理念，以生態(tài)環(huán)境、橋梁使用功能和經(jīng)濟(jì)效益以及人文等方面的需求為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)及管理進(jìn)行綜合考慮，尋找最優(yōu)的方法，滿足橋梁的最優(yōu)設(shè)計(jì)要求，提高橋梁的抗疲勞性，延長橋梁的使用壽命。

1.1 全壽命理念的設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于全壽命理念的公路橋梁設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)橋梁壽命周期內(nèi)總體性能的最優(yōu)。因此，在進(jìn)行公路橋梁全壽命設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以橋梁的服務(wù)水平作為約束條件，將公路橋梁的質(zhì)量和安全放在設(shè)計(jì)的首要位置，在保證全壽命周期成本最低的情況下，保證橋梁的使用功能良好，有效控制設(shè)計(jì)和使用成本，提高橋梁的經(jīng)濟(jì)效益。按照全壽命橋梁設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，公路橋梁的設(shè)計(jì)要綜合考慮整個(gè)橋梁生命周期內(nèi)的各種因素，使橋梁設(shè)計(jì)全面的包括質(zhì)量、安全、工期、成本、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等要素，加強(qiáng)橋梁從設(shè)計(jì)到施工再到養(yǎng)護(hù)各個(gè)階段的管理，尋找科學(xué)的方法措施，增加公路橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和抗疲勞性，在保證橋梁的使用安全的基礎(chǔ)上，盡可能的延長橋梁的使用壽命。

1.2 全壽命理念的設(shè)計(jì)內(nèi)容

基于全壽命設(shè)計(jì)理念的公路橋梁設(shè)計(jì)，要求對(duì)橋梁的生態(tài)自然環(huán)境、使用功能、成本以及人文等因素進(jìn)行綜合的考慮和分析，同時(shí)還要注意橋梁的安全性、美觀性和協(xié)調(diào)性，使橋梁設(shè)計(jì)符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因此，基于全壽命理念的公路橋梁設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括以下4個(gè)方面：經(jīng)濟(jì)效益的需求、生態(tài)環(huán)境的需求、使用功能的需求、人文需求。

2 基于全壽命理念的鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)方案分析

2.1 橋梁的總體設(shè)計(jì)

在對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)該明白建設(shè)項(xiàng)目的總體目標(biāo)和業(yè)主的要求，對(duì)橋梁工程進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)構(gòu)思，對(duì)橋梁建設(shè)條件、建設(shè)環(huán)境、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、預(yù)期使用壽命以及投資預(yù)算等進(jìn)行綜合全面的考慮。在這個(gè)階段，設(shè)計(jì)的中心內(nèi)容是基于全壽命設(shè)計(jì)理念，區(qū)別于現(xiàn)行的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，搞清楚全壽命設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，提出橋梁設(shè)計(jì)理論框架和一般性原則，確保橋梁總體設(shè)計(jì)的科學(xué)性，增強(qiáng)橋梁的抗疲勞性。

2.2 橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)的環(huán)境因素考慮

引入環(huán)境指數(shù)來評(píng)測(cè)公路橋梁的耐久性以及抗疲勞性進(jìn)行探討，這個(gè)方法最先在日本使用，現(xiàn)已經(jīng)得到了普遍的推廣。這種方法要求公路橋梁的每個(gè)部分的耐久性指數(shù)TP都要大于或者等于環(huán)境指數(shù)SP。

環(huán)境指數(shù)SP根據(jù)以下公式計(jì)算得來：

SP=SO+Σ△SP

式中，SO為標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下環(huán)境指數(shù)的值，△SP是鹽分和凍融等環(huán)境因素對(duì)指數(shù)的影響，它可以根據(jù)環(huán)境的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。

耐久性指數(shù)TP的取值則是根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)的裂縫、鋼筋詳圖、模板構(gòu)件的形狀、設(shè)計(jì)圖紙、補(bǔ)強(qiáng)材料的質(zhì)量以及混凝土質(zhì)量等因素決定，它的計(jì)算公式如下：

TP=50+ΣTP（I，J）

式中，TP（I，J）是影響結(jié)構(gòu)耐久性定量評(píng)價(jià)的要點(diǎn)。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞應(yīng)力幅

公路橋梁所承受的荷載主要包括恒載、汽車沖擊效應(yīng)以及汽車活載等，對(duì)于橋梁的疲勞設(shè)計(jì)來說，起作用的是頻遇次數(shù)比較高的荷載。因此，在進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，可以只考慮車輛活載、恒載以及汽車的沖擊效應(yīng)3種。對(duì)應(yīng)力幅起主要作用的是車輛的活載荷沖擊效應(yīng)，但是恒載也決定了鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件拉應(yīng)力的大小。根據(jù)橋梁的全壽命理論設(shè)計(jì)方法提出疲勞幅的計(jì)算方法：首先計(jì)算出驗(yàn)算的細(xì)節(jié)處最大以及最小應(yīng)力影響線；其次，根據(jù)車輛活載的影響線加載方式計(jì)算出驗(yàn)算細(xì)節(jié)處車道荷載的最大、最小應(yīng)力V1、V2；再次，將得到的車道荷載下的最大、最小應(yīng)力計(jì)入動(dòng)力沖擊系數(shù)（1+U），以反映動(dòng)力沖擊作用的貢獻(xiàn)；將車道荷載及沖擊作用的應(yīng)力乘以橫向分布系數(shù)或偏載系數(shù)M，以反映加載方式的空間效應(yīng)。同時(shí)，計(jì)人多車道橫向折減系數(shù)f，其在疲勞設(shè)計(jì)上可以理解為因橫向車道荷載引起的應(yīng)力幅變化向等應(yīng)力幅轉(zhuǎn)化的系數(shù)，是變幅應(yīng)力積傷的累積轉(zhuǎn)化方式。從而得到應(yīng)力幅計(jì)算公式：

DV=b(1 +U)fM(V1-V2)

最￠大、最小應(yīng)力值分別為：

V1￠ =R1d+R2V1

V2=R1d+R2V2

式中 δ——恒載應(yīng)力；

R1——恒載組合系數(shù)；

R2——活載組合系數(shù)；

β——汽車沖擊效應(yīng)系數(shù)。

對(duì)于公路橋梁應(yīng)力幅的科學(xué)計(jì)算，能夠有效地指導(dǎo)公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

隨著公路橋梁建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和抗疲勞性提出了更高的要求，因此，必須引入全壽命設(shè)計(jì)理念，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等進(jìn)行綜合考慮，提高公路橋梁結(jié)構(gòu)的抗疲勞性，延長橋梁的使用壽命。

[1] 吳定略.淺談混凝土橋梁的耐久性及控制措施[J].山西建筑，2007(33).

[2] 張露康，權(quán)曉棟.城市橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化探索[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(18).