关于桥梁设计问题的探析
2016-12-19
我国对桥梁设计现行的规范主要就是提出了要求桥梁要保证经济、安全、适用且美观，这些要求基本上都符合人们对于桥梁的要求。而在具体的设计过程中，还应该要考虑桥梁的正常使用和极限承载能力。桥梁的极限承载能力主要是考虑当桥梁的控制结构丧失承重能力临界状态时的承载能力，桥梁的基本设计原则就是要求桥梁的荷载效应不利组合的设计值一定要小于或者是等于结构抗力的设计值。要充分利用工作条件系数、材料安全系数以及荷载安全系数等一些不确定的因素,进行综合的考虑，同时还要考虑这些因素综合作用下的桥梁总体的安全储备，这可以看作是对桥梁安全性要求的根本保证。
1 桥梁设计的先决条件
1.1 安全是桥梁结构设计的前提
随着改革开放的力度加大，城市车辆的飞速发展，城市交通运输十分繁忙，车速也在不断提高，桥梁结构不光要求结构自身的受力安全，而且要求桥梁构造的安全。在大桥设计中，有河中设墩的连续箱梁，有连续刚构，有上承式拱桥等桥梁结构形式。根据实际的地形、地质、地物，最后综合比较选择，保证急流的流水断面和桥梁结构自身安全。又如在桥墩设计中，以尽量减少桥下车辆对桥墩摩擦引起桥梁结构的不安全和增强桥梁建筑的美观。
1.2 经济是桥梁结构设计的保证
一座桥梁建筑设计的再如何漂亮，若它的造价比看上去一般化的桥梁高出许多，这座漂亮的桥梁设计也是失败的。故在桥梁设计中，在满足结构安全的前提下，应尽量地考虑经济。
1.3 功能在桥梁结构设计中也不应忽视
在交通日益剧增的情况下，桥梁方案设计中，交通组织功能也要摆在重要的地位上，尤其是立交桥，不光桥上有车辆，桥下车辆也川流不息。如果不综合考虑交通功能，下行车辆撞击桥墩或有关桥梁部分，导致桥梁坍塌，这种事故在国内外都有发生。作为桥梁设计人员必须注意这一点来进行桥梁方案比选，乃至确定后的桥梁分跨。
1.4 美观是桥梁设计必须考虑的一部分
桥梁建筑不仅是交通工程中的重点建筑物，而且也是美化环境的点缀品，所以设计必须精心方案比选、精心设计、精心施工，以期求得在增加投资不多的条件下，取得桥梁美观的效果。
2 在我国当前的桥梁结构设计中，存在着下列倾向
2.1 设计中多考虑桥梁
2.2 主要重视桥梁的强度极限状态，却忽略了使用时极限状态，而桥梁的结构在其生命周期中，使用时的性能表现是最为重要的；强度，很少考虑桥梁的耐久性。
2.3 只重视桥梁的结构建造，却忽视了对桥梁结构的维护；
2.4桥梁的安全性及耐久性较差。首先，施工管理水平较低。在国内外，桥梁倒塌事件时有发生，针对于这种情况，工程界开始重视桥梁安全性的问题。一般的看法认为:当前的工程事故主要是由于管理水平低造成的，大量的桥梁在没有达到预期使用寿命时，就出现了病害。还有大量的桥梁在使用了几年后，甚至刚建成不久出现了严重的耐久性不足问题。此外，工程施工的材料以次充好，钢筋保护层不做，有些施工现场的构件开裂等，这些都造成了典型的桥梁工程事故。
现在，国内的结构设计过程中，有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设计（从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性，并明确声明在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性）。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性（考虑结构建设、使用、维护等整个周期的费用）的要求。
3 需要改进的问题
3.1 应该更加重视结构的耐久性问题
桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀，并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域，国内从上世纪80年代以来，修建了大量的斜拉桥；虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少，但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索，既影响了使用又增大了经济损失。
需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。大量的病害实例也证明，除了施工和材料方面的原因，影响结构耐久性的决定性因素是来自构造上（也即设计上）的缺陷。
3.2 重视对疲劳损伤的研究
桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。
由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。
疲劳损伤过去一直被认为是钢桥设计中的核心问题，由钢结构疲劳引起的钢材开裂案例较多，亦有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的例子。近20年来，疲劳损伤的研究已进入混凝土结构，但对于使用期受腐蚀的钢筋混凝土构件的动态性能和疲劳性能的研究还需加强。
对疲劳损伤的研究不仅仅指对整个结构而言，事实上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳失效而导致整个结构的失效，例如斜拉桥拉索锚固端的疲劳损害。
3.3 充分重视桥梁的超载问题
汽车超载主要有三种情况：其一是早期修建的老桥超龄负载运营；其二是桥梁通行的车流量超过原设计；另一种是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量的增加；后者是车辆使用者违法超载营运，后两种超载现象在我国公路运输中较为普遍。
桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。例如，混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但在汽车超载作用下，可能发生开裂；裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土结构内部已经受到损伤，构件的开裂弯距降低、刚度下降；于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形。这些都会对结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响，因此除了交管部门要加强管理外，也需要对超载带来的后果进行研究、分析。
结语
目前我国的桥梁正处在蓬勃发展时期，在设计方面，要学习和借鉴国外好的经验，才会使我国的桥梁设计水平与施工管理水平，更上一层楼。
参考文献
[1]常大民，江克斌编著.桥梁结构可靠性分析与设计[M].北京：中国铁道出版社.1995.
[2]李国平编著.桥梁预应力混凝土技术及设计原理[M].北京：人民交通出版社.2004.
