桥梁结构设计方法的研究

桥梁结构设计方法的研究

摘要：目前桥梁结构耐久性研究中存在的问题。在比较了各国几种主要耐久性设计理论和方法的基础上，提出了一种新的耐久性设计思路和方法，即利用耐久度来衡量结构保持耐久性的能力，通过计算耐久性指标来评判某一时刻结构耐久性能否满足设计要求。该方法强调了多种因素共同作用、结构体系和构件荷载类别以及桥梁寿命周期经济性对耐久性设计的影响，具有概念明确、形式简单、便于应用等特点。

关键词：桥梁结构、设计、可靠性、创新

引言：

桥梁设计是一个复杂的，系统的工程。需要丰富的理论知识，并且尽量避免主观经验因素对设计的影响。在桥梁设计过程中仍然有许多重大的理论问题需要解决。目前，国内的桥梁结构设计普遍有这样的倾向：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。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的要求。

我国的桥梁设计理论和结构构造体系仍不够完善，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。

一、结构的耐久性设计问题：

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。

在大跨度桥梁领域，国内从上世纪80年代以来，建造了大量的斜拉桥。需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久安全性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。而这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度来改善桥梁耐久安全性却很少有人研究。而且，长期以来，人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。因此，需要努力将耐久安全性的研究从定性分析向定量分析发展。

二、桥梁的超载问题：

桥梁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：其二是桥梁通行的实际车流量超过设计流量：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。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。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：裂缝即使在荷载卸赊后能够闭合，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。

三、桥粱结构可靠性设计：

结构设计方法从可靠度理论来说，基本上可分为经验安全系数设计法和概率岗寸弦两类。经验安全系数设计法，是将影响结构安全的各种参数按经验取值，一般用平均值或规范规定的标准值，并考虑这些参数可能的变异对结构安全性的影响，在荷载与强度计算中再取用安全系数x。概率设计怯则是将影响结构安全的各种参数作为随机变量。用概率论和数理统计学来分析全部参数或部分参数，或者用可靠度分析结构在使用期限内满足基本功能要求的概率。当前的发展趋势是，结构设计正逐步由经验设计法向概率设计法转变。在目前阶段，按其发展进程国际。通常将基于可靠度的设计划分为2个水准，即水准I、水准Ⅱ。

①、水准I—半概率设计法：

这一水准设计方法的特点是，虽然在荷载和材料强度上分别考虑了概率原则，然而，它把荷载和抗力分开考虑，而不是从结构构件的整体性出发考虑结构的可靠度，因而无法触及结构可靠度的核心一结构的失效概率，并且各分项安全系数主要依据T程经验确定，所以称其为半概率设计法。半概率设计法基本上分为如下3个步骤：①按照概率取值原则确定极限状态函数中抗力变量值和荷载变量s的标准值；②半概率地(根据工程实际经验)规定材料设计强度及设计荷载；

③由材料设计强度值计算出截面抗力R，由设计荷载计算出荷载效应，并进行判断。

②、水准Ⅱ一近似概率设计法：

这是目前在国际上已经进入实用阶段的概率设计法。它运用概率论和数理统计，对工程结构、构件或截面设计的“可靠概率”，做出较为近似的相对估计。我圉《工程结构可靠度设汁统一标(GB50153---2008)及《建筑结构设计统一标准》(GB50068--2001)《铁道工程结构可靠度设计统一标准》(GB50216—94)以及《公路工程结构设计统一标准》(GB／T50283—1999)等采用的以概率理论为基础的一次二阶矩极限状态设计方法就属于这一水准的设计方法。并且，为了简化设计计算，将一些复杂的非线性极限状态方程线性化，所以，它仍然只是一种近似的

概率法。不过，在现阶段，它确实是一种处理结构可靠度的比较合理且可行的方法。

四、桥梁结构体系的创新：

现代桥梁创新在设计层面上讲无非是体系创新与材料创新。桥梁结构体系创新是为了满足特定建桥条件而对基本桥梁结构体系进行改革、组合或其受力形态进行变化而做的创新工作。中国传统的拱桥因其在拱脚处产生水平推力，所以难以在软土地基应用极大地束缚了它的发展。为了避免拱桥推力对基础的影响，发展了部分有推力和无推力拱桥如图1所示。

图.1有推力和无推力拱桥

结束语：

总之，桥粱的结构设计，要在因地制宜的前提下。根据建设单位的桥梁设计任务书，按照桥式方案设计所选出的桥型而进行结构设计，认真学习国内外的先进技术。尽叮能采用成熟的新结构、新设备、新材料和新工艺。遵照有关包括设计总则、荷载、各种材料的技术条件要求和各种容许数值、各类结构的构造要求和检算方法等的设计规范和技术标准。采取适宜的设计方法，尽量避免主观经验因素对设计的影响。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。