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2015年一級結構工程師《專業考試》輔導筆記四

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橋梁設計改進方向

1)重視對疲勞損傷的研究

橋梁結構所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載,會在結構內產生循環變化的應力%考\試大%,不但會引起結構的振動,還會引起結構的累積疲勞損傷。

由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續的,實際上存在許多微小的缺陷,在循環荷載作用下,這些微缺陷會逐漸發展、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、結構的脆性斷裂。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計中的核心問題,由鋼結構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構,但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構件的動態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構而言,事實上橋梁結構常常由于某些關鍵部位的局部疲勞失效而導致整個結構的失效,例如斜拉橋拉索錨固端的疲勞損害。

2)充分重視橋梁的超載問題

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計;另一種是車輛違規超載。前兩種產生的原因主要是設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,甚至會出現一些超載引發的結構破壞事故。另一方面,由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復,將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態發生變化,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,可能發生開裂;裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合,但由于混凝土結構內部已經受到損傷,構件的開裂彎距降低、剛度下降;于是在正常使用荷載作用下,本來不該開裂的結構產生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規范允許的裂縫或產生較大的變形。這些都會對結構長期的使用性能和耐久性產生不利的影響,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。

3)應該更加重視結構的耐久性問題

橋梁在建造和使用過程中,一定會受到環境、有害化學物質的侵蝕,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,從而導致結構各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領域,國內從上世紀80年代以來,修建了大量的斜拉橋;雖然迄今為止出現倒塌或嚴重損害的例子很少,但已經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濟損失。

需要指出的是,很多這類問題與沒有進行合理的耐久性設計有關,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,影響結構耐久性的決定性因素是來自構造上(也即設計上)的缺陷。

國內從上世紀90年代開始重視了對結構耐久性的研究,也取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統計分析的角度進行的,對如何從結構和設計的角度及如何以設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,人們一直偏重于結構計算方法的研究,卻忽視了對總體構造和細節處理方面的關注。結構的耐久性設計與常規的結構設計有著本質的區別,目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發展。

國外的橋梁設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構物的耐久性并將其作為重要的設計原則,統一考慮合理的結構布局和構造細節,強調使結構易于檢查、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濟效益。實際上,國內外的研究和實踐都表明,結構耐久性對于橋梁的安全運營和經濟性起著決定性作用。

4)積極借鑒國外的經驗和成果

國內橋梁設計存在的主要問題是結構 正常使用性能差(指與設計期望相比,可歸結為適用性能差,包括橋梁的過大振動、線形不平順、接頭跳車、結構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)。這些問題的產生固然與目前國內施工質量和管理水平較低有關,但平心而論,既然這種現狀不能在短期內得到解決,那么作為工程設計人員就應該在正視這一問題的前提,充分考慮到現階段的施工和管理水平和材料工藝水平,采用適當的安全度、適當的設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構體系或使用材料選擇不合理及結構細節處理不當有關。

橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題,要積極借鑒國外成功的經驗和做法,除了加強施工質量管理外,要從橋梁設計理念和結構體系和構造的角度做好耐久性的設計。同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結構耐久性的影響。

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