現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)探析
2015-04-10
一，橋梁設(shè)計(jì)理念。
設(shè)計(jì)者應(yīng)該在尊重原則和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)進(jìn)步、靈活設(shè)計(jì)、創(chuàng)作設(shè)計(jì)更理想、更人性化的設(shè)計(jì)作品是設(shè)計(jì)工作者的不斷追求。
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優(yōu)秀的橋梁建筑總是把橋梁的品質(zhì)和體現(xiàn)橋梁的美學(xué)價(jià)值相統(tǒng)一，因而,橋梁設(shè)計(jì)師在考慮橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)要求的同時(shí), 應(yīng)十分注重橋梁美學(xué)價(jià)值的提高。
橋梁美學(xué)包括形式美、功能美、與環(huán)境協(xié)調(diào)美三個(gè)要素。在橋梁設(shè)計(jì)工作中,想要達(dá)到以上的境界有一定難度，這其中最重要的是要把握好一個(gè)度。例如，拿最通常的車行天橋來說,在山區(qū)或平原區(qū)或城市附近都很有講究,在地形地勢復(fù)雜的山區(qū)道路上,構(gòu)造簡單輕盈的上跨橋便足夠了；而平坦廣闊又有景觀需求的地方往往需要通過上跨橋的造型予以彌補(bǔ)；在城市附近，人車流量大的地方,上跨結(jié)構(gòu)無論是上部結(jié)構(gòu)造型還是下部的構(gòu)造形式都應(yīng)充分重視,甚至橋上的具體裝飾物都應(yīng)無微不至。
從根本意義上來說，橋的美觀性應(yīng)該是在平和、自然中又賦予靈動(dòng)。
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隨著時(shí)代經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類建造的各種大型工程規(guī)模巨大, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能眾多。這些工程投資巨大，技術(shù)復(fù)雜，環(huán)境影響嚴(yán)重, 襲擊破壞幾率增大, 維修、養(yǎng)護(hù)、加固難度大。目前設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定義的均是設(shè)計(jì)建成時(shí)期結(jié)構(gòu)具有的使用性能，而對(duì)處于使用狀態(tài)的性能隨時(shí)間的變化卻缺乏充分的認(rèn)識(shí)和儲(chǔ)備,簡單來講,似乎只考慮了建造期造價(jià)成本,卻忽視了運(yùn)營期的維護(hù)成本和與使用壽命相對(duì)應(yīng)的成本效益,這與可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)是相背的。
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中,首先是選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案,其次是結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)，在這個(gè)環(huán)節(jié)上容易忽視對(duì)現(xiàn)階段的施工和管理水平、材料耐久性、結(jié)構(gòu)的后期改造、加寬、維護(hù)以及施工過程中可能造成的人為失誤等問題的充分考慮。因此，不少橋梁、雖然滿足了現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度要求，但不出幾年就因?yàn)槟途眯猿隽舜蟠笮⌒〉膯栴}。為解決這一問題,在設(shè)計(jì)和建造階段要挑戰(zhàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念:對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有六大特性,即：可檢性、可修性、可換性、可強(qiáng)性、可控性及可持續(xù)性。充分認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)各個(gè)組成部件具有不同的耐久性極限,需要經(jīng)常維修,甚至更換或加固,才能保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的服務(wù)功能。
二，橋梁設(shè)計(jì)的抗震措施。
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《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》指出上部結(jié)構(gòu)主梁的支承長度a≥70+0.5L（L為梁的計(jì)算跨徑，L單位為m，a單位為cm）。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意“長橋高墩”，特別是設(shè)置有伸縮縫的相鄰聯(lián)橋墩，不僅要將主梁支承長度取值放大一些，還需要設(shè)置主梁限位裝置。根據(jù)國外規(guī)范以及《抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》精神，同時(shí)應(yīng)設(shè)置縱向防落梁構(gòu)造，同時(shí)應(yīng)注意限位裝置不得有礙于防落梁構(gòu)造的發(fā)揮。根據(jù)汶川地震后的調(diào)查表明橫橋向抗震擋塊的破壞非常普遍。2010年，玉樹震區(qū)橋梁調(diào)查也存在同樣問題，這說明當(dāng)前擋塊設(shè)計(jì)存在薄弱的問題，主要表現(xiàn)為構(gòu)造尺寸偏小，主筋配筋偏少，擋塊內(nèi)側(cè)缺少減震橡膠塊，特別是在斜彎橋設(shè)計(jì)中應(yīng)比直線橋具備更多的考慮。
（二）支座形式和布置方式。
支座選型長期以來被忽視，常規(guī)梁橋多采用普通橡膠支座，汶川地震后的調(diào)查表明普通橡膠支座破壞后加劇了橋梁損傷，建議根據(jù)橋梁設(shè)防要求，選用適用的支座類型?；镜卣饎?dòng)峰加速度峰值0.1g 地區(qū)和以上地區(qū)應(yīng)選擇減震型橡膠支座。作為支座的布置是否合理至關(guān)重要，汶川百花大橋第5聯(lián)（5×20m）采用一個(gè)固定支座，其余墩為活動(dòng)支座，導(dǎo)致全聯(lián)上部結(jié)構(gòu)水平地震力幾乎完全由固定支座下的橋墩承擔(dān)，該橋墩迅速破壞后，造成全聯(lián)坍塌。對(duì)于連續(xù)梁橋在設(shè)置固定支座后，應(yīng)充分考慮固定支座設(shè)置對(duì)抗震的不利影響，慎用墩梁固結(jié)方案，應(yīng)注重考慮各墩水平受力的平均分擔(dān)。
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柱式墩是橋梁設(shè)計(jì)中最為常見的結(jié)構(gòu)形式，日本阪神地震中顯示出大量圓形獨(dú)柱墩崩潰性破壞，汶川地震相關(guān)資料表明矩形墩要優(yōu)于圓形墩。抗震設(shè)計(jì)中首先應(yīng)該盡量避免選用抗震性能差的圓形獨(dú)柱結(jié)構(gòu)，同時(shí)，優(yōu)先選擇矩形截面形式。其次，應(yīng)重視橋墩中間的橫梁設(shè)置，橫梁剛度不宜過大，避免導(dǎo)致“強(qiáng)梁弱柱效應(yīng)”的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)的第一塑性鉸出現(xiàn)在墩柱之上，而不是橫梁上，從而致使結(jié)構(gòu)失效。
總的設(shè)計(jì)原則是結(jié)構(gòu)剛度的均衡，一般指縱橋向相鄰高度不宜相差過大，同時(shí)注意當(dāng)?shù)孛鏅M坡較陡時(shí)，橫橋向也會(huì)出現(xiàn)墩柱高度差異，條件容許時(shí)可以考慮進(jìn)行開挖，以保證橫橋向墩柱剛度的均衡。第二個(gè)設(shè)計(jì)原則是能力保護(hù)原則，要使結(jié)構(gòu)體系中延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞，在延性細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)中應(yīng)保證墩柱縱筋和箍筋形成整體骨架，當(dāng)混凝土縱向受壓、橫向膨脹時(shí)，箍筋給于縱筋的約束作用最為重要，而縱筋對(duì)約束混凝土墩柱的延性作用巨大。所以，各國規(guī)范均提高了對(duì)縱筋的配筋率要求。
三，橋梁設(shè)計(jì)安全方面。
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1，選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,可以有效提高橋梁的安全性和耐久性。橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式主要分為大跨度橋梁和標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋。大跨徑橋梁由于控制因素不同,方案各不相同,具有較強(qiáng)個(gè)性特征,而標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋則更多的是具有共性特征。在實(shí)際工作當(dāng)中,很少采用大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)方案,標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋因?yàn)榫哂惺┕し奖?、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配等諸多優(yōu)點(diǎn), 應(yīng)用最為廣泛。
2，科學(xué)使用材料
鋼筋混凝土的質(zhì)量和合理使用對(duì)橋梁的安全性具有極其重要的作用。鋼筋混凝土的質(zhì)量直接影響到結(jié)構(gòu)的適用性、安全性和耐久性?；炷恋哪途眯灾饕Q于混凝土的材料組成, 其中水灰比、水泥用量、強(qiáng)度等級(jí)均對(duì)耐久性有較大影響。《橋規(guī)》明確規(guī)定了不同使用環(huán)境下, 結(jié)構(gòu)混凝土的基本要求、對(duì)影響混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低強(qiáng)度等級(jí)、最大氯離子含量等做出了限制規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵照執(zhí)行。
提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最關(guān)鍵的是以下兩方面: 一，加大鋼筋的混凝土保護(hù)層厚, 保護(hù)鋼筋免于銹蝕；二，防止和控制混凝土的裂縫,控制混凝土的裂縫。除按規(guī)范要求控制正常使用極限狀態(tài)的工作裂縫以外，更重要的是要采取構(gòu)造措施，從根本上控制混凝土施工及使用過程非工作裂縫的大量出現(xiàn)。
?。ǘ┨岣邔?duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重視程度。
由于橋梁在建造和使用過程中,必然會(huì)受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕, 承受車輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時(shí)橋梁所采用材料的自身性能也會(huì)不斷退化，這些因素最終將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)各部分發(fā)生不同程度的損傷和劣化。我們只有切實(shí)提高對(duì)橋梁耐久性設(shè)計(jì)的重視，才能有效避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高橋梁的使用壽命。
（三）嚴(yán)禁橋梁超載現(xiàn)象。
橋梁超載主要有三種情況：一，早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營； 二，橋梁通行的車流量超過原設(shè)計(jì)； 三，車輛違規(guī)超載。
從超載的原因來看，老橋超齡負(fù)載和車流量超載主要是設(shè)計(jì)荷載的變化和交通量的增加；車輛違規(guī)超載主要是車輛使用者違法超載營運(yùn)。在實(shí)際生活當(dāng)中，車流量超載、車輛違規(guī)超載現(xiàn)象在我國公路運(yùn)輸中較為普遍。橋梁超載危害性很大: 一，引發(fā)橋梁疲勞, 超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞事故；二，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，促使橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化， 最終危害橋梁的安全性和耐久性。
橋梁設(shè)計(jì)的進(jìn)步是橋梁工程發(fā)展的有效推動(dòng)力, 并在橋梁建設(shè)的發(fā)展過程中不斷更新,從而使設(shè)計(jì)作品不斷創(chuàng)新和完善，同時(shí)，作品質(zhì)量也在逐步提高。
