關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的探討

魯楠 夏正光

摘 要：橋梁工程是由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是城市基礎(chǔ)設(shè)施中一個重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否科學合理，直接決定了橋梁的安全性、實用性和耐用性。文章通過對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的介紹，探討一下橋梁設(shè)計的問題及優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；問題

1 現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的問題

1.1 橋梁設(shè)計缺乏先進的理論基礎(chǔ)和完善的結(jié)構(gòu)體系

目前在我國，一些橋梁設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時存在對橋梁結(jié)構(gòu)的整體性、安全性和耐久性考慮片面，部分橋梁結(jié)構(gòu)的整體性延性不足，計算圖式和受力路線不明確，主要會引起：結(jié)構(gòu)局部受力過大，應(yīng)力集中；混凝土強度要求過低；保護層厚度過小；構(gòu)件截面過小或過大等問題。這些問題都會削弱橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，會嚴重影響橋梁的安全。

此外，一些橋梁設(shè)計人員缺少動態(tài)思維方式。在針對不同的環(huán)境、不同的使用條件和不同的設(shè)計對象時，不能根據(jù)變化因素對結(jié)構(gòu)體系做出合理的應(yīng)對措施。在新技術(shù)、新材料、新工藝快速發(fā)展的情況下，對結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了新要求，這時候設(shè)計人員的創(chuàng)新意識和與時俱進的設(shè)計理念就尤為重要了。

在結(jié)構(gòu)體系上，目前的橋梁設(shè)計普遍的缺乏整體的設(shè)計規(guī)劃，過于偏重設(shè)計建成時期結(jié)構(gòu)的工作和服務(wù)能力，而對其他時期的性能變化沒有更為全面的考慮。橋梁工程是一個由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員要用動態(tài)思維去解決面臨的發(fā)展技術(shù)問題，要盡可能的將未來所面臨的問題計算在內(nèi)，保證橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)體系的完整性。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性問題

橋梁結(jié)構(gòu)可靠性的概念是：在規(guī)定的服役基準期內(nèi)，在正常使用和維護的情況下，結(jié)合環(huán)境和結(jié)構(gòu)抗力衰退等因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)在服役期過后的后續(xù)服役期內(nèi)能完成預(yù)計功能的能力。我國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的重視程度大于耐久性，重視強度極端狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，重視橋梁結(jié)構(gòu)的建造而忽視檢測和維修，不少大橋坍塌都是由于構(gòu)件疲勞損壞所引起，影響了橋梁的承載能力和使用性能。

橋梁在建造和使用過程中，受到了外部和自身環(huán)境的影響導致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化，有些橋梁僅用10年左右的時間就因為耐久性出了問題而影響結(jié)構(gòu)安全。結(jié)構(gòu)耐久性不應(yīng)成為橋梁結(jié)構(gòu)最普遍的一個安全問題，設(shè)計時要從結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料等角度采取措施來加強結(jié)構(gòu)耐久性。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題

橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，是由于橋梁所采用的材料不均勻和不連續(xù)，存在許多微小的缺陷，在荷載反復作用下，這些微小缺陷會逐漸變化形成損傷，并逐漸在材料中形成大面積裂紋，裂紋得不到有效控制，極有可能會引起材料、結(jié)構(gòu)因脆弱而斷裂，造成嚴重后果。對疲勞損傷的研究不僅僅針對整體橋梁結(jié)構(gòu)，實際上橋梁結(jié)構(gòu)常常由于某些關(guān)鍵部位的局部疲勞而導致整體結(jié)構(gòu)的失效。近幾年，我國發(fā)生過幾次大的橋梁事故，都是因為結(jié)構(gòu)疲勞損傷的情況引起的。另外，超載也是導致橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷的重要原因。

2 橋梁設(shè)計中應(yīng)注意的具體問題及解決方法

2.1 設(shè)計地基高度的調(diào)整

地基是橋梁施工中最重要的工作之一，地基高度的不合理，給橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)帶來很多不安全因素。由于地基土層極易風化，如果解決的不合理，就會導致地基不夠堅實，地基下沉甚至地基崩潰等后果。首先，用封閉的防水技術(shù)，可以增強橋梁地基的穩(wěn)固性能，標高地基高度，以此來保護橋梁地基強度。其次，設(shè)計人員應(yīng)把握好地基高度，在設(shè)計階段，就應(yīng)當考慮上部結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)和地基共同作用，必要時采取有效措施加強上部結(jié)構(gòu)的強度，可以增加建造物對地基不均勻變形的適應(yīng)能力。

2.2 混凝土裂縫的寬度調(diào)整

裂縫是混凝土構(gòu)件不可避免的特征，不僅影響結(jié)構(gòu)的美觀，而且會導致構(gòu)件承載能力和耐久性等性能的下降。我國橋梁規(guī)范中根據(jù)構(gòu)件類型和環(huán)境類別對裂縫寬度進行了嚴格規(guī)定，強化控制混凝土裂縫的寬度可以使橋梁承載能力得到提升，耐久性更有保障?；炷亮芽p寬度的設(shè)計，可通過采用結(jié)構(gòu)局部預(yù)防力、調(diào)整鋼筋布設(shè)位置和加強混凝土截面剛度等方法來控制混凝土裂縫的寬度。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

在這里我們探討的是基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計。這種優(yōu)化模式是由Forscll最先提出來的，他把使總耗費（初始投資與期望損失值之和）最小化作為優(yōu)化目標，主要研究了可靠性與優(yōu)化之間的關(guān)系。他指出，用整個橋梁結(jié)構(gòu)失效概率作為功能約束的優(yōu)化過程應(yīng)該產(chǎn)生出更加平衡與合理的安全度相一致的設(shè)計。他認為，科學的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)該考慮橋梁結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的性能，同時橋梁結(jié)構(gòu)的服役期很長，如果不加維修，它的功能一定會越來越衰退，所以必然要及時采取相應(yīng)的維修和加固的措施。不難理解，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度標準越高，建造橋梁結(jié)構(gòu)的原始成本就越少。所以會存在一個最優(yōu)化設(shè)計可靠度，在這個標準下，橋梁結(jié)構(gòu)服役期的總耗費是最小的。

3.1 充分重視橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計

現(xiàn)行規(guī)范對橋梁設(shè)計的要求是適用、經(jīng)濟、安全、美觀，對橋梁的強度考慮多于耐久性，對使用周期中橋梁的性能表現(xiàn)相當重視而忽視使用極限狀態(tài)和對結(jié)構(gòu)的維護。這種傾向很大程度上造成了工程事故頻發(fā)、橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量差，性能不穩(wěn)定、使用年限短等不良后果。設(shè)計人員應(yīng)該從思想上改變這種傾向，充分重視對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計，不但讓它在服役期內(nèi)安全可靠的工作，同時要最大限度的延長它的衰退期，安全使用的年限越長，則其經(jīng)濟性和實用性越優(yōu)化。

3.2 重視對疲勞損傷的研究

橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的力量，會引起結(jié)構(gòu)的震動，也會引起結(jié)構(gòu)的積累疲勞損傷。在循環(huán)荷載作用下，這些缺陷會逐漸形成宏觀裂紋，如果得不到控制，會引起材料和結(jié)構(gòu)的斷裂。早期的疲勞損傷不易被檢測到，但帶來的后果是不堪設(shè)想的。設(shè)計人員要充分重視對疲勞損傷的研究，盡量把疲勞損傷的因素消除，把造成不良后果的可能性降到最低，避免造成不可彌補的損失。

3.3 重視對橋梁超載問題的研究

3.3.1 橋梁年限過長，超齡負載使用。

3.3.2 橋梁同時通行的車流量超過可承載的最大限值。

3.3.3 車輛違規(guī)超載。

超載一方面會引起橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題，另一方面，由于超載引起的橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷不能恢復，使其工作狀態(tài)發(fā)生變化，危害橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐用性。所以，在橋梁設(shè)計中應(yīng)重視對橋梁超載問題的研究，充分考慮社會、經(jīng)濟、環(huán)境、地域等因素的影響，把超載問題納入橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中來。

3.4 施工中所能涉及到的優(yōu)化設(shè)計

3.4.1 斜腹桿混凝土受拉開裂處理問題設(shè)計：應(yīng)采用局部預(yù)應(yīng)力的方法，也就是橋梁只在斜腹桿內(nèi)布置冷拉級預(yù)應(yīng)力鋼筋，拱片預(yù)制成型后張拉錨固，這樣就大大降低了斜腹桿拉應(yīng)力和混凝土裂縫開展寬度。

3.4.2 泥巖地基處理問題設(shè)計：此基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)采用巖面防水封閉技術(shù)，當基坑挖至設(shè)計標高后，經(jīng)平整和清理基底后，快速的澆筑封底防水混凝土以保護地基。這一措施可以防止表層地基土膨化、保持地基土的強度。

3.4.3 竣工階段橋墩抗推問題設(shè)計：可在墩頂增設(shè)臨時的水平拉桿，另一端與橋臺錨固，臨時支架拆除前進行預(yù)張拉。這樣，墩基底的應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定都能夠滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)束語

橋梁對我國現(xiàn)階段的交通運輸發(fā)揮著巨大的作用。我們在認識交通運輸對橋梁作用的同時，還要積極的探討它在橋梁設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系、耐久性、疲勞損傷、超負荷作業(yè)等方面的一系列問題，只有這樣我們才能進一步地提高我國橋梁設(shè)計的技術(shù)水平，增加橋梁的使用壽命，并在節(jié)省維修資金的基礎(chǔ)上，有效的保證其質(zhì)量，為國家的經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻，也為人們提高生活質(zhì)量提供有利保障。