公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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摘要:公路橋梁是一個(gè)國(guó)家交通運(yùn)輸?shù)闹饕问街唬瑢?duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步有重要作用，橋梁的規(guī)模水平彰顯國(guó)家經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)能力。基于此，本文先提出基于性能設(shè)計(jì)理念下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)框架，再指出橋梁性能設(shè)計(jì)的根本原則，并從幾方面對(duì)公路橋梁的結(jié)構(gòu)性能展開(kāi)分析，最后給出了相對(duì)應(yīng)的性能目標(biāo)，希望對(duì)未來(lái)公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞:公路橋梁;性能設(shè)計(jì)理念;框架;原則;性能標(biāo)準(zhǔn)

公路橋梁是一個(gè)國(guó)家交通運(yùn)輸?shù)闹饕绞街唬欣诮?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，而其規(guī)模水平彰顯出國(guó)家經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)能力。自1990年代初至今，關(guān)于國(guó)內(nèi)公路橋梁的建造發(fā)展迅猛，公路橋梁總數(shù)達(dá)67萬(wàn)架，比如江陰大橋、蘇通大橋等著名特大型橋梁。關(guān)于公路橋梁的設(shè)計(jì)和建造，涉及多門學(xué)科，其發(fā)展水平依賴于橋梁技術(shù)的進(jìn)步。工程技術(shù)制度標(biāo)準(zhǔn)是所有建筑建造的約束規(guī)范，其基于的理論系統(tǒng)能投射出建造水平的高低。就力學(xué)方面而言，公路橋梁架構(gòu)設(shè)計(jì)手段由應(yīng)力允許設(shè)計(jì)→磨損階段設(shè)計(jì)→極限設(shè)計(jì)的發(fā)展，設(shè)計(jì)采取的概率分析包括半概率法、近似概率法等，其中建造材料由概率分析得出，而安全系數(shù)靠經(jīng)驗(yàn)判斷。最近幾年以來(lái)，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家逐步展開(kāi)對(duì)基于性能設(shè)計(jì)理念下的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，來(lái)強(qiáng)化交通設(shè)施的建造水平。除此之外，這種理念和手段的轉(zhuǎn)變促使基于使用壽命的可持續(xù)發(fā)展制度規(guī)范的構(gòu)建和完善，為我國(guó)橋梁建造技術(shù)在世界占據(jù)一席之地奠定基礎(chǔ)。

1基于性能設(shè)計(jì)理念下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)框架

以性能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以性能目標(biāo)為依據(jù)，盡量達(dá)到該目標(biāo)的設(shè)計(jì)總和，也就是基于設(shè)計(jì)制度規(guī)范、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、合適的規(guī)劃，來(lái)確保工程各細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，監(jiān)控工程質(zhì)量與后續(xù)維護(hù)，保障工程結(jié)構(gòu)在某段使用時(shí)間內(nèi)受到外部壓力時(shí)，磨損程度低于某個(gè)極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)功能高于標(biāo)準(zhǔn)范圍下限，同時(shí)還要具備可修護(hù)至性能目標(biāo)的功能。性能設(shè)計(jì)要考慮使用壽命內(nèi)各結(jié)構(gòu)的性能標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要求客戶和設(shè)計(jì)者全面掌握，進(jìn)而選擇各設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)手段來(lái)保證實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能目標(biāo)。因此，所謂的性能設(shè)計(jì)理念是指所設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)在壽命內(nèi)、在各外部壓力情況下，能始終保持預(yù)期的性能目標(biāo)，具體可表示為以下幾點(diǎn):(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)功能與客戶需求來(lái)明確性能標(biāo)準(zhǔn)，也就是所謂的性能目標(biāo)構(gòu)建(盡管各需求差異較大，然而需要大于社會(huì)或行業(yè)的基本標(biāo)準(zhǔn));(2)選擇一定的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)手段來(lái)調(diào)節(jié)性能目標(biāo);(3)判斷考核各性能指標(biāo)，確保設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能符合所有的性能目標(biāo)。以性能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了保障社會(huì)人身安全之外，還需考慮后期磨損引起的成本費(fèi)用，需最大限度地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的預(yù)期性能目標(biāo)，即使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)需求，這些是性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最近幾年迅猛發(fā)展的關(guān)鍵所在。所以，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法需要整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程基于使用功能的實(shí)現(xiàn)，并非采取傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造模式，其是性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)別于其他傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的獨(dú)有特點(diǎn)。基于性能設(shè)計(jì)理念的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)框架見(jiàn)下圖1所示，該層次結(jié)構(gòu)圖中的第一層“目的”是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)社會(huì)層面的目標(biāo)，也就是性能設(shè)計(jì)的根本目的;第二層“性能要求”是工程的實(shí)際功能需求，也就是按照功能對(duì)根本目標(biāo)進(jìn)行細(xì)分;第三層“性能水準(zhǔn)”是功能實(shí)現(xiàn)的檢驗(yàn)原則和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，有明顯的強(qiáng)制性;最后一層“驗(yàn)證方法”是功能實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)手段。其中符合性能標(biāo)準(zhǔn)的手段被稱作實(shí)現(xiàn)手段，其不受強(qiáng)制約束，伴隨科技的發(fā)展成熟，肯定相關(guān)技術(shù)人員充分有效地運(yùn)用新成果。除此之外，以性能設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還涉及多個(gè)問(wèn)題，比如盡管提高了設(shè)計(jì)的開(kāi)放自由性，然而極會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員難以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，尚未建立系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，工程完工程度受設(shè)計(jì)者水平高低的影響明顯，所以難以檢驗(yàn)性能設(shè)計(jì)的有效性。所以需要建立一定的檢驗(yàn)手段體系。總而言之，基于性能設(shè)計(jì)理念的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為明確功能需求、分類性能標(biāo)準(zhǔn)、建立性能目標(biāo)和檢驗(yàn)性能目標(biāo)等幾部分。

2公路橋梁性能設(shè)計(jì)的根本原則

公路橋梁是社會(huì)交通運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)施之一，其設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和廣大群眾有直接聯(lián)系，所以其在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮社會(huì)因素影響。西方國(guó)家對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求滿足功能性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性的基本原則，這和國(guó)內(nèi)當(dāng)前安全性、功能性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性的原則是相同的，而基于性能設(shè)計(jì)理念的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)手段的拓展，所以該新型設(shè)計(jì)方式也要涵蓋目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則。另外，還應(yīng)將橋梁的使用壽命、后期維護(hù)、實(shí)際建造、可持續(xù)發(fā)展等納入考慮范圍，也就是需要按照安全、功能、經(jīng)濟(jì)、美觀、綠色環(huán)保等原則進(jìn)行建造。伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)今公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已針對(duì)以上原則有一定的補(bǔ)充，提出了“高技術(shù)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、耐久適用”的新原則，同時(shí)在其基礎(chǔ)上結(jié)合橋梁建造的特征制定了有關(guān)規(guī)定，將其安全性能分為三個(gè)級(jí)別，具體如表1所示，其分類原理和性能設(shè)計(jì)目標(biāo)是類似的。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的使用壽命表現(xiàn)為耐久性與經(jīng)濟(jì)性。基于公路橋梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多的特征，應(yīng)恰當(dāng)?shù)叵拗茦蛄赫w和零件的使用候命，同時(shí)還可結(jié)合橋梁歸屬的道路級(jí)別限制其使用壽命。另外，結(jié)構(gòu)適用性是裂縫、易形等情況，在具體設(shè)計(jì)時(shí)以極限狀態(tài)監(jiān)控;美觀環(huán)保要求橋梁的景觀價(jià)值和可持續(xù)發(fā)展，和整體結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。所以，目前的工程制度規(guī)范應(yīng)涵蓋性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本原則，方能推動(dòng)基于性能設(shè)計(jì)理念的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完善。

3公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)是按照功能要求對(duì)結(jié)構(gòu)整體目標(biāo)的細(xì)分，公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建立、保養(yǎng)等應(yīng)在使用壽命中以最經(jīng)濟(jì)適用的手段來(lái)達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn):(1)在實(shí)際建造過(guò)程中，可以解決各突發(fā)狀況，可運(yùn)用各組合方法;(2)在投入使用后，維持預(yù)期的性能效果;(3)在后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，保證一定的耐久適用性;(4)在發(fā)生不可預(yù)估的龍卷風(fēng)、高溫等突發(fā)情況下，結(jié)構(gòu)能維持穩(wěn)定性，降低損壞程度的嚴(yán)重性，避免結(jié)構(gòu)崩塌。據(jù)上述可知公路橋梁的設(shè)計(jì)原則有安全性、適用性、耐久性和維護(hù)性等，按照極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理，與之相應(yīng)的狀態(tài)是負(fù)荷能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)、耐久極限狀態(tài)與維護(hù)極限狀態(tài)。其中，負(fù)荷能力極限狀態(tài)是用于判斷公路橋梁結(jié)構(gòu)安全程度;正常使用極限狀態(tài)是用于判斷實(shí)際使用功能;耐久性極限狀態(tài)是用于檢測(cè)橋梁使用周期;維護(hù)極限狀態(tài)除了判斷突發(fā)情況的破壞程度之外，還用于判斷后續(xù)維修保養(yǎng)得難易性，要結(jié)合各判斷對(duì)象來(lái)決定相應(yīng)的極限狀態(tài)。

4公路橋梁結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

以性能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求建筑工程在各種壓力強(qiáng)度下符合預(yù)期的性能目標(biāo)，也就是在各壓力強(qiáng)度下明確對(duì)應(yīng)性能標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而明確結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。就公路橋梁來(lái)講，性能目標(biāo)的確認(rèn)應(yīng)了解其使用情況、功能需求、經(jīng)濟(jì)美觀性等，要遵循以下兩點(diǎn)原則:(1)客戶和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者共同確認(rèn)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，保證高于標(biāo)準(zhǔn)范圍下限;(2)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的確認(rèn)應(yīng)結(jié)合各性能標(biāo)準(zhǔn)，即最大限度的壓力強(qiáng)度、最高的溫度等。公路橋梁的性能標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)安全系數(shù)、后期維護(hù)、經(jīng)濟(jì)適用水平的檢驗(yàn)指標(biāo)，除了要符合客戶需要，還要考慮社會(huì)因素影響，比如文化程度、經(jīng)濟(jì)水平等。就工程結(jié)構(gòu)荷載而言，公路橋梁的荷載分為自然荷載與社會(huì)荷載兩種，前者是龍卷風(fēng)、高溫等自然災(zāi)害，后者則是汽車負(fù)重、船撞等，和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)。由此可見(jiàn)，負(fù)重標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素來(lái)制定各等級(jí)，而結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)則由客戶與設(shè)計(jì)者共同確認(rèn)。事實(shí)上，性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能符合各社會(huì)要求，客戶按照自身要求提高性能目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確保橋梁設(shè)計(jì)最大限度滿足客戶的特別需求，值得注意的是，不能小于社會(huì)基本標(biāo)準(zhǔn)。在性能目標(biāo)明確的前提下，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)的特征來(lái)設(shè)置對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)檢驗(yàn)指標(biāo)，比如檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)手段，其實(shí)性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)于性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造等，應(yīng)給予相關(guān)技術(shù)工作者與公司以自由選擇理念和方法的權(quán)利。

5結(jié)論

總而言之，基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前基于概率分析的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)就是以性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為原理，各性能都有可測(cè)量指標(biāo)為判斷依據(jù)，也就是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的改善有關(guān)于基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展。因此，基于性能設(shè)計(jì)理念的公路橋梁極限狀態(tài)設(shè)計(jì)已得到充分關(guān)注和有效發(fā)展，而未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵在于量化各結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。針對(duì)基于性能設(shè)計(jì)理念下的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，一方面促進(jìn)結(jié)構(gòu)性能理論體系的完善和橋梁技術(shù)的成熟，另一方面強(qiáng)化國(guó)內(nèi)工程建設(shè)的制度標(biāo)準(zhǔn)，真正推進(jìn)我國(guó)向橋梁強(qiáng)國(guó)的發(fā)展。

作者:吳哲 單位:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

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