1、解析桥梁结构的安全性设计摘要：桥梁结构安全性不足的后果是非常严重的，不容忽视，引起混凝土结构安全性不足的原因存在于环境影响、结构设计、施工及维护等各个环节。桥梁结构安全性可以通过桥梁结构设计来得到加强。本文根据笔者工作经验对桥梁设计中的注意事项、桥梁结构设计的研究方向及桥梁耐久性监控监测设计进行了探讨。 关键词：桥梁 结构 安全性设计 中图分类号：U445 文献标识码：A 正文： 1 桥梁设计中的注意事项 1.1 重视结构的耐久性问题 国内的设计人员经过多年的理论研究和工程实践， 在结构设计方面取得了一定的成果。 但这些研究更多的是从材料和统计分析的角度出发，忽略了结构设计的改善对提高耐久性的
2、作用。 在实际工程中， 由于受到环境等因素影响， 耐久性已成为桥梁设计中需要重点考虑的问题， 并且耐久性也时常因为施工工程中操作不当而降低。 长期以来， 设计人员更加重视计算方法的研究， 却忽视了从结构构造的细节上加以改善。常规的设计是一蹴而就地解决强度问题， 但耐久性设计涉及到时间因素， 需要动态地考虑， 本质上与常规设计大相径庭。 耐久性问题关系到桥梁的长久使用和后期维护， 需要引起足够的重视。 耐久性问题虽然在短时间内无法观察到， 但它是存在的，若等到问题出现后再补救， 则比较困难。 因此桥梁结构的耐久性设计对桥梁的长期安全和使用寿命具有重大的意义。 1.2 重视桥梁的疲劳损伤问题 桥梁
3、结构由于其用途和工作场所的不同， 主要承受车辆荷载和风荷载， 这两种荷载都是动荷载。在动荷载作用下桥梁结构内部会产生循环应力， 这会使结构在循环反复的振动中不断积累疲劳损伤。桥梁结构在施工工程中由于各种因素的影响而无法做到内部材料的均匀和连续， 这其中隐藏着许多微小的缺陷。 这些小缺陷在动荷载作用下会不断发展成为大的损伤， 当损伤积累到一定程度时会产生肉眼可视的裂纹。 随着裂纹的产生， 很有可能在未来某个时间突然灾难性地发生结构的脆性断裂， 其后果非常严重。 因此为了避免灾难的发生， 要提前做好疲劳损伤的防治工作， 对疲劳损伤的研究要给予足够的重视， 防患于未然。 1.3 重视桥梁的超载问题
4、桥梁的结构设计通常都是在符合正常使用要求的基础上进行的， 但在桥梁的实际运营中， 桥梁荷载并非都是在设计的允许范围内。 因此选取桥梁荷载时， 应考虑超载的防治措施。 超载会使动荷载应力幅值增大， 从而加剧损伤的产生和发展。 由于超载造成的损伤超出正常设计要求， 因而损伤的产生即使在超载消失后仍然无法恢复。 更严重的是超载的突然出现可能会破坏桥梁的结构， 引发严重的事故。 超载会危害到桥梁结构的安全性和耐久性，因此需要加强对桥梁超载问题的研究。 预测重型车辆。在进行桥梁设计时,应对桥梁运行过程中可能存在的特种荷载进行详细调查和准确预测。比较仔细地调查相关的该桥梁使用期间可能出现的特种车辆荷载,预
5、防出现荷载效应大于桥梁承载力的状况而导致桥梁坍塌。 设计的标准统一。在进行桥梁设计时,主桥与匝道,主要线路与其延伸段上的各桥梁等设计标准必须统一,防止出现同一车辆在不同道路的桥梁上因荷载效应的不同,而存在分歧,给交通管理部门带来管理的困难。 设计结构合理。在进行桥梁设计时,注意结构选型,尽量避免采用独柱墩,并且必须与实际运行的情况相一致,特别是应注意超重车辆处于外侧时,结构的抗倾覆稳定等验算。 1.4 重视桥梁结构的抗震性能 桥梁结构经常应用在地震区， 地震作用会对桥梁产生损坏， 并且桥梁结构设计中已经考虑到了动荷载的作用， 因此可以在巩固动荷载措施的基础上， 考虑桥梁结构的抗震性能， 将两者
6、合二为一。对桥梁结构的抗震性能要求非常严格， 必须保证桥梁的施工质量， 任何细节方面的疏忽都可能成为隐患， 比如： 要在改进操作工艺的基础上加强结构内部材料的整体连续性； 要加强桥梁支座的锚固， 并且墩台和基础结构的连接强度要有所提高； 通过合理增加配筋， 使结构有更好的延性； 如果桥梁结构基础中存在着不良土层时，必须采取措施替换或者加强； 当桥梁结构中存在对抗震不利的薄弱环节时， 需要采取结构构造措施进行处理。 桥梁结构设计中考虑抗震性能， 不仅能使桥梁的动荷载抵抗能力有所加强， 而且面对地震灾害时具备一定的防护作用。 抗震设计仅仅是整个设计过程中的一部分。主要功能要求是使桥梁满足一些交通或
7、物流形式。对于上部结构控制荷载常常是自重而对于受到大地震作用的桥梁下部结构的设计,包括墩柱、盖梁和桩.会受到地震的侧向力和位移控制。地震设计不能离开整个设计过程孤立地看。它包括选择设计地震、概念设计、建模与分析、设计细节、设计验算(再分析)、隔震等。 利用约束混凝土提高墩柱延性。在桥梁设计中,结构的延性通常是由墩柱塑性铰提供的,这些构件中的轴向力在相当低的位移延性水平下使混凝土表层剥落。数量足够的、合理锚固的横向钢筋能约束核心受压混凝土阻止纵向受压钢筋可能出现的屈曲。与纵向钢筋一起,紧密布置的横向钢筋能阻止混凝土的侧向膨胀，侧向膨胀直接引发混凝土的压碎能维持核心混凝土的完整;能提高混凝土的极限
8、压应力。最重要的是.混凝土的受压区能在压碎以前产生较普通混凝土大得多的应变。 为增强结构的抗震能力，人为增加其震动周期和耗能能力是一种极有吸引力的方法。为达到这一目的，可以利用土一基础一结构的固有特性或通过设计一些特殊构件，以使结构的某些部分隔离地震的最强响应区并耗散巨大的能量。这些构件通常称为隔震器、减震器或隔震耗能装置。桥梁减隔震系统要满足的基本功能:有一定的柔度(柔性支承)支座采用较大的厚度.桥墩与上部梁间可设销子当地震时剪断过后在修复。考虑桥梁刚度分配的适当修正是一种较为简便的方法。刚度较大的桥墩应适当增加柔度,以免延性要求过分集中.我们可以使用减隔震装置来修改和调整结构的预期反应。桥
9、梁结构也经常具有较大的固有周期，减隔震装置的加入对结构的最大位移或许没有影响，但它也保证了对某些结构构件的设防水准和较大的能量耗散能力。 1.5 重视环境保护和可持续发展 桥梁结构通常会在一定程度上对周边环境造成破坏， 包括水、 空气、 植被、 地形地貌等。 随着文明的发展， 人们对环境越来越重视，因此在桥梁结构设计中要重视环境保护和可持续发展。 设计中应对桥梁位置的选择、 桥梁跨度、 基础选型、 施工方法等多因素做全方位考虑， 追求对环境破坏的最小化。 施工过程中尽量减少对植被的破坏， 避免水土流失， 做好防污染处理等， 采取各种可行的措施最大程度地保护好环境， 并将可持续发展理念应用到桥梁
10、结构设计和施工中。 2.桥梁结构设计的研究方向 2.1 结构系统的可靠度分析 许多学者基于不同的研究理论从不同角度对结构可靠度进行了分析，取得了一定的成果。 同时，一些学者还研究了系统可靠度界定的方法。总之，桥梁结构可靠度是一个复杂的课题， 其中蕴含了丰富的内容， 其研究具有一定的难度， 需要专家学者不断努力探索。 2.2 人为差错的分析 桥梁结构中出现的很多问题是设计和施工过程中参与人员专业知识或者经验不足产生的人为差错所导致的， 有许多工程失败的案例都是如此。 关于人为差错的分析研究目前已经成为了研究重点。 2.3 在役结构的可靠度评估与维修决策问题 在役结构的可靠度评估与维修决策问题涉及
11、的学科范围广， 包括结构力学、 断裂力学、 工程地质学等基础理论学科。 在这些理论的基础上， 这一问题的研究更关系到施工工艺、 检验手段、 建筑物的后期维护状况等因素。 2.4 模糊随机可靠度的研究 随着对模糊数学研究的不断深入， 工程结构模糊随机可靠度理论得到了不断的发展和完善。 科学、 先进的理论基础将对结构设计起到推动作用。 3.桥梁耐久性监控监测设计 桥梁耐久性监控监测设计对桥梁的安全、耐久的使用具有重要的意义。从过去的静态设计逐步过渡到研究建造、使用和维修等过程的动态设计。而随着现代化的传感技术、测试技术、计算机技术、现代网络通讯通信技术的发展，对桥梁工程的耐久性监控监测也逐步成为可
12、能和现实。 桥梁耐久性自动化监控监测系统，是针对桥梁的振动位移、速度、加速度、应力、应变、频率、振型、阻尼、裂缝、强度、刚度等技术参数进行采集、处理，所采集的数据经过处理后，计算出位移、振动幅度、裂缝、应力等桥梁耐久性数据，既可以为桥梁的在线分析提供决策依据，也可以提交给有关的桥梁结构耐久性软件做进一步的分析处理，从而及时掌握桥梁的即时结构状态，全面了解桥梁的运营条件及质量退化状况，为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提供依据，为监测对象提供早期安全预警报告。 整个耐久性监控监测系统包括四个系统，即：传感器系统；数据采集系统；数据通信与传输系统；数据分析和处理系统。各系统间通过光
13、纤网络联系而进行运作。传感器系统：根据对桥梁整体结构的分析，对整个桥梁进行传感器布置，目前，常用的传感仪器有：风速仪、温度传感器、位移计、水平仪、倾角仪、应变计、测力传感器、加速度传感器等。数据采集系统：包括安装在桥梁内的数个由微电脑控制的数据采集站。每个采集站是基于 PC 的数据采集和分站。主要功能是收集由传感器传来的数据；进行读数的信号调理、采集数据的初步处理和储存；然后通过光缆传到监测中心的数据处理和分析系统。数据通信与传输系统：网络操作系统平台、站点的设立、安全监测局域网的网络协议、与其他局域网或主干网的连接。数据处理和分析系统：用高性能工作站连接桥上数台数据采集站形成一个计算机网络。
14、工作站安装在大桥监控管理中心，并配置所需的数据显示软件。工作站分别实现采集数据处理、结构监测图形显示、系统控制管理与维护、结构分析评估及专家诊断。桥梁耐久性监控监测设计的主要目的有以下几个方面：（1）报告桥梁实际工作状况，为结构维护提供依据；（2）报告桥梁是否有损坏并设立报警系统；（3）对桥梁是否有潜在损坏及剩余使用寿命、耐久性进行评估； 4 结语 随着交通建设的快速发展， 桥梁建设项目日益增多， 研究桥梁结构的合理设计具有重要意义。 鉴于此， 笔者结合近年来从事桥梁工程设计工作的实践经验， 对当前桥梁设计过程中常见的重点、 难点问题进行了分析， 旨在为同行提供参考。 参考文献 1 王 治军. 浅议桥梁设计中需要注意的几个关键问题J. 东北公路， 2010， （15）： 118-119 2 王景成. 浅谈在道路桥梁设计运用中常出现的问题J. 科技创新导报， 2011， （1）： 31-32. 3 张青. 桥梁设计中常见问题及其对策研究J. 建筑设计管理， 2011， （9）： 11-15
