公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究論文
摘要:公路橋梁是一個國家交通運輸?shù)闹饕问街唬瑢医?jīng)濟發(fā)展、社會進步有重要作用，橋梁的規(guī)模水平彰顯國家經(jīng)濟基礎(chǔ)和技術(shù)能力�；诖�，本文先提出基于性能設(shè)計理念下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準框架，再指出橋梁性能設(shè)計的根本原則，并從幾方面對公路橋梁的結(jié)構(gòu)性能展開分析，最后給出了相對應的性能目標，希望對未來公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:公路橋梁;性能設(shè)計理念;框架;原則;性能標準
公路橋梁是一個國家交通運輸?shù)闹饕绞街唬欣诮?jīng)濟發(fā)展和社會進步，而其規(guī)模水平彰顯出國家經(jīng)濟基礎(chǔ)和技術(shù)能力。自1990年代初至今，關(guān)于國內(nèi)公路橋梁的建造發(fā)展迅猛，公路橋梁總數(shù)達67萬架，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)計和建造，涉及多門學科，其發(fā)展水平依賴于橋梁技術(shù)的進步。工程技術(shù)制度標準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。就力學方面而言，公路橋梁架構(gòu)設(shè)計手段由應力允許設(shè)計→磨損階段設(shè)計→極限設(shè)計的發(fā)展，設(shè)計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)驗判斷。最近幾年以來，一些經(jīng)濟發(fā)達國家逐步展開對基于性能設(shè)計理念下的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究，來強化交通設(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)計理念下公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準框架
以性能設(shè)計為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是以性能目標為依據(jù)，盡量達到該目標的設(shè)計總和，也就是基于設(shè)計制度規(guī)范、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、合適的規(guī)劃，來確保工程各細節(jié)設(shè)計，監(jiān)控工程質(zhì)量與后續(xù)維護，保障工程結(jié)構(gòu)在某段使用時間內(nèi)受到外部壓力時，磨損程度低于某個極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)功能高于標準范圍下限，同時還要具備可修護至性能目標的功能。性能設(shè)計要考慮使用壽命內(nèi)各結(jié)構(gòu)的性能標準，同時要求客戶和設(shè)計者全面掌握，進而選擇各設(shè)計、施工、維護手段來保證實現(xiàn)預期性能目標。因此，所謂的性能設(shè)計理念是指所設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)在壽命內(nèi)、在各外部壓力情況下，能始終保持預期的性能目標，具體可表示為以下幾點:(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)功能與客戶需求來明確性能標準，也就是所謂的性能目標構(gòu)建(盡管各需求差異較大，然而需要大于社會或行業(yè)的基本標準);(2)選擇一定的設(shè)計、施工、維護手段來調(diào)節(jié)性能目標;(3)判斷考核各性能指標，確保設(shè)計的結(jié)構(gòu)能符合所有的性能目標。以性能設(shè)計為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了保障社會人身安全之外，還需考慮后期磨損引起的成本費用，需最大限度地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的預期性能目標，即使用壽命的標準需求，這些是性能結(jié)構(gòu)設(shè)計最近幾年迅猛發(fā)展的關(guān)鍵所在。所以，該結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需要整個設(shè)計過程基于使用功能的實現(xiàn)，并非采取傳統(tǒng)設(shè)計、建造模式，其是性能結(jié)構(gòu)設(shè)計區(qū)別于其他傳統(tǒng)設(shè)計的獨有特點�；谛阅茉O(shè)計理念的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準框架見下圖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)計社會層面的目標，也就是性能設(shè)計的根本目的;第二層“性能要求”是工程的實際功能需求，也就是按照功能對根本目標進行細分;第三層“性能水準”是功能實現(xiàn)的檢驗原則和檢驗標準，有明顯的強制性;最后一層“驗證方法”是功能實現(xiàn)檢驗手段。其中符合性能標準的手段被稱作實現(xiàn)手段，其不受強制約束，伴隨科技的發(fā)展成熟，肯定相關(guān)技術(shù)人員充分有效地運用新成果。除此之外，以性能設(shè)計理念為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計還涉及多個問題，比如盡管提高了設(shè)計的開放自由性，然而極會導致設(shè)計人員難以應對突發(fā)情況，尚未建立系統(tǒng)的評價體系，工程完工程度受設(shè)計者水平高低的影響明顯，所以難以檢驗性能設(shè)計的有效性。所以需要建立一定的檢驗手段體系�？偠灾�，基于性能設(shè)計理念的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計可分為明確功能需求、分類性能標準、建立性能目標和檢驗性能目標等幾部分。
2公路橋梁性能設(shè)計的根本原則
公路橋梁是社會交通運輸?shù)闹匾O(shè)施之一，其設(shè)計、施工、維護和廣大群眾有直接聯(lián)系，所以其在設(shè)計時就要考慮社會因素影響。西方國家對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要求滿足功能性、經(jīng)濟性、美觀性的基本原則，這和國內(nèi)當前安全性、功能性、經(jīng)濟性、美觀性的原則是相同的，而基于性能設(shè)計理念的結(jié)構(gòu)設(shè)計是對當前設(shè)計手段的拓展，所以該新型設(shè)計方式也要涵蓋目前的設(shè)計標準和設(shè)計原則。另外，還應將橋梁的使用壽命、后期維護、實際建造、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、美觀、綠色環(huán)保等原則進行建造。伴隨經(jīng)濟社會的發(fā)展，現(xiàn)今公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計已針對以上原則有一定的補充，提出了“高技術(shù)、安全可靠、經(jīng)濟合理、耐久適用”的新原則，同時在其基礎(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級別，具體如表1所示，其分類原理和性能設(shè)計目標是類似的`。在具體設(shè)計時，結(jié)構(gòu)的使用壽命表現(xiàn)為耐久性與經(jīng)濟性�；诠窐蛄旱慕Y(jié)構(gòu)復雜、種類繁多的特征，應恰當?shù)叵拗茦蛄赫w和零件的使用候命，同時還可結(jié)合橋梁歸屬的道路級別限制其使用壽命。另外，結(jié)構(gòu)適用性是裂縫、易形等情況，在具體設(shè)計時以極限狀態(tài)監(jiān)控;美觀環(huán)保要求橋梁的景觀價值和可持續(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)范應涵蓋性能結(jié)構(gòu)設(shè)計的根本原則，方能推動基于性能設(shè)計理念的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的完善。
3公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能標準
結(jié)構(gòu)性能標準是按照功能要求對結(jié)構(gòu)整體目標的細分，公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建立、保養(yǎng)等應在使用壽命中以最經(jīng)濟適用的手段來達到性能標準:(1)在實際建造過程中，可以解決各突發(fā)狀況，可運用各組合方法;(2)在投入使用后，維持預期的性能效果;(3)在后續(xù)維護保養(yǎng)時，保證一定的耐久適用性;(4)在發(fā)生不可預估的龍卷風、高溫等突發(fā)情況下，結(jié)構(gòu)能維持穩(wěn)定性，降低損壞程度的嚴重性，避免結(jié)構(gòu)崩塌。據(jù)上述可知公路橋梁的設(shè)計原則有安全性、適用性、耐久性和維護性等，按照極限狀態(tài)設(shè)計原理，與之相應的狀態(tài)是負荷能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)、耐久極限狀態(tài)與維護極限狀態(tài)。其中，負荷能力極限狀態(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)是用于判斷實際使用功能;耐久性極限狀態(tài)是用于檢測橋梁使用周期;維護極限狀態(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)合各判斷對象來決定相應的極限狀態(tài)。
4公路橋梁結(jié)構(gòu)性能目標
以性能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求建筑工程在各種壓力強度下符合預期的性能目標，也就是在各壓力強度下明確對應性能標準，進而明確結(jié)構(gòu)性能目標。就公路橋梁來講，性能目標的確認應了解其使用情況、功能需求、經(jīng)濟美觀性等，要遵循以下兩點原則:(1)客戶和結(jié)構(gòu)設(shè)計者共同確認結(jié)構(gòu)性能目標，保證高于標準范圍下限;(2)結(jié)構(gòu)性能指標的確認應結(jié)合各性能標準，即最大限度的壓力強度、最高的溫度等。公路橋梁的性能標準是結(jié)構(gòu)安全系數(shù)、后期維護、經(jīng)濟適用水平的檢驗指標，除了要符合客戶需要，還要考慮社會因素影響，比如文化程度、經(jīng)濟水平等。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荷載兩種，前者是龍卷風、高溫等自然災害，后者則是汽車負重、船撞等，和社會發(fā)展密切相關(guān)。由此可見，負重標準應基于社會經(jīng)濟因素來制定各等級，而結(jié)構(gòu)性能目標則由客戶與設(shè)計者共同確認。事實上，性能結(jié)構(gòu)設(shè)計能符合各社會要求，客戶按照自身要求提高性能目標標準，進而確保橋梁設(shè)計最大限度滿足客戶的特別需求，值得注意的是，不能小于社會基本標準。在性能目標明確的前提下，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)的特征來設(shè)置對應的評價檢驗指標，比如檢驗標準、檢驗手段，其實性能結(jié)構(gòu)設(shè)計的未來發(fā)展趨勢。關(guān)于性能目標的實現(xiàn)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計建造等，應給予相關(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)計是未來的發(fā)展趨勢。目前基于概率分析的極限狀態(tài)設(shè)計就是以性能結(jié)構(gòu)設(shè)計為原理，各性能都有可測量指標為判斷依據(jù)，也就是極限狀態(tài)設(shè)計的改善有關(guān)于基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展。因此，基于性能設(shè)計理念的公路橋梁極限狀態(tài)設(shè)計已得到充分關(guān)注和有效發(fā)展，而未來發(fā)展的關(guān)鍵在于量化各結(jié)構(gòu)性能指標。針對基于性能設(shè)計理念下的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究，一方面促進結(jié)構(gòu)性能理論體系的完善和橋梁技術(shù)的成熟，另一方面強化國內(nèi)工程建設(shè)的制度標準，真正推進我國向橋梁強國的發(fā)展。
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