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        市政橋梁結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化研究

        2023-01-06 03:04:58袁永相
        城市建設理論研究(電子版) 2022年36期
        關(guān)鍵詞:耐久性市政結(jié)構(gòu)設計

        袁永相

        江西省交通設計研究院有限責任公司 江西 南昌 330022

        隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和人們生活水平不斷提高,對交通出行的要求也越來越高,使我國交通建設面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。市政橋梁作為交通體系中重要的組成部分,已然受到社會各界廣泛關(guān)注。市政道路橋梁項目是一項實施周期長、投資量大、綜合性強、過程復雜、工程龐大的建設項目,其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著人們的出行安全[1]。市政橋梁設計是項目實施過程中重要環(huán)節(jié),而結(jié)構(gòu)設計是市政橋梁設計中關(guān)鍵環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)設計好壞直接關(guān)系到市政橋梁的安全性,因此,做好市政橋梁結(jié)構(gòu)設計顯得尤為重要[2]。市政橋梁結(jié)構(gòu)設計中存在許多亟待解決的問題。本文在以往研究基礎上,結(jié)合市政橋梁結(jié)構(gòu)設計實際情況,分析市政橋梁結(jié)構(gòu)中存在的問題,并提出市政橋梁結(jié)構(gòu)設計遵循的基本原則和設計優(yōu)化策略,為提高我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設計水平提供參考。

        1 市政橋梁結(jié)構(gòu)設計存在問題

        1.1 我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設計現(xiàn)狀分析

        目前我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設計水平不高,在設計過程中會遇到各式各樣的問題,主要體現(xiàn)在以下幾點:

        (1)市政橋梁設計重點關(guān)注經(jīng)濟效益,監(jiān)管不力。首先,在市政橋梁設計中,為了節(jié)約時間成本,壓縮了市政橋梁設計周期,在一定程度上還降低了市政橋梁設計質(zhì)量,不僅導致了市政橋梁設計人員及單位缺少創(chuàng)新優(yōu)化設計的時間,還對其質(zhì)量安全責任意識產(chǎn)生了不利的影響。其次,由于招投標制度還存在一定的缺陷,在市政橋梁項目招投標過程中并沒有完全實現(xiàn)公平公開公正原則[3]。此外,在評獎過程中,更多注意的是市政橋梁項目規(guī)模,很少關(guān)注設計水平,極大影響了市政橋梁設計人員工作的積極性。

        (2)市政橋梁結(jié)構(gòu)設計中忽視了內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。在市政橋梁設計過程中,設計人員往往重點關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)壓力強度,很少考慮橋梁結(jié)構(gòu)體系、材料質(zhì)量強度以及耐久度等等,也很少從項目設計、施工以及維護等全過程方面考慮市政橋梁結(jié)構(gòu)設計問題[4]。這就導致了一些市政橋梁在使用了幾年后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷,給后續(xù)維修帶來了極大的困難,也造成了不小的經(jīng)濟損失。

        (3)市政橋梁設計理論和構(gòu)造體系不完善。目前我國市政橋梁設計理論相對落后,更新速度還較慢,無法與工程項目中新材料、新技術(shù)、新工藝發(fā)展速度相匹配[5]。此外,市政橋梁結(jié)構(gòu)設計首先考慮的是經(jīng)濟合理性和結(jié)構(gòu)的安全性,因此,在市政橋梁構(gòu)造體系上創(chuàng)新還處于嘗試階段。

        1.2 市政橋梁結(jié)構(gòu)設計具體細節(jié)分析

        從現(xiàn)狀分析可以看出我國市政橋梁設計水平相對落后,在實際操作過程中,市政橋梁結(jié)構(gòu)設計在具體細節(jié)方面還存在許多問題,以下主要從構(gòu)造設計、結(jié)構(gòu)耐久性、結(jié)構(gòu)疲勞損傷、結(jié)構(gòu)超載以及結(jié)構(gòu)抗震等方面展開分析,具體如下:

        在市政橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造設計方面,首先是伸縮縫設置問題,伸縮縫一般設計為普通橡膠支座,橡膠支座耐久性較弱,當長期受到汽車荷載時容易發(fā)生變形和損壞,降低了市政橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[6],如圖1所示。同時,在伸縮縫位置所埋設空心梁數(shù)量不夠,并且樁基主筋保護層與建筑規(guī)范不一致,這都會對市政橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造設計產(chǎn)生不良的影響。此外,一般不會考慮汽車超載的情況,然而在現(xiàn)實中,汽車超載是一種普遍現(xiàn)象,并且橋面一般不會設計成一個整體的鋼筋網(wǎng),這都進一步降低了市政橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

        圖1 市政橋梁伸縮縫問題

        在市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計方面,市政橋梁設計人員側(cè)重于結(jié)構(gòu)安全計算,容易忽視市政橋梁總體構(gòu)造和細節(jié)處理。市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久度受到多種因素影響,例如市政橋梁在建造和使用時,主體結(jié)構(gòu)長期暴露在外部環(huán)境中,容易受到空氣、水、有害化學物質(zhì)的影響[7],如圖2所示。同時,市政橋梁結(jié)構(gòu)不僅承受自己重力荷載,還受到不同車輛、地震、水流沖擊等動荷載影響,這些因素都大大降低了市政橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。此外,市政橋梁的拉鎖問題也是結(jié)構(gòu)耐久性設計中需要考慮的重點。許多市政橋梁拉鎖未到使用期就需要進行更換,不僅影響市政橋梁的使用,還造成了不小的維護費用。

        圖2 橋梁主體結(jié)構(gòu)損傷

        在市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷設計方面,車輛荷載、水流沖擊荷載和風荷載是市政橋梁造成結(jié)構(gòu)疲勞損傷的重要因素。市政橋梁結(jié)構(gòu)通常需要受到上述動荷載的影響,他們并不是一次性的,而是在市政橋梁內(nèi)部形成一種循環(huán)變化的應力,這些應力對市政橋梁結(jié)構(gòu)造成了持續(xù)震動。由于市政橋梁結(jié)構(gòu)材料并不是均勻和連續(xù)的,受到這些持續(xù)震動影響,市政橋梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生嚴重的疲勞損傷,如不能及時發(fā)現(xiàn)仍其發(fā)展有可能造成嚴重的安全事故和災難性后果[8]。結(jié)構(gòu)疲勞損傷被認為是市政橋梁設計中最重要的問題之一,也是被市政橋梁設計人員容易忽視的問題。

        在市政橋梁結(jié)構(gòu)超載設計方面,超載是市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷的主要原因。市政橋梁結(jié)構(gòu)設計中,很少考慮超載問題。一般情況下,市政橋梁結(jié)構(gòu)超載分為三種。其一是由于使用時間較長導致的結(jié)構(gòu)老化造成的。在這種超齡負載情況直接影響市政橋梁結(jié)構(gòu)使用時間。其二是車流量嚴重超標。在現(xiàn)實情況下,一些路段車流量大,并且持續(xù)時間長,嚴重超過設計流量。這種情況極大影響市政橋梁結(jié)構(gòu)壽命。其三是車輛違規(guī)超載,超載車輛產(chǎn)生超大的動力荷載,嚴重影響市政橋梁結(jié)構(gòu)使用時間。前兩種超載現(xiàn)象的產(chǎn)生其原因在于市政橋梁結(jié)構(gòu)設計荷載與日益增加的交通需求量之間不匹配,后者則是因為汽車駕駛員的違規(guī)行為。市政橋梁結(jié)構(gòu)超載極易造成結(jié)構(gòu)疲勞問題,隨著疲勞程度的不斷增加和損失加劇,有可能造成嚴重的結(jié)構(gòu)破壞事故。相比之下,后兩種結(jié)構(gòu)超載情況較為普遍。

        在市政橋梁結(jié)構(gòu)抗震設計方面,震動影響是市政橋梁結(jié)構(gòu)設計中需要注意的重點之一。在市政橋梁抗震設計中,不僅需要按所在地區(qū)抗震規(guī)范要求進行設計,還需要在結(jié)構(gòu)設計方面盡可能加強結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性,使其成為一個整體,從而加強市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。例如,提高墩臺和基礎結(jié)構(gòu)上的整體性,加大結(jié)構(gòu)部位的配筋數(shù)量,提高市政橋梁結(jié)構(gòu)的延展性等等。對于一些不良地質(zhì)情況的地區(qū),一般根據(jù)實際情況設計必要的加固措施。對于梁式橋結(jié)構(gòu)設計,在墩臺上方還需要設置縱橫交錯、聯(lián)結(jié)緊密的擋塊,防止落梁。此外,對于一些非常重要的市政橋梁工程,在設計時還需設計必要的減震裝置,例如橡膠墊款和消能支座等。

        2 市政橋梁結(jié)構(gòu)設計遵循原則

        現(xiàn)階段市政橋梁結(jié)構(gòu)設計應考慮實現(xiàn)橋梁模塊化、精細化以及結(jié)構(gòu)化[9]。橋梁結(jié)構(gòu)設計方法逐步完善和精準,使市政橋梁總體結(jié)構(gòu)設計更加科學。橋梁結(jié)構(gòu)設計需遵循以下原則。

        (1)科學性原則。市政橋梁結(jié)構(gòu)設計首先要遵循科學規(guī)律。在市政橋梁設計過程中,結(jié)構(gòu)設計合理性是市政橋梁實施建造的重要保障,只有對市政橋梁結(jié)構(gòu)設計進行科學、合理的規(guī)劃、才能保障工程質(zhì)量和安全。市政橋梁結(jié)構(gòu)設計人員實踐過程中,必須保證是市政橋梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,這也是開展結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的前提條件。因此,市政橋梁結(jié)構(gòu)設計人員應首選遵循科學性原則,保證市政橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性符合規(guī)范要求,再按照現(xiàn)有科學規(guī)則進行結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化。

        (2)簡約化原則。簡約化是在保證市政橋梁整體結(jié)構(gòu)安全的前提下盡量簡化不必要的設計內(nèi)容。在不影響市政橋梁整體質(zhì)量安全的前提下,中應盡可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計。這有利于市政橋梁工程項目實施方案制定和實施。同時,簡化市政橋梁結(jié)構(gòu)設計可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)張力、荷載等承載力的有效傳遞,提升市政橋梁構(gòu)件結(jié)構(gòu)的強度。此外,隨著市政橋梁結(jié)構(gòu)簡化,可以減少項目實施過程中建材用量,有助于降低市政橋梁工程項目成本。

        (3)整體性原則。整體性原則是指在市政橋梁結(jié)構(gòu)設計過程中考慮后續(xù)項目實施,包括施工階段和運維階段,以最低資源消耗實現(xiàn)項目目標。市政橋梁設計與施工一體化為后續(xù)施工提供了良好的基礎。此外,設計人員進行市政橋梁結(jié)構(gòu)設計時,應從整體上考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而提高市政橋梁結(jié)構(gòu)實施可行性。這樣既不回損害橋梁的整體施工質(zhì)量和程序,還可以在一定程度上降低項目實施成本。

        (4)綜合性原則。市政橋梁結(jié)構(gòu)設計中需要綜合考慮建筑材料使用和結(jié)構(gòu)形式。建筑原材料性能不同,形成的市政道路和橋梁結(jié)構(gòu)各方面性能也不同,通過對其應用的綜合考慮,可以選擇更加合適的材料運用到實際工程中,從而提高市政橋梁結(jié)構(gòu)的合理性。此外,應根據(jù)外部環(huán)境和實際情況,選擇合適的市政橋梁結(jié)構(gòu)形式,從而為提高市政橋梁整體建造質(zhì)量提供保障。

        3 市政橋梁結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化策略

        通過市政橋梁結(jié)構(gòu)設計存在問題分析和遵循原則闡述,結(jié)合實際情況,從以下幾個方面提出市政橋梁結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化策略。

        3.1 加強市政橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性設計

        在市政橋梁結(jié)構(gòu)安全性設計方面,首先需要做好項目前期調(diào)查工作,根據(jù)項目周邊環(huán)境以及設置的基本功能,選擇合適的市政橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)[10]。其次,在設計文件中明確各類材料的標準,例如混凝土、鋼筋及構(gòu)建型號等。然后,在形成最終設計方案前,應對各項安全評估方案進行檢驗。

        在市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計方面,應選擇合適的建筑原材料。首先,水泥影響市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要材料,其對混凝土強度和穩(wěn)定性具有重要影響。在市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計中,應根據(jù)地區(qū)環(huán)境、溫度、水文地質(zhì)等實際情況選用合適的水泥材料。其次,在混凝土攪拌過程中,應結(jié)合實際情況選擇合適的外添加劑,減緩混凝土材料碳化速率。最后,水灰比的控制是提高市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要途徑。應根據(jù)市政橋梁項目實施要求,選擇合適水灰比的混凝土。

        3.2 優(yōu)化市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷狀態(tài)

        市政橋梁長期受到車輛荷載、風荷載、水流沖擊等動荷載和自身重力影響,疲勞性應力在市政橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷循環(huán)和積累,最終導致了市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷,這種疲勞損傷是不可避免的,只能通過優(yōu)化市政橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)。因此,在市政橋梁結(jié)構(gòu)設計中,設計人員可以對橋梁結(jié)構(gòu)材料的均勻度上做出一定的要求,最大限度的保障內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時,由于市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞早期難以被監(jiān)測和判斷,因此,無論在市政橋梁工程項目建造,還是在使用過程中都應加強對市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測,為設計人員優(yōu)化市政橋梁結(jié)構(gòu)設計方案提供準確的依據(jù)。

        3.3 合理設計市政橋梁結(jié)構(gòu)抗荷載能力

        隨著運輸物流的需求增加,對運輸能力要求越來越高,運輸工具和運輸量也隨之增加,這都要求市政橋梁結(jié)構(gòu)具有更高的承載力。同時,大型運輸車隊的通行給市政橋梁帶來了極大的震動強度,給市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力提出了新的要求[11]。市政橋梁設計必須重視其結(jié)構(gòu)負荷承載力和穩(wěn)定性。在市政橋梁結(jié)構(gòu)承載力設計時,首先設計人員應在市政橋梁關(guān)鍵部位設置減震裝置,例如粘滯阻尼器,它是利用氣彈性部件降低橋梁震動動能,減小大型運輸車輛對市政橋梁結(jié)構(gòu)帶來的疲勞損害。同時還可以設置鉛芯橡膠支座,將力學性能好的支座與橡膠相結(jié)合,減小支座自身硬性撞擊,從而提升市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗荷載能力。此外,在設計橋梁結(jié)構(gòu)時,設計人員可以采取縱橫交錯的市政橋梁結(jié)構(gòu),優(yōu)化橋梁連接公路的接口,以此保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

        4 結(jié)語

        市政橋梁結(jié)構(gòu)設計是項目順利實施和運維的重要保障。本文分析了市政橋梁結(jié)構(gòu)設計中存在的問題,在總結(jié)以往研究基礎上歸納了市政橋梁結(jié)構(gòu)設計應遵循的基本原則,基于此,提出了市政橋梁結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化策略,為我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設計水平提高提供參考。

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