楊勇、李航

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路交通量不斷增加。在交通運輸中，橋梁是重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。然而，在運營過程中由于汽車重載及頻繁加減速和制動、極端氣候等因素的影響，很多橋梁上下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的破壞，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)安全性和舒適性降低。因此，對存在潛在風(fēng)險的橋梁及時進(jìn)行檢測與維護(hù)尤為必要。該研究以某高速公路一座跨越深溝河谷的連續(xù)剛構(gòu)橋為例，通過現(xiàn)場調(diào)查、荷載試驗、數(shù)值模擬分析等手段，深入研究該類型橋梁的病害機(jī)理及其處置方法，提出相應(yīng)的加固方案，旨在提高此類橋梁的整體安全性和使用壽命。

1 橋梁設(shè)計隱患問題

1.1 橋梁設(shè)計隱患的定義

橋梁設(shè)計隱患通常包括以下幾個方面：一是結(jié)構(gòu)性病害，如裂縫、變形等；二是功能性病害，如缺損、失效等；三是材料性病害，如腐蝕、老化等。不同類型的病害產(chǎn)生的原因也不盡相同，需要具體情況具體分析。例如，混凝土碳化、鋼筋銹蝕等都屬于結(jié)構(gòu)性病害，而橋面鋪裝開裂、坑槽等則屬于功能性病害。針對以上不同類型的橋梁設(shè)計隱患，應(yīng)采用合適的檢測方法和評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面細(xì)致的檢查和評定，以便及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全風(fēng)險。同時，還需結(jié)合實際情況制訂出切實可行的防治方案和應(yīng)急預(yù)案，提高橋梁工程的整體安全性和可靠性[1]。

1.2 橋梁設(shè)計隱患的類型

1.2.1 結(jié)構(gòu)性缺陷。主要包括混凝土強度不足、鋼筋配置不合理等方面，這些都會導(dǎo)致梁體受力不均勻，從而出現(xiàn)裂縫和變形現(xiàn)象。

1.2.2 材料質(zhì)量不合格。在橋梁工程中，所使用的各類材料必須具備一定的強度和剛度才能保證其安全性能。但是個別企業(yè)為了追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，非法采用劣質(zhì)材料或者以次充好，這給整個橋梁工程帶來極大的安全隱患。

1.2.3 施工工藝不當(dāng)。部分施工單位專業(yè)技術(shù)水平不足，責(zé)任心不強，不能嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，例如未能正確設(shè)置預(yù)拱度、張拉時間過早等，這樣不僅會影響橋梁的正常使用功能，還會留下嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。

1.2.4 運營管理不到位。由于橋梁長期承受車輛荷載以及受到氣候變化等因素的影響，容易出現(xiàn)各種病害和損傷。而如果橋梁維護(hù)保養(yǎng)不及時、不完善，甚至存在超重車通過、人為破壞等違規(guī)行為，將會進(jìn)一步加劇橋梁的損壞程度，形成惡性循環(huán)[2]。

1.3 優(yōu)化橋梁設(shè)計的方法

1.3.1 均勻化方法

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了使結(jié)構(gòu)具有較高的安全性和穩(wěn)定性，需要采用一些科學(xué)合理的計算方法來對其受力情況進(jìn)行全面細(xì)致的分析。其中，最常用的一種計算方法就是均勻化方法。該方法主要通過將結(jié)構(gòu)中各個部位所承受的荷載進(jìn)行均分，從而有效避免出現(xiàn)局部應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象，進(jìn)而提高整個結(jié)構(gòu)的承載能力和抗裂性能。

1.3.2 變厚度法

在進(jìn)行梁體計算時，一般采用等截面梁模型。但是由于實際工程中存在很多不確定因素，比如混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失以及支座沉降等，這些都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和應(yīng)力重分布，因此需要考慮變截面梁模型以更加真實地反映結(jié)構(gòu)受力情況[3]。

1.3.3 ESO 方法

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(ESO)的概念(Evolutionary Structural Optimiza-tion)，（其模型如圖1 所示）。該理論是一種全新的抗震設(shè)計理念和方法，其核心思想是通過對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的控制來提高結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。但是，由于我國目前還沒有形成一套完整、成熟的ESO 體系，在具體應(yīng)用過程中還存在一些困難和不足。因此，有必要加強相關(guān)技術(shù)研究和規(guī)范制定，推動ESO 方法與我國橋梁工程實踐相結(jié)合，不斷提升我國橋梁工程的抗震安全性能。

圖1 ESO 方法模型

2 橋梁設(shè)計隱患問題的排查措施

2.1 建立健全設(shè)計管理制度

在進(jìn)行橋梁工程設(shè)計時，需要有一套完整、規(guī)范的設(shè)計管理體系來保證其順利實施。首先要制訂科學(xué)合理的設(shè)計方案和進(jìn)度計劃，明確各個階段的工作目標(biāo)與任務(wù)；同時還應(yīng)加強對施工過程中各類數(shù)據(jù)信息的收集整理，及時發(fā)現(xiàn)并處理各種突發(fā)狀況，確保整個項目能夠按照預(yù)期的時間節(jié)點完成。其次，為了增強設(shè)計人員的責(zé)任意識和質(zhì)量意識，可以通過定期組織培訓(xùn)或考核等方式來提高他們的專業(yè)技能水平，進(jìn)而提升整體設(shè)計水平。最后，在設(shè)計管理制度建設(shè)方面，也應(yīng)充分考慮不同部門之間的協(xié)作關(guān)系，做好溝通協(xié)調(diào)工作，避免各自為政導(dǎo)致工期延誤、成本增加等不良后果[4]。

2.2 加強對設(shè)計單位的監(jiān)管

在進(jìn)行橋梁工程設(shè)計時，需要選擇專業(yè)能力強、經(jīng)驗豐富的設(shè)計團(tuán)隊。但是當(dāng)前一些小型設(shè)計院或個人為了追求片面經(jīng)濟(jì)利益，往往采用不合規(guī)的手段來獲取項目，這些行為不僅違反相關(guān)法律法規(guī)，也給橋梁工程帶來安全風(fēng)險和質(zhì)量隱患。因此，必須加大對設(shè)計單位的監(jiān)管力度，規(guī)范市場秩序，保障橋梁工程的整體質(zhì)量與安全性。

2.3 基于BESO 的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2.3.1 BESO 方法的基本原理

BESO 方法是一種基于模型的可靠性評估技術(shù)，其主要思想是將系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，并在每個子系統(tǒng)中建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過對各個子系統(tǒng)之間的相互作用進(jìn)行模擬和計算，得到整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)及其變化規(guī)律。然后利用這些性能指標(biāo)來判斷該系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全要求或使用壽命等條件。該研究采用BESO 方法，對橋梁工程的設(shè)計、施工和使用等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出相關(guān)管理建議。

2.3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

橋梁設(shè)計中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，需要考慮很多方面，比如材料、氣候環(huán)境等。橋梁設(shè)計方案不僅是設(shè)計圖紙和文字說明書，在實際情況下還需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算分析并建立數(shù)學(xué)模型，這樣才能使橋梁設(shè)計的方案更加科學(xué)合理。在分析結(jié)構(gòu)受力時，由于應(yīng)力集中處極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，所以設(shè)計時應(yīng)提出構(gòu)件所能承受的最大應(yīng)力要求[5]。

2.3.3 性能指標(biāo)公式

性能指標(biāo)的計算方法有多種，常用的幾種方法有傳統(tǒng)設(shè)計法、經(jīng)驗公式及綜合評估系統(tǒng)，其中較為先進(jìn)和應(yīng)用性最廣的是對過去使用狀態(tài)下制訂橋梁結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析與評價，以及采用計算機(jī)軟件技術(shù)來完成橋型設(shè)計方案比較。在工程項目中對橋梁整體狀況做出全面準(zhǔn)確的評估是非常必要的重要環(huán)節(jié)。通過該方法可以將各個因素影響到的全部因素加以考慮并計算出總指標(biāo)值，從而為設(shè)計人員提供較為科學(xué)合理的參考依據(jù)，在許多實例中證明該方法解決實際問題的有效性。初始設(shè)計域的相關(guān)體積計算如公式（1）所示：

在優(yōu)化迭代過程中，第i次迭代的結(jié)構(gòu)的相關(guān)體積計算如公式（2）所示：

迭代第i次的性能指標(biāo)計算如公式（3）所示：

在橋梁工程的建設(shè)中，應(yīng)從實際出發(fā)，充分考慮各種因素，在確保安全和穩(wěn)定的前提條件下選擇最佳設(shè)計方案。

2.3.4 APDL 參數(shù)化計算與分析

該處將使用ANSYS 軟件進(jìn)行APDL 參數(shù)化建模和仿真。首先，需要對模型的幾何尺寸、材料屬性等信息進(jìn)行輸入。然后，通過APDL 語言編程實現(xiàn)橋梁單元的參數(shù)化建模，并設(shè)置邊界條件和荷載情況[6]。最后，運行程序得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果，包括位移、應(yīng)力等方面的數(shù)據(jù)輸出結(jié)果。橋梁設(shè)計過程中需要注意的問題有：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，建立合理、可靠、安全穩(wěn)定性好的模型；在橋梁工程施工時，可以結(jié)合實際情況選擇適當(dāng)方案。具體實施流程見圖2。

圖2 BESO 優(yōu)化流程圖

2.4 拓?fù)鋬?yōu)化在橋梁造型領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元理論的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化作為一種新型的材料開發(fā)方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到工程實踐中。該方法可以通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)、均勻、變厚度等變量的優(yōu)化來達(dá)到減輕自重、提高剛度以及降低成本等目的。同時，由于其具有很好的可制造性和可調(diào)節(jié)性，因此也成了現(xiàn)代化橋梁建設(shè)過程中不可或缺的一部分[7-8]。以某座大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋為例，采用ANSYS 軟件建立全橋模型并進(jìn)行靜動力計算后發(fā)現(xiàn)：原方案存在較多的箱梁腹板開裂現(xiàn)象，且部分區(qū)域受力較為集中；而經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化處理后，不僅有效減少箱梁截面尺寸，還讓整個主塔高度得到大幅度提升，從而改善整體受力情況。綜上所述，基于拓?fù)鋬?yōu)化的橋梁造型設(shè)計方法，不僅可以大幅度提高橋梁的承載能力和安全性能，還能夠進(jìn)一步推動我國橋梁事業(yè)向更高水平邁進(jìn)[9-10]。

3 結(jié)語

該研究通過對某高速公路上一座大橋的病害進(jìn)行分析，提出一些解決方案和建議。首先，在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮施工過程中可能出現(xiàn)的各種情況，并采取相應(yīng)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施；其次，應(yīng)加強對原材料的質(zhì)量控制，嚴(yán)格按照規(guī)范要求選用合適的混凝土配合比；最后，應(yīng)針對大橋存在的其他病害，如支座脫空、伸縮縫堵塞等，及時發(fā)現(xiàn)并處理，以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。