20世纪90年代以来, 伴随着世界大规模公路建设的展开和我国国民经济的发展, 我国的桥梁建设设进入了一个全面发展的阶段。目前国内许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要, 而忽视从美学、结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性[1]。
跨线桥的适用性和安全性是最基本的要求, 利用现代化的辅助设计手段完全可以实现。经济性和美观性在本质上并不矛盾, 在多数情况下只要合理的规划和设计, 就能同时满足经济和美观的要求;如果二者在某些情况下出现矛盾, 因跨线桥投资比例小, 而对景观贡献大, 故笔者倾向于“美观为主”, 在桥梁设计中重视美学设计, 使跨线桥成为美学和技术的统一体。
桥梁结构之美在于独特的造型, 合理的比例, 生动的韵律和色调、明暗与装饰的适当匹配, 其中应把桥梁结构的造型与和谐的比例放在首位, 使之具有秩序感和韵律感。跨线桥本身的线条宜明快、轻巧纤细、连续流畅, 使高速运动着的人们在瞬间的一瞥中得到明确的印象。跨线桥各构件之间应取得充分协调, 此时作为桥梁整体就会有如音乐旋律, 纵以美感, 这种协调主要借助于比例、匀称、平衡、韵律、重复、交替、层次等手法来完成。有时也可以突破几何对称的传统布局, 因地制宜地采用非对称结构, 使桥型构思新奇、妙趣横生。此外, 桥孔的合理布置、上部结构和下部墩台和谐继往开来及桥面合理设置竖曲线也是创造跨线桥整体美的重要手段。
桥梁是由多种材料、不同构件组合而成的复杂系统。桥梁结构系统是桥梁工程大系统的一个子系统, 不同的桥梁结构体系又构成各个更低层次的子系统。要素中的各种基本构件也构成一个层面上的系统, 有其自身的要素、结构、功能和环境。
桥梁结构系统整体不等于部分之和。在设计中不仅要重视单个构件的强度设计, 也要重视整体结构的性能[2]。单个基本构件, 比如单个梁构件, 是无法实现跨越峡谷甚至海峡的目的的, 而多个构件按照一定的构造规则组成悬索桥或斜拉桥就可以实现。结构系统的整体功能取决于构件单元、结构体系和环境状况, 其中起决定性的是系统的结构, 通常只有大跨斜拉桥和悬索桥才能作为跨海大桥的候选桥型, 对抗震性能要求较高的地区, 应选用抗震性能较好的结构系统, 如连续刚构、斜拉桥等, 或对连续梁等桥型进行结构的改进, 设计支座单元, 达到减震目的。耗散结构理论认为, 在远离平衡状态的非平衡区内, 在非线性的非平衡作用下系统演化方向是不确定的, 系统的平衡可能失稳, 发生突变或分叉, 系统呈现出新的结构稳定状态。这种结构是一种非平衡的结构, 接受环境注入系统的负熵流才能稳定。桥梁的非线性行为同样体现了这一思想, 桥梁的失稳为系统突变所致, 地震荷载作用下的桥梁系统的延性抗震性能也是结构非线性性能的体现。
桥梁结构的监测研究是近年国际学术研究的热点问题之一, 涉及许多不同的研究领域[3]。
监测系统的监测项目与规模可以存在很大差异, 这种差异除了桥型和桥位环境因素外, 主要是因为对各监测系统的投资额和 (或) 建立各个系统的目的 (或者说是对系统的功能要求) 不同。因此, 桥梁监测系统的设计实际上有意或无意地遵循着某些准则。
监测系统的设计应该首先考虑建立该系统的目的和功能。对于特定的桥梁, 建立健康监测系统的目的可以是桥梁监控与评估, 或是设计验证, 甚至以研究发展为目的;也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系统的目的确定, 系统的监测项目就可以基本上确定。
监测系统中各监测项目的规模以及所采用的传感仪器和通信设备等的确定需要考虑投资的限度。因此在设计监测系统时必须对监测系统方案进行成本-效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的监测系统的前提。根据功能要求和成本一效益分析可以将监测项目和测点数设计到所需的范围, 可以最优化地选择并安装系统硬件设施。因此, 功能要求和效益-成本分析是设计桥梁健康监测系统的两大准则。
不同的功能目标所要求的监测项目不尽相同。绝大多数大跨度桥梁监测系统的监测项目都是从结构监控与评估出发的, 个别也兼顾结构设计验证甚至部分监测项目以桥梁问题的研究为目的。如果监测系统考虑具有结构设计验证的功能, 那就要获得较多结构系统识别所须要的信息。因此, 对于大跨度余支承桥梁, 须要较多的传感器布置于桥塔、加劲梁以及缆索/拉索各部位, 以获得较为详细的结构动力行为并验证结构设计时的动力分析模型和响应预测。另外, 在支座、挡块以及某些连结部位须安设传感器拾取反映其传力、约束状况等的信息。
目前, 某些监测系统以开发结构整体性与安全性评估技术为目的之一。结合桥梁问题研究的监测系统虽不多见, 但有些系统也有监测项目是专为研究服务的。与理论研究相关的监测项目可以根据待研究问题的性质来确定。从目前桥梁工程的发展状况看, 以下几方面的问题可以借助桥梁健康监测进行深入研究或论证。
(1) 抗风方面:包括风场特性观测、结构在自然风场中的行为以及抗风稳定性。
(2) 抗震方面:包括研究各种场地地面运动的空间与时间变化、土-结构相互作用、行波效应、多点激励对结构响应的影响等。通过对墩顶与墩底应变、变形及加速度的监测建立恢复力模型对桥梁的抗震分析具有重要的意义。
(3) 结构整体行为方面:包括研究结构在强风、强地面运动下的非线性特性, 桥址处环境条件变化对结构动力特性、静力状态 (内力分布、变形) 的影响等。这对于发展基于监测数据的整体性评估方法非常重要。
(4) 结构局部问题:例如边界、联接条件, 钢梁焊缝疲劳及其他疲劳问题, 结合梁结合面 (包括剪力键) 的破坏机制, 等等。索支承桥梁缆 (拉) 索和吊杆的振动与减振、局部损伤机制等也值得进一步观察研究。
(5) 耐久性问题:桥梁结构中的耐久性问题尚有许多问题须要深入研究。缆 (拉) 索与吊杆的腐蚀、锈蚀问题尤须重视。
(6) 基础:大直径桩的采用也带来一些设计问题, 直接套用原先用于中等直径桩的计算方法不很合理。借助大型桥梁监测系统调查大直径桩的变形规律、研究桩的承载力问题, 也是设计部门的需要。
(1) 桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进, 而是运用现代传感与通信技术, 实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为, 获取反映结构状况和环境因素的各种信息, 由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性, 为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。同时, 大型桥梁结构健康监测对于验证与改进结构设计理论与方法、开发与实现各种结构控制技术以及深入研究大型桥梁结构的未知问题具有重要意义。因此, 健康监测为桥梁工程的发展开辟了新的空间。
(2) 大型桥梁健康监测三方面的意义反映了从事桥梁维护管理、设计咨询和理论研究不同领域人员所关注的问题。监测系统的设计应以功能要求和效益-成本分析为基本准则。此外, 监测系统的设计应该通过布点优化分析, 并且考虑到系统实施中的非常重要的通信问题。
(3) 对于大跨度斜拉桥、悬索桥而言, 整体性评估只是结构安全状态评估的一部分, 不可能仅通过整体性评估来解释桥梁结构的安全状态。同时, 大跨度桥梁的力学特点决定其安全评估的概念上和方法上不同于常规的中小桥梁。
(4) 在跨度桥梁结构安全状态评估的目的是控制大桥运营风险及支持减灾决策。因此结合桥梁健康监测系统的安全评估, 应该可以通过获取的监测数据评估桥梁结构的基本状态和结构行为。定期或在偶发事件 (如地震) 发生后识别结构的损伤和关键部位的变化, 并且对大桥结构生命期各阶段的承载能力和抗风、抗震能力作出客观的定量的评估。
在承认施工存在问题的同时, 也不可否认, 在桥梁设计领域, 特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案, 其次是结构分析与构件和连接的设计, 并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。
许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要, 而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足, 冗余性小;有的计算图式和受力路线不明确, 造成局部受力过大;有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄;这些都削弱了结构耐久性, 会严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强度要求, 仅用了5~10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题, 设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。
不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此, 合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外, 还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。
摘要：现代桥梁设计技术的发展, 使得桥梁结构设计理论方面的研究十分广泛。通过针对桥梁美学设计理论、桥梁结构系统以及桥梁设计相关体系中一些问题的叙述, 对桥梁设计理论进行了探讨。
关键词：设计理论,桥梁设计,桥梁结构系统
[1] 王华治, 周扬, 王燕.桥梁结构设计问题综述.科学论坛, 2007, 14:46.
[2] 赵清泉.桥梁最优设计的理论研究.市政与路桥, 2007, 16:229.
[3] 魏保立, 苏晓慧.桥梁结构健康监测研究现状分析.北方交通, 2008, 1:122-125.
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