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桥梁设计中的荷载问题及处理措施

日期: 2016-12-08
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摘要:自改革开放后,我国经济快速发展,公共设施建设如火如荼地进行着,人们对日常生活水平的要求也有所提高,特别重视交通运输的建设。随着行车密度、车辆重载和交通量的越来越大,科学的桥梁设计已成为保证交通运输安全和提高运输效率的重要因素。基于我国桥梁设计现状以及桥梁设计中存在的问题,提出在桥梁设计中应综合考虑车辆活载、可能的冲击力作用效果以及人群荷载,选择标准的荷载规范,争取达到最合适的荷载范围,确保桥梁安全。

关键词: 桥梁设计; 荷载问题; 处理措施

随着我国经济的迅速发展,公路、桥梁上集装箱运输、载重货物运输、拖挂运输等重型车辆日益增多,大型平板车和矿山运载车等特种工程车也经常出现,这些都对桥梁设计带来高规格的要求。对于桥梁,尤其是大跨径桥梁而言,其设计要结合当地实际情况,在确保技术可行的条件下,进行大量的分析调查,然后制订方案,确保桥梁建设的安全性和可靠性。

1荷载的定义

一般将所有引起结构反应的因素称之为“荷载”,其实这种做法缺乏科学性和准确性。因为引起结构反应的因素分为施加于结构上的外力和不以外力形式施加于结构这两种。其中,施加于结构的外力包括人群、车辆还有结构自重,人群和车辆是不稳定因素,它们都是直接作用于结构的,可以称之为“荷载”。但是,不以外力形式施加于结构的,其产生的反应是与结构本身的特征和结构所处的环境有关,如基础变位、地震、徐变、混凝土收缩、温度变化等,这些因素是间接作用于结构的,所以不能称之为“荷载”,会造成人们的误解。当前,国际上将所有造成结构反应的统称为“作用”,将直接施力于结构的作用定义为“荷载”。

2桥梁设计的现状

当前,在桥梁设计过程中,大多数的设计者只考虑到了桥梁强度,而忽略了耐久性,偏重于强度极限状态而忽略了使用极限状态,偏重于结构建造而忽略了结构维护。事实上,那就行仅仅作为概念之一被设计者作为考量因素,却没有在桥梁的实际设计中引用,也没有明确的期限规定,且没有任何维护、使用条件的具体声明。没有任何组织对耐久性进行专门的研究和设计,对材料和结构措施以及设计程序的操作,都没有对桥梁的耐久性做保证。因此,桥梁结果的使用性能差、使用期限短、安全事故频频发生这些不良后果就是最好的印证,在一定程度上,这些均与桥梁设计者的设计有关。

3桥梁设计中对于荷载问题的要求

桥梁设计中最常出现问题就是可变活载,即汽车荷载,而汽车荷载又包括两种,为公路一级和公路二级,由车辆荷载和车道荷载两者组成,而车道荷载又由几种荷载和均布荷载构成。一般情况下,采用车道荷载的计算方法对桥梁的整体结构进行估算,运用车辆荷载对桥台、局部加载、涵洞、当涂墙土压力等进行计算。值得注意是,车辆荷载和车道荷载不能叠加重复。人群荷载在横向应布置在人行道净宽度内,在纵向应施加在可以使主梁产生最不利荷载效应的区段里。 当桥梁计算跨径小于或等于50m时,公路桥梁的荷载标准值为3.0kN/m;当桥梁的计算跨径等于或大于150m时,为2.5kN/m;当桥梁的计算跨径在50~150m范围时,按线性内插得到人群荷载标准值。对于连续结构的桥梁,以主跨为准,对位于城镇郊区人群密集地区的公路桥,人群荷载标准值取上述规定值的1.15倍。对人行桥,人群荷载标准为3.5kN/m。城市的桥梁按照国家相关标准,人行道板应该按照1.5KN/mm(铁路桥)或者4.0KN/mm(公路桥)进行荷载检测,将人群作用与栏杆上的水平推力按照0.75KN/m的标准进行考量,而作用于扶手或者立柱的竖向作用力按照1.0KN考虑。所有涵洞、桥梁建设包括铁路、公路、水利等其他设施建设均以国际标准为原则进行建造。但是随着时代的变迁,科技的发展,现在的桥梁设计与以往大有不同。现在将荷载分为三种:偶然作用的荷载、永久作用的荷载、可变作用的荷载。纵观我国的桥梁建设实况,城市规范中集中的荷载比较小,均布荷载比较大。另外,由于公路荷载充气系数的大幅度提高,其最大跨径都将20m作为界限,而车辆荷载一般用于计算桥台、行车道板和横隔梁的计算。

桥梁荷载设计中,按正常使用极限状态和承载能力极限状态进行作用效应组合,最不利的效应组合设计有三种:一是持久状况,指桥涵使用的过程中长期承受汽车荷载、结构重力等作用的状况,它要求对设想的结构功能进行全面的设计,这种全方位的设计包括正常使用极限状态和进行承载能力极限状态两种,对两种都要进行详细设计;二是暂时状况,指桥涵在使用过程中会承受着临时作用力,这种状态下进行承载能力极限状态的预测和设计,在必要时追加正常使用状态的设计工作;三是偶然状况,一般指桥涵在使用过程中可能会遭遇偶然的自然灾害,入地震等,对桥梁的结构和功能会有所影响,而这种不确定因素就无需正常状态的设计,只需要做好承载能力及极限状态的设计即可。

4桥梁设计中存在的问题

桥梁载重能力设计不足是目前桥梁设计中存在的主要问题。桥梁设计的过程中,桥梁的在载重力有承载能力和正常使用两种极限状态。承载能力不足既指超出桥梁的承载极限之后,结构整体或某部位的稳定性就会受到破坏,又指在重复荷载的情况下,桥梁混凝土构件超出疲劳极限而丧失其稳定性。目前,有些规范指出在桥梁设计中,对于重复荷载产生的破坏可以不予考虑,这对于桥梁主梁设计是非常有效的,但是若在桥梁的其他部分设计中直接忽视的话则对桥梁的安全性和年久性是非常不利的。

5处理措施

5.1加强管理,尽量避免桥梁超载问题

目前,在我国桥梁的超载现象可以分为三种:一是一些较早时期修建的老桥梁的超龄负载运营;二是桥梁在实际通行过程中的车流量超过了设计上限;三是个别车辆存在违规超载现象。在桥梁设计中,为了计算方便,建议设计荷载选择均布荷载及集中荷载组合。城市桥梁中,低于50m跨度的中小型跨度桥占大多数, 荷载连续,建议参照《公路桥梁设计通用规范》(JTG D60—2004); 5~50m跨度桥梁按照荷载的内插来考虑。 针对不同类型的桥梁,应该参照相应的桥规, 选择标准规范去设计实施。

5.2 突出结构的耐久性问题并予以重视

桥梁在实际的建造和使用中,要保证其功能能够长久稳定,在后期使用的过程中,会遭受到自然环境的破坏以及人为的损害,另外还有地震、台风等恶劣天气的影响和摧毁,这对桥梁自身来说都是一种挑战。其结构会有所变化,功能会逐渐弱化,导致桥梁本身或多或少受到不同程度的损坏。据相关数据表示,我国的大部分桥梁的重建或者改建均与这些因素有关。总而言之,桥梁设计者应该突出桥梁结构的耐久性设计,加强前期调查和实地检测。

6结语

桥梁设计是一项复杂而又系统的工作,要考虑到天气、温度等多种因对桥梁结构和功能的影响,才能在设计时对后期使用作预防和准备,以保证桥梁的长期质量。而荷载设计又是一项错综复杂的体系,需要设计者耗费大量的时间和精力。但是,作为设计者,也不能够忽视。桥梁在设计荷载时,应该综合考虑实际需要,因为桥梁设计方案的优劣会影响到桥梁的质量,以及人们生命财产的安全。因此在桥梁设计中,应考虑车辆活载以及可能的冲击力作用效果,以及人群荷载,选择标准的荷载规范,对桥梁进行处理,争取达到最合适的荷载范围,在保证安全的前提下,方便人们出行需要。

参考文献

[1]耿文学 提高桥梁设计可靠性措施探讨[J] 现代商贸工业 2010(2): 64-72.

[2]张清民 桥梁设计中若干问题研究[J] 科技创新导报 2010(8): 19-24.

[3]郑学伦 提高桥梁设计可靠性的措施[J] 科技创新与应用 2010(22): 174-181

[4]姜益晨 浅谈我国桥梁设计存在的问题及解决措施[J] 中小企业管理与科技: 上旬刊 2011(4):17-21.

 

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