公路橋樑結構設計研究論文
公路橋樑結構設計研究論文
摘要:公路橋樑是一個國家交通運輸的主要形式之一，對國家經濟發展、社會進步有重要作用，橋樑的規模水平彰顯國家經濟基礎和技術能力。基於此，本文先提出基於效能設計理念下公路橋樑結構設計的標準框架，再指出橋樑效能設計的根本原則，並從幾方面對公路橋樑的結構效能展開分析，最後給出了相對應的效能目標，希望對未來公路橋樑結構設計有一定的借鑑意義。
關鍵詞:公路橋樑;效能設計理念;框架;原則;效能標準
公路橋樑是一個國家交通運輸的主要方式之一，有利於經濟發展和社會進步，而其規模水平彰顯出國家經濟基礎和技術能力。自1990年代初至今，關於國內公路橋樑的建造發展迅猛，公路橋樑總數達67萬架，比如江陰大橋、蘇通大橋等著名特大型橋樑。關於公路橋樑的設計和建造，涉及多門學科，其發展水平依賴於橋樑技術的進步。工程技術制度標準是所有建築建造的約束規範，其基於的理論系統能投射出建造水平的高低。就力學方面而言，公路橋樑架構設計手段由應力允許設計→磨損階段設計→極限設計的發展，設計採取的機率分析包括半機率法、近似機率法等，其中建造材料由機率分析得出，而安全係數靠經驗判斷。最近幾年以來，一些經濟發達國家逐步展開對基於效能設計理念下的公路橋樑結構設計的研究，來強化交通設施的建造水平。除此之外，這種理念和手段的轉變促使基於使用壽命的可持續發展制度規範的構建和完善，為我國橋樑建造技術在世界佔據一席之地奠定基礎。
1基於效能設計理念下公路橋樑結構設計的標準框架
以效能設計為基礎的結構設計是以效能目標為依據，儘量達到該目標的設計總和，也就是基於設計制度規範、穩定的結構、合適的規劃，來確保工程各細節設計，監控工程質量與後續維護，保障工程結構在某段使用時間內受到外部壓力時，磨損程度低於某個極限狀態，結構功能高於標準範圍下限，同時還要具備可修護至效能目標的功能。效能設計要考慮使用壽命內各結構的效能標準，同時要求客戶和設計者全面掌握，進而選擇各設計、施工、維護手段來保證實現預期效能目標。因此，所謂的效能設計理念是指所設計的建築結構在壽命內、在各外部壓力情況下，能始終保持預期的效能目標，具體可表示為以下幾點:(1)根據結構功能與客戶需求來明確性能標準，也就是所謂的效能目標構建(儘管各需求差異較大，然而需要大於社會或行業的基本標準);(2)選擇一定的設計、施工、維護手段來調節效能目標;(3)判斷考核各效能指標，確保設計的結構能符合所有的效能目標。以效能設計為基礎的結構設計除了保障社會人身安全之外，還需考慮後期磨損引起的成本費用，需最大限度地實現結構設計的預期效能目標，即使用壽命的標準需求，這些是效能結構設計最近幾年迅猛發展的關鍵所在。所以，該結構設計方法需要整個設計過程基於使用功能的實現，並非採取傳統設計、建造模式，其是效能結構設計區別於其他傳統設計的獨有特點。基於效能設計理念的公路橋樑結構設計的標準框架見下圖1所示，該層次結構圖中的第一層“目的”是結構設計社會層面的目標，也就是效能設計的根本目的;第二層“效能要求”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“效能水準”是功能實現的檢驗原則和檢驗標準，有明顯的強制性;最後一層“驗證方法”是功能實現檢驗手段。其中符合效能標準的手段被稱作實現手段，其不受強制約束，伴隨科技的發展成熟，肯定相關技術人員充分有效地運用新成果。除此之外，以效能設計理念為基礎的結構設計還涉及多個問題，比如儘管提高了設計的開放自由性，然而極會導致設計人員難以應對突發情況，尚未建立系統的評價體系，工程完工程度受設計者水平高低的影響明顯，所以難以檢驗效能設計的有效性。所以需要建立一定的檢驗手段體系。總而言之，基於效能設計理念的公路橋樑結構設計可分為明確功能需求、分類效能標準、建立效能目標和檢驗效能目標等幾部分。
2公路橋樑效能設計的根本原則
公路橋樑是社會交通運輸的重要設施之一，其設計、施工、維護和廣大群眾有直接聯絡，所以其在設計時就要考慮社會因素影響。西方國家對橋樑結構設計要求滿足功能性、經濟性、美觀性的基本原則，這和國內當前安全性、功能性、經濟性、美觀性的原則是相同的，而基於效能設計理念的結構設計是對當前設計手段的拓展，所以該新型設計方式也要涵蓋目前的設計標準和設計原則。另外，還應將橋樑的使用壽命、後期維護、實際建造、可持續發展等納入考慮範圍，也就是需要按照安全、功能、經濟、美觀、綠色環保等原則進行建造。伴隨經濟社會的發展，現今公路橋樑結構設計已針對以上原則有一定的補充，提出了“高技術、安全可靠、經濟合理、耐久適用”的新原則，同時在其基礎上結合橋樑建造的特徵制定了有關規定，將其安全效能分為三個級別，具體如表1所示，其分類原理和效能設計目標是類似的`。在具體設計時，結構的使用壽命表現為耐久性與經濟性。基於公路橋樑的結構複雜、種類繁多的特徵，應恰當地限制橋樑整體和零件的使用候命，同時還可結合橋樑歸屬的道路級別限制其使用壽命。另外，結構適用性是裂縫、易形等情況，在具體設計時以極限狀態監控;美觀環保要求橋樑的景觀價值和可持續發展，和整體結構息息相關。所以，目前的工程制度規範應涵蓋效能結構設計的根本原則，方能推動基於效能設計理念的公路橋樑結構設計的完善。
3公路橋樑結構設計的效能標準
結構效能標準是按照功能要求對結構整體目標的細分，公路橋樑結構的設計、建立、保養等應在使用壽命中以最經濟適用的手段來達到效能標準:(1)在實際建造過程中，可以解決各突發狀況，可運用各組合方法;(2)在投入使用後，維持預期的效能效果;(3)在後續維護保養時，保證一定的耐久適用性;(4)在發生不可預估的龍捲風、高溫等突發情況下，結構能維持穩定性，降低損壞程度的嚴重性，避免結構崩塌。據上述可知公路橋樑的設計原則有安全性、適用性、耐久性和維護性等，按照極限狀態設計原理，與之相應的狀態是負荷能力極限狀態、正常使用極限狀態、耐久極限狀態與維護極限狀態。其中，負荷能力極限狀態是用於判斷公路橋樑結構安全程度;正常使用極限狀態是用於判斷實際使用功能;耐久性極限狀態是用於檢測橋樑使用週期;維護極限狀態除了判斷突發情況的破壞程度之外，還用於判斷後續維修保養得難易性，要結合各判斷物件來決定相應的極限狀態。
4公路橋樑結構效能目標
以效能為基礎的結構設計要求建築工程在各種壓力強度下符合預期的效能目標，也就是在各壓力強度下明確對應效能標準，進而明確結構效能目標。就公路橋樑來講，效能目標的確認應瞭解其使用情況、功能需求、經濟美觀性等，要遵循以下兩點原則:(1)客戶和結構設計者共同確認結構效能目標，保證高於標準範圍下限;(2)結構效能指標的確認應結合各效能標準，即最大限度的壓力強度、最高的溫度等。公路橋樑的效能標準是結構安全係數、後期維護、經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、經濟水平等。就工程結構荷載而言，公路橋樑的荷載分為自然荷載與社會荷載兩種，前者是龍捲風、高溫等自然災害，後者則是汽車負重、船撞等，和社會發展密切相關。由此可見，負重標準應基於社會經濟因素來制定各等級，而結構效能目標則由客戶與設計者共同確認。事實上，效能結構設計能符合各社會要求，客戶按照自身要求提高效能目標標準，進而確保橋樑設計最大限度滿足客戶的特別需求，值得注意的是，不能小於社會基本標準。在效能目標明確的前提下，結合工程結構的特徵來設定對應的評價檢驗指標，比如檢驗標準、檢驗手段，其實效能結構設計的未來發展趨勢。關於效能目標的實現和結構的設計建造等，應給予相關技術工作者與公司以自由選擇理念和方法的權利。
5結論
總而言之，基於效能的結構設計是未來的發展趨勢。目前基於機率分析的極限狀態設計就是以效能結構設計為原理，各效能都有可測量指標為判斷依據，也就是極限狀態設計的改善有關於基於效能的結構設計的發展。因此，基於效能設計理念的公路橋樑極限狀態設計已得到充分關注和有效發展，而未來發展的關鍵在於量化各結構效能指標。針對基於效能設計理念下的公路橋樑結構設計展開研究，一方面促進結構效能理論體系的完善和橋樑技術的成熟，另一方面強化國內工程建設的制度標準，真正推進我國向橋樑強國的發展。
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