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华春监理:桥梁工程设计的新理念

华春监理:桥梁工程设计的新理念

作者: 055b39f797d9 | 来源:发表于2018-08-31 16:22 被阅读15次

随着社会经济的高速发展,人类所建造的各种大型工程结构物,规模巨大,结构复杂,功能众多,国际上称之为“超级工程”(super infrastructure)。这些工程的特点是:投资巨大,技术复杂,环境影响严重,袭击破坏几率增大(风、浪、地震、海啸、船撞、破坏等等)和维修、养护、加固难度大。因此,像过去那样只限于满足结构使用功能,单一层面上去寻求结构的安全性就不够了。从20世纪70年代以后,国内外专家在分析研究、认真总结经验教训的基础上哪,除强调结构设计和建造时期的安全性外,还逐步讨论了结构的耐久性、整体牢固性,结构在使用期间的检测、维修、加固的新技术,对不同工程结构物的灾害和可接受的危险水平的分析研究,提出了耐久性设计的概念。实际上,结构耐久性设计所要解决的问题也就是经济、合理的使用年限问题,即结构寿命期问题。

基于结构耐久性设计的新设技理念在工程的设计、施工、运营和维护各个阶段中都应得到贯彻。新建一座大桥时,业主应确定工程用途并提出耐久性要求,即结构使用寿命期。在设计和建造期间,应该特别注意到所有与耐久性有关的问题,比如材料标准与选择、施工的先进性与科学性、使用和维护、功能的保障和持续发展的要求、寿命期费用等,就耐久性要求与业主充分协商。根据业主的要求确定结构物及其构件的设计使用寿命,确定设计方案(荷载、结构等),指定或选择材料、构件、组件和施工方案。设计和施工方法选取的依据基点不能离开投资成本的经济效益问题。

一座大型结构物要服务100年,考虑到近代的科学、经济的高速发展,这100年对结构而言,内、外因变化很大,特别是外因。如结构物的设计寿命期为100年,预测百年间的使用要求,定出各个标准进行设计,这很难实现。然而,工程师能使结构物适应各种变化,采取各种措施使结构获得更强大的“体能”为交通服务。为解决这一问题,在设计和建造阶段就要挑战传统的设计理念。设计时应使结构具有六大特性,即可检性(examinability)、可修性(repairability)、可换性(replaceability)、可加强性(retrofittability)、可控性(controllability)、及可持续性(sustainability)。如果建成的结构物,各个部件不可检查,不可更换,无法修复,不能控制,不能加强,不可持续,那么结构在内、外因复合作用下,就会一天天衰退、破损、倒塌而“夭折”。工程师必须认识到整体结构的寿命和各部件的寿命是不等的,如橡胶支座寿命不超过20年,拉索的寿命仅10~40年,拉索的护套寿命不超过20年,钢结构的油漆保护最优的寿命为20年,等等。

这些自身寿命期低于结构设计寿命期的部件必须要在构造上保证可查、可修、可换、可加强。在外因剧变的情况下,结构的变形要在构造上“可控”,才能够在运营阶段对桥梁进行维修、加固等措施,从而保证结构的耐久性。如美国金门大桥在20世纪90年代加固时,在塔梁交接处增设了油泵阻尼系统。设计施工阶段的耐久性设计要兼顾桥梁的寿命期成本和结构特性要求,它是桥梁耐久性的基础。在桥梁运营、维修阶段,对桥梁定期进行检测与评估,从而对桥梁进行加固和维修,才能进一步保证桥梁的耐久性。

应充分认识到结构在设计寿命期内各个组成部件具有不同的耐久性极限,需要经常维修,甚至更换或加固,才能保证结构在设计寿命期内的服务功能。以为结构安全与使用并非在建成后,在法定的设计寿命期内“一劳永逸”了,而需要定期检测(inspection)、评价(evaluation)、鉴定(appraisal)、养护(maintenance)、修理(repairs)、更换(replaces)、加固(retrofitting)等管理才能获得保证。

例如美国著名的旧金山金门(Golden Gate)大桥。始建于1932年,建成与1937年5月,21世纪初被国际著名杂志(BRIDGE)评为20世纪景观桥型最佳桥梁(共15座)之一。此桥建成后,经历多次维修、加固。

Golden Gate

第一次在1950年(建成后13年)因美国塔克马(Tocoma)悬索桥经风毁后,金门大桥的桁梁底部随后也增设下风撑体系,增大梁体抗扭刚度,以提高大桥的抗风动力稳定性。

第二次在1977年(建成后40年),更换悬索桥吊索系统,以提高材质、增强强度。

第三次在1982年(建成后45年),因桥上荷载不断增加,更换旧桥混凝土桥面为正交异性钢板桥面系,以提高载重能力。

第四次在1987年(建成后50年)旧金山大地震后,经检查大桥主要结构虽无严重损伤,业主仍决定重新进行抗震加固,并在20世纪90年代完成,加固功能的目标如下:

(1)如再遭受1906年型地震(M8.3级)袭击,桥梁必须保证在震后24小时后有限通车;

(2)桥梁必须在震后一个月内修复到交通正常运用状态;

(3)桥梁地震反应必须基本处于弹性状态;

(4)主索、鞍座、主塔、塔基都列出了加固部位与加固要求。

金门大桥在他生命60余年期间,适时检测,不断维修加固,最近做了超功能(相对于它在诞生时的服务功能而言)的全面加强。笔者受到启示,对结构寿命设计新理念中可持续发展的合理内核可以理解为:

结构生命早起是保障它原有的“活力”;

结构生命中期常保健而增强“活力”;

结构生命后期常医治可加强“活力”。

例如,旧金山另一座大桥,即奥克兰海湾大桥,建于1930年,该桥在1959年Loma Prieta地震时,受损较重,震后检查发现该桥结构老化,一则加固维修代价太大,二是该桥日交通量为28万辆,故最后决定拆除重建。新桥方案设计、讨论决策的前期工作费时3年多,2002年已动工新建。

San Francisco-Oakland Bay Bridge

此外,应该认识到,对工程安全性与耐久性等新设技理念的研究首先需要为保证工程质量制定相应的规范、规程、指南和标准,其次不能离开具有“不确定因素”的风险评估研究,它是新设计理念中的科学决策关键技术。

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