现代桥梁设计探析
2015-04-10
一，桥梁设计理念。
设计者应该在尊重原则和标准的基础上，通过技术进步、灵活设计、创作设计更理想、更人性化的设计作品是设计工作者的不断追求。
（一）桥梁的美学设计理念。
优秀的桥梁建筑总是把桥梁的品质和体现桥梁的美学价值相统一，因而,桥梁设计师在考虑桥梁结构的可靠性和经济要求的同时, 应十分注重桥梁美学价值的提高。
桥梁美学包括形式美、功能美、与环境协调美三个要素。在桥梁设计工作中,想要达到以上的境界有一定难度，这其中最重要的是要把握好一个度。例如，拿最通常的车行天桥来说,在山区或平原区或城市附近都很有讲究,在地形地势复杂的山区道路上,构造简单轻盈的上跨桥便足够了；而平坦广阔又有景观需求的地方往往需要通过上跨桥的造型予以弥补；在城市附近，人车流量大的地方,上跨结构无论是上部结构造型还是下部的构造形式都应充分重视,甚至桥上的具体装饰物都应无微不至。
从根本意义上来说，桥的美观性应该是在平和、自然中又赋予灵动。
（二）耐久性设计理念。
随着时代经济的高速发展，人类建造的各种大型工程规模巨大, 结构复杂，功能众多。这些工程投资巨大，技术复杂，环境影响严重, 袭击破坏几率增大, 维修、养护、加固难度大。目前设计标准定义的均是设计建成时期结构具有的使用性能，而对处于使用状态的性能随时间的变化却缺乏充分的认识和储备,简单来讲,似乎只考虑了建造期造价成本,却忽视了运营期的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益,这与可持续发展的观点是相背的。
在进行结构设计的过程中,首先是选择经济合理的结构方案,其次是结构分析设计，在这个环节上容易忽视对现阶段的施工和管理水平、材料耐久性、结构的后期改造、加宽、维护以及施工过程中可能造成的人为失误等问题的充分考虑。因此，不少桥梁、虽然满足了现有设计规范的强度要求，但不出几年就因为耐久性出了大大小小的问题。为解决这一问题,在设计和建造阶段要挑战传统设计理念:对结构设计时应使结构具有六大特性,即：可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性。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。
二，桥梁设计的抗震措施。
（一）防止落梁的措施。
《公路桥梁抗震设计细则》指出上部结构主梁的支承长度a≥70+0.5L（L为梁的计算跨径，L单位为m，a单位为cm）。在设计中应注意“长桥高墩”，特别是设置有伸缩缝的相邻联桥墩，不仅要将主梁支承长度取值放大一些，还需要设置主梁限位装置。根据国外规范以及《抗震设计细则》精神，同时应设置纵向防落梁构造，同时应注意限位装置不得有碍于防落梁构造的发挥。根据汶川地震后的调查表明横桥向抗震挡块的破坏非常普遍。2010年，玉树震区桥梁调查也存在同样问题，这说明当前挡块设计存在薄弱的问题，主要表现为构造尺寸偏小，主筋配筋偏少，挡块内侧缺少减震橡胶块，特别是在斜弯桥设计中应比直线桥具备更多的考虑。
（二）支座形式和布置方式。
支座选型长期以来被忽视，常规梁桥多采用普通橡胶支座，汶川地震后的调查表明普通橡胶支座破坏后加剧了桥梁损伤，建议根据桥梁设防要求，选用适用的支座类型。基本地震动峰加速度峰值0.1g 地区和以上地区应选择减震型橡胶支座。作为支座的布置是否合理至关重要，汶川百花大桥第5联（5×20m）采用一个固定支座，其余墩为活动支座，导致全联上部结构水平地震力几乎完全由固定支座下的桥墩承担，该桥墩迅速破坏后，造成全联坍塌。对于连续梁桥在设置固定支座后，应充分考虑固定支座设置对抗震的不利影响，慎用墩梁固结方案，应注重考虑各墩水平受力的平均分担。
（三）柱式桥墩的合理设计。
柱式墩是桥梁设计中最为常见的结构形式，日本阪神地震中显示出大量圆形独柱墩崩溃性破坏，汶川地震相关资料表明矩形墩要优于圆形墩。抗震设计中首先应该尽量避免选用抗震性能差的圆形独柱结构，同时，优先选择矩形截面形式。其次，应重视桥墩中间的横梁设置，横梁刚度不宜过大，避免导致“强梁弱柱效应”的出现，造成结构的第一塑性铰出现在墩柱之上，而不是横梁上，从而致使结构失效。
总的设计原则是结构刚度的均衡，一般指纵桥向相邻高度不宜相差过大，同时注意当地面横坡较陡时，横桥向也会出现墩柱高度差异，条件容许时可以考虑进行开挖，以保证横桥向墩柱刚度的均衡。第二个设计原则是能力保护原则，要使结构体系中延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性破坏，在延性细部构造设计中应保证墩柱纵筋和箍筋形成整体骨架，当混凝土纵向受压、横向膨胀时，箍筋给于纵筋的约束作用最为重要，而纵筋对约束混凝土墩柱的延性作用巨大。所以，各国规范均提高了对纵筋的配筋率要求。
三，桥梁设计安全方面。
（一）提高安全性、耐久性的措施。
1，选择合理的结构设计方案
合理的结构设计方案,可以有效提高桥梁的安全性和耐久性。桥梁的结构设计形式主要分为大跨度桥梁和标准跨径桥。大跨径桥梁由于控制因素不同,方案各不相同,具有较强个性特征,而标准跨径桥则更多的是具有共性特征。在实际工作当中,很少采用大跨径桥梁的设计方案,标准跨径桥因为具有施工方便、造价经济的标准化、预制装配等诸多优点, 应用最为广泛。
2，科学使用材料
钢筋混凝土的质量和合理使用对桥梁的安全性具有极其重要的作用。钢筋混凝土的质量直接影响到结构的适用性、安全性和耐久性。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成, 其中水灰比、水泥用量、强度等级均对耐久性有较大影响。《桥规》明确规定了不同使用环境下, 结构混凝土的基本要求、对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量等做出了限制规定，设计时必须严格遵照执行。
提高混凝土结构耐久性最关键的是以下两方面: 一，加大钢筋的混凝土保护层厚, 保护钢筋免于锈蚀；二，防止和控制混凝土的裂缝,控制混凝土的裂缝。除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝以外，更重要的是要采取构造措施，从根本上控制混凝土施工及使用过程非工作裂缝的大量出现。
（二）提高对桥梁结构耐久性设计的重视程度。
由于桥梁在建造和使用过程中,必然会受到环境、有害化学物质的侵蚀, 承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，这些因素最终将导致桥梁结构各部分发生不同程度的损伤和劣化。我们只有切实提高对桥梁耐久性设计的重视，才能有效避免此类现象的发生，有效提高桥梁的使用寿命。
（三）严禁桥梁超载现象。
桥梁超载主要有三种情况：一，早期修建的老桥超龄负载运营； 二，桥梁通行的车流量超过原设计； 三，车辆违规超载。
从超载的原因来看，老桥超龄负载和车流量超载主要是设计荷载的变化和交通量的增加；车辆违规超载主要是车辆使用者违法超载营运。在实际生活当中，车流量超载、车辆违规超载现象在我国公路运输中较为普遍。桥梁超载危害性很大: 一，引发桥梁疲劳, 超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至导致结构破坏事故；二，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，促使桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化， 最终危害桥梁的安全性和耐久性。
桥梁设计的进步是桥梁工程发展的有效推动力, 并在桥梁建设的发展过程中不断更新,从而使设计作品不断创新和完善，同时，作品质量也在逐步提高。
