關于橋梁設計中的荷載問題和解決分析

劉佳鈺，張 軍

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 前言

在當今，社會迅速發展進步，人們生活水平的不斷改善，城市建設大力發展，人們更加關注橋梁設計中的荷載問題，此論文重點分析橋梁設計中的荷載相關問題，指出橋梁設計中荷載的一些問題，隨后給出了對應的合理改進對策，以供同行進行參考借鑒。

1 對橋梁設計荷載的基本理論簡介

首先就是車輛荷載效應標準值的計算理論。影響線的計算以及橫向分布系數的計算構成了車輛荷載效應標準值的計算理論。進行建筑工程力學結構的具體數值計算的時候，影響線具有非常關鍵的作用，一般情況下，橋梁把影響線當成參考畫出對應的散值點。于1930年，全世界的眾多學者專家認真探究了橋梁的空間設計計算理論，平面計算問題在最終取代了復雜空間計算。

其次就是隨機理論。在橋梁設計荷載之中，隨機理論屬于一種關鍵的理論。隨機理論經常用在數學研究領域之中，以研究過程中時間和規律的隨機變化為主要依據，其具有如下的定義：在集合T里面包含t元素，X屬于和t元素有關的隨機函數，Xt即為關于隨機變量t的隨機函數。經常用到的主要為正態分布的概率密度函數：f（x）=與概率分布函數·

最后就是車輛荷載效應標準值基本理論。車輛荷載效應標準值基本理論往往需要兩部分內容構成，一方面為基準期，另外就是重現期內核荷載標準值。基準期在車輛荷載效應標準值基本理論分析之中屬于經常運用的一種方法，是指橋梁設計的時候，橋梁結構與使用壽命的改變狀況，根據橋梁設計荷載過程中的不同影響因素對工程可靠度實施正確的計算。車輛荷載效應的標準值在我國公路橋梁設計荷載計算過程中以基準期的計算數據、最高效率和車輛荷載效應的標準值為主要依據，完全掌握了上述參數之后，橋梁設計的車輛荷載標準值便能順利計算出來。

另外，公路橋梁設計荷載的基本理論還包括車輛離心力的相關研究理論以及工程結構重要性數據校準理論等，上述的理論都于橋梁設計荷載的應用中產生了關鍵的作用。其中的車輛離心力原理見圖1。

圖1 車輛離心力原理

2 橋梁設計中的荷載問題分析研究[1-4]

首先，進行橋梁荷載設計的時候，經常出現的問題是設計理論與結構構造體系不詳細、不健全。進行橋梁設計的時候，務必遵循以下的兩項原則：對于結構分析、結構構件及其連接的設計來說，要確保結構的安全性，需要對滿足對應規范要求的安全系數以及可靠性指標進行選用；進行結構方案選用的時候，應該選用經濟且有效的那種結構方案。大部分設計工作者對于橋梁的安全性與使用期的這些問題，產生了許多錯誤認知。僅重視有關規范要求里面所計算好的結構強度以及安全度數據，而對體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性等結構方面的構成部分以及從設計、施工到使用全過程中比較容易出現的人為錯誤缺少應有的注意與關心，從而使橋梁結構在設計的過程中失去安全性。況且在實際建設的過程中，還會出現這樣那樣的問題與失誤。結構的耐久性不足已經成為一個比較現實的安全性問題。有很多橋梁雖然在設計之初也滿足了設計規范的強度要求，但是過了5～10 a之后，就會出現耐久性問題，從而影響結構的安全。比如：有的橋梁由于結構的整體性和延性的不足，造成其冗余性過小；有的橋梁則在前期材料的設計與選擇上出現問題，比如混凝土的強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄等。這些問題都很容易削弱橋梁結構的耐久性，嚴重影響橋梁結構的安全性。所以，在進行橋梁荷載設計時，還是要從構造、材料等多個角度采取有效措施加強橋梁結構的耐久性與安全性。

其次就是人群荷載的影響。人群荷載在橫向應布置在人行道凈寬度內，在縱向應該施加在可以使主梁產生最不利荷載效應的區段里。專用的人行橋梁，人群荷載的標準值為3.5 kN/m2。基于不一樣的橋梁計算跨徑，人群荷載的標準值取值也不一樣，需要根據情況取值。

最后就是車道荷載集中力取值出現的問題。橋梁荷載會受到沖擊作用產生的影響，沖擊作用主要通過沖擊力來衡量，沖擊力不僅和線路的狀態與車輛種類有關，還和橋梁跨度以及結構形式這些因素有關，在豎向的活載包括沖擊力的情況下，可以用靜活載乘以沖擊系數。

橋梁最大的動位移基本都是在跨中的周圍部位，橋梁的振動頻率是不改變的。橋面的平整度不充分會造成橋梁產生振動，由于橋面狀況日益變差，基于此，橋梁的振幅日益變大，橋梁的動力系數伴隨著橋面情況的變差呈現了非線性的增加狀況，并且增加幅度很大。因此進行沖擊力計算的時候，僅僅套用簡單固定的公式進行計算就不可行了，需要關注不同的因素實施合理地計算，如此一來，便能確保更加安全。

3 針對橋梁設計荷載問題的解決分析

橋梁設計荷載問題需要引起我們的重視。隨著社會的發展，橋梁設計人員也需要緊跟時代步伐，更新設計理念，更好地適應時代發展的要求，使人民的生命財產安全更加得到保障。基于橋梁設計荷載問題，本文筆者提出了下面的解決措施。

（1）全球化借鑒運用橋梁設計經驗以及成果

在我國，橋梁設計當今出現的眾多問題如下：結構正常使用性能不高、耐久性不好、安全性不高。這主要是因為橋梁的設計工作者未使用有效的設計手段。而在西方國家，相當關注結構物的性能設計，不僅包含振動、變形與裂縫這些內容，還包含疲勞性與耐久性這些內容。除此之外，國內的設計目前也只是局限于靜態的設計，這種設計理念只是從經濟的角度考慮建設施工成本，而對運營期的使用壽命以及維護成本缺乏應有的考慮。當然，這也并不是說，我國的橋梁設計就一無是處，其依然擁有很多國外沒有的優越性以及好方法，能和國外一起分享。因此進行橋梁荷載設計的時候，為了有效地提升橋梁的使用周期及其質量，需要強化我國和外國經驗和成果的共享，強化橋梁設計的合作和溝通。

（2）引起對橋梁設計耐久性問題的高度重視

當前的眾多橋梁發生倒塌現象、有時受到巨大損害，這些都和橋梁耐久性設計的不充分存在關系，所以要務必重視橋梁設計耐久性問題。設計的缺陷往往會對橋梁的耐久性產生影響。結構的耐久性設計和一般的結構設計存在許多不同之處，因此就需要將耐久性的研究從定性分析向定量分析發展。然而外國的橋梁設計把提升結構物的耐久性當成進行設計的原則，對橋梁的結構布局和構造細節進行統一考慮，使結構更加容易被檢查與維修，進而確保橋梁能夠安全地運用，也要降低維修成本與費用，綜合經濟效益較為顯著。

（3）提升對疲勞損傷的重視程度

疲勞損傷一直被認為是橋梁設計中的核心問題。由疲勞損傷而引起橋梁開裂的案例很多，因疲勞斷裂而引起橋梁垮塌的例子也有不少。對疲勞損傷的研究不應該僅局限于結構領域，對某些關鍵部位的局部疲勞研究也應該成為研究的重點與方向。雖然疲勞損傷已經進入混凝土結構的研究，但對其動態性能和疲勞性能的研究仍需加強，并且要把對這一方面的研究及時地應用到橋梁荷載的設計過程中，為其服務。

另外，為了減少計算的復雜度，設計荷載能夠選用均布荷載與集中荷載組合；城市的橋梁，包括許多低于50 m跨度的中小型跨度橋，荷載屬于連續的，可以根據《公路04通用規范》，5～50 m跨度根據荷載的內插進行權衡；基于各種種類的橋梁，需要按照有關的橋規，選取遵循最標準的規范進行設計實施。

4 總結

進行設計荷載的過程中，務必全面考慮具體需求，對于實際工程，要關注車輛的活載還有沖擊力作用效果，更應關注人群的荷載，選用標準的荷載規范，根據有關的規范對橋梁實施處理，力求達到最合適的荷載范圍，在確保安全的基礎之上，便于人們的生活外出需要。該文在分析了設計出現的問題之后，針對具體狀況問題提出了合理的解決措施，以期能對橋梁設計中荷載問題的解決提供借鑒。總而言之，為了增加橋梁的使用壽命，避免安全隱患，一方面要強化施工質量的管理，另外還要在設計理念、結構體系以及構造這些方面做好橋梁耐久性的設計。

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