关于桥梁设计中的荷载问题和解决分析

刘佳钰，张 军

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

0 前言

在当今，社会迅速发展进步，人们生活水平的不断改善，城市建设大力发展，人们更加关注桥梁设计中的荷载问题，此论文重点分析桥梁设计中的荷载相关问题，指出桥梁设计中荷载的一些问题，随后给出了对应的合理改进对策，以供同行进行参考借鉴。

1 对桥梁设计荷载的基本理论简介

首先就是车辆荷载效应标准值的计算理论。影响线的计算以及横向分布系数的计算构成了车辆荷载效应标准值的计算理论。进行建筑工程力学结构的具体数值计算的时候，影响线具有非常关键的作用，一般情况下，桥梁把影响线当成参考画出对应的散值点。于1930年，全世界的众多学者专家认真探究了桥梁的空间设计计算理论，平面计算问题在最终取代了复杂空间计算。

其次就是随机理论。在桥梁设计荷载之中，随机理论属于一种关键的理论。随机理论经常用在数学研究领域之中，以研究过程中时间和规律的随机变化为主要依据，其具有如下的定义：在集合T里面包含t元素，X属于和t元素有关的随机函数，Xt即为关于随机变量t的随机函数。经常用到的主要为正态分布的概率密度函数：f（x）=与概率分布函数·

最后就是车辆荷载效应标准值基本理论。车辆荷载效应标准值基本理论往往需要两部分内容构成，一方面为基准期，另外就是重现期内核荷载标准值。基准期在车辆荷载效应标准值基本理论分析之中属于经常运用的一种方法，是指桥梁设计的时候，桥梁结构与使用寿命的改变状况，根据桥梁设计荷载过程中的不同影响因素对工程可靠度实施正确的计算。车辆荷载效应的标准值在我国公路桥梁设计荷载计算过程中以基准期的计算数据、最高效率和车辆荷载效应的标准值为主要依据，完全掌握了上述参数之后，桥梁设计的车辆荷载标准值便能顺利计算出来。

另外，公路桥梁设计荷载的基本理论还包括车辆离心力的相关研究理论以及工程结构重要性数据校准理论等，上述的理论都于桥梁设计荷载的应用中产生了关键的作用。其中的车辆离心力原理见图1。

图1 车辆离心力原理

2 桥梁设计中的荷载问题分析研究[1-4]

首先，进行桥梁荷载设计的时候，经常出现的问题是设计理论与结构构造体系不详细、不健全。进行桥梁设计的时候，务必遵循以下的两项原则：对于结构分析、结构构件及其连接的设计来说，要确保结构的安全性，需要对满足对应规范要求的安全系数以及可靠性指标进行选用；进行结构方案选用的时候，应该选用经济且有效的那种结构方案。大部分设计工作者对于桥梁的安全性与使用期的这些问题，产生了许多错误认知。仅重视有关规范要求里面所计算好的结构强度以及安全度数据，而对体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性等结构方面的构成部分以及从设计、施工到使用全过程中比较容易出现的人为错误缺少应有的注意与关心，从而使桥梁结构在设计的过程中失去安全性。况且在实际建设的过程中，还会出现这样那样的问题与失误。结构的耐久性不足已经成为一个比较现实的安全性问题。有很多桥梁虽然在设计之初也满足了设计规范的强度要求，但是过了5～10 a之后，就会出现耐久性问题，从而影响结构的安全。比如：有的桥梁由于结构的整体性和延性的不足，造成其冗余性过小；有的桥梁则在前期材料的设计与选择上出现问题，比如混凝土的强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄等。这些问题都很容易削弱桥梁结构的耐久性，严重影响桥梁结构的安全性。所以，在进行桥梁荷载设计时，还是要从构造、材料等多个角度采取有效措施加强桥梁结构的耐久性与安全性。

其次就是人群荷载的影响。人群荷载在横向应布置在人行道净宽度内，在纵向应该施加在可以使主梁产生最不利荷载效应的区段里。专用的人行桥梁，人群荷载的标准值为3.5 kN/m2。基于不一样的桥梁计算跨径，人群荷载的标准值取值也不一样，需要根据情况取值。

最后就是车道荷载集中力取值出现的问题。桥梁荷载会受到冲击作用产生的影响，冲击作用主要通过冲击力来衡量，冲击力不仅和线路的状态与车辆种类有关，还和桥梁跨度以及结构形式这些因素有关，在竖向的活载包括冲击力的情况下，可以用静活载乘以冲击系数。

桥梁最大的动位移基本都是在跨中的周围部位，桥梁的振动频率是不改变的。桥面的平整度不充分会造成桥梁产生振动，由于桥面状况日益变差，基于此，桥梁的振幅日益变大，桥梁的动力系数伴随着桥面情况的变差呈现了非线性的增加状况，并且增加幅度很大。因此进行冲击力计算的时候，仅仅套用简单固定的公式进行计算就不可行了，需要关注不同的因素实施合理地计算，如此一来，便能确保更加安全。

3 针对桥梁设计荷载问题的解决分析

桥梁设计荷载问题需要引起我们的重视。随着社会的发展，桥梁设计人员也需要紧跟时代步伐，更新设计理念，更好地适应时代发展的要求，使人民的生命财产安全更加得到保障。基于桥梁设计荷载问题，本文笔者提出了下面的解决措施。

（1）全球化借鉴运用桥梁设计经验以及成果

在我国，桥梁设计当今出现的众多问题如下：结构正常使用性能不高、耐久性不好、安全性不高。这主要是因为桥梁的设计工作者未使用有效的设计手段。而在西方国家，相当关注结构物的性能设计，不仅包含振动、变形与裂缝这些内容，还包含疲劳性与耐久性这些内容。除此之外，国内的设计目前也只是局限于静态的设计，这种设计理念只是从经济的角度考虑建设施工成本，而对运营期的使用寿命以及维护成本缺乏应有的考虑。当然，这也并不是说，我国的桥梁设计就一无是处，其依然拥有很多国外没有的优越性以及好方法，能和国外一起分享。因此进行桥梁荷载设计的时候，为了有效地提升桥梁的使用周期及其质量，需要强化我国和外国经验和成果的共享，强化桥梁设计的合作和沟通。

（2）引起对桥梁设计耐久性问题的高度重视

当前的众多桥梁发生倒塌现象、有时受到巨大损害，这些都和桥梁耐久性设计的不充分存在关系，所以要务必重视桥梁设计耐久性问题。设计的缺陷往往会对桥梁的耐久性产生影响。结构的耐久性设计和一般的结构设计存在许多不同之处，因此就需要将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。然而外国的桥梁设计把提升结构物的耐久性当成进行设计的原则，对桥梁的结构布局和构造细节进行统一考虑，使结构更加容易被检查与维修，进而确保桥梁能够安全地运用，也要降低维修成本与费用，综合经济效益较为显著。

（3）提升对疲劳损伤的重视程度

疲劳损伤一直被认为是桥梁设计中的核心问题。由疲劳损伤而引起桥梁开裂的案例很多，因疲劳断裂而引起桥梁垮塌的例子也有不少。对疲劳损伤的研究不应该仅局限于结构领域，对某些关键部位的局部疲劳研究也应该成为研究的重点与方向。虽然疲劳损伤已经进入混凝土结构的研究，但对其动态性能和疲劳性能的研究仍需加强，并且要把对这一方面的研究及时地应用到桥梁荷载的设计过程中，为其服务。

另外，为了减少计算的复杂度，设计荷载能够选用均布荷载与集中荷载组合；城市的桥梁，包括许多低于50 m跨度的中小型跨度桥，荷载属于连续的，可以根据《公路04通用规范》，5～50 m跨度根据荷载的内插进行权衡；基于各种种类的桥梁，需要按照有关的桥规，选取遵循最标准的规范进行设计实施。

4 总结

进行设计荷载的过程中，务必全面考虑具体需求，对于实际工程，要关注车辆的活载还有冲击力作用效果，更应关注人群的荷载，选用标准的荷载规范，根据有关的规范对桥梁实施处理，力求达到最合适的荷载范围，在确保安全的基础之上，便于人们的生活外出需要。该文在分析了设计出现的问题之后，针对具体状况问题提出了合理的解决措施，以期能对桥梁设计中荷载问题的解决提供借鉴。总而言之，为了增加桥梁的使用寿命，避免安全隐患，一方面要强化施工质量的管理，另外还要在设计理念、结构体系以及构造这些方面做好桥梁耐久性的设计。

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