現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念課件

現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念

2021/12/21現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念一、橋梁安全與耐久的理念1、橋梁結(jié)構(gòu)具有明確的使用功能、實(shí)用價(jià)值和極強(qiáng)的社會(huì)屬性，它的安全與耐久直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人的生命安全，致關(guān)重大，不容輕視。安全性——正常使用時(shí)具有良好的工作性能；耐久性——正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能；完整性——偶發(fā)事件時(shí)，保持必需的整體穩(wěn)定性（小震不動(dòng)、中震不壞、大震不垮）2021/12/22現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念

我國(guó)在建筑結(jié)構(gòu)及公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50153和GB/T50283-99

）要求：普通房屋和構(gòu)筑物設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期為50年，而橋梁結(jié)構(gòu)為100年。與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)基本取得一致。一、橋梁安全與耐久的理念2021/12/23現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念2、橋梁結(jié)構(gòu)的破壞總是由于損傷的不斷發(fā)展所致。因而影響橋梁安全和耐久的根本原因是損傷。一、橋梁安全與耐久的理念2021/12/24現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念一、橋梁安全與耐久的理念3、由結(jié)構(gòu)耐久性而引發(fā)了對(duì)橋梁損傷問(wèn)題的關(guān)注：

美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)（ASCE）1995年發(fā)布的I40報(bào)告稱：“對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在準(zhǔn)確的極限狀態(tài)，失效（損傷）行為和路經(jīng)等方面的了解還存在很大的空白?！?/p>

2021/12/25現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念

國(guó)際預(yù)應(yīng)力砼協(xié)會(huì)（FIP）統(tǒng)計(jì)1951～1979間預(yù)應(yīng)力鋼材腐蝕損傷中應(yīng)力腐蝕占75％，壽命大于5年的不足50％。美國(guó)應(yīng)力消除研究委員會(huì)調(diào)查1950～1970年20年間建造的大型船舶數(shù)百艘，開(kāi)裂事故144起，60％從結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生。

一、橋梁安全與耐久的理念2021/12/26現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念所有結(jié)構(gòu)從材料、加工過(guò)程到使用期不可避免地會(huì)在內(nèi)部和表面形成和發(fā)生微小缺陷，在一定外部因素（荷載、溫度、腐蝕等）作用下這些缺陷不斷擴(kuò)展和合并，形成宏觀裂紋，對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷而導(dǎo)致破壞，這些導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化的微觀結(jié)構(gòu)變化稱為損傷。

二、損傷及損傷容限2021/12/27現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念損傷容限是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用周期內(nèi)抵抗由缺陷，裂紋或其它損傷而導(dǎo)致破壞的能力。損傷容限的設(shè)計(jì)概念是承認(rèn)結(jié)構(gòu)在使用前就帶來(lái)初始缺陷，但必須通過(guò)設(shè)計(jì)的方法把這些缺陷或損傷在結(jié)構(gòu)使用期間內(nèi)控制在一定范圍內(nèi)保證結(jié)構(gòu)使用的安全與耐久性。前人對(duì)損傷容限的概念并不陌生，如在天然石料的應(yīng)用中，“十拱九裂”的說(shuō)法古而有之，帶裂縫工作的石拱橋并未危及使用安全。

二、損傷及損傷容限2021/12/28現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念隨著高強(qiáng)度材料的使用所帶來(lái)的材料對(duì)損傷的敏感性；損傷往往不改變材料固有的基本力學(xué)性能但卻明顯改變了破壞形式，彈塑性材料呈現(xiàn)脆性破壞的形式，同時(shí)表現(xiàn)在低能量破壞，盡管應(yīng)力水平不高，危險(xiǎn)性卻特大；三、橋梁結(jié)構(gòu)的損傷2021/12/29現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念材料損傷——材料生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)的缺陷；材質(zhì)改變——焊接熱過(guò)程使焊接接頭區(qū)附近母材（HAZ）強(qiáng)度提高，塑性韌性下降。工藝損傷——加工過(guò)程，施工過(guò)程制造的缺陷如焊接缺陷，特別容易由不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)（鋼管拱節(jié)點(diǎn)采用肋鈑加勁，導(dǎo)致疲勞壽命降低2/3）。

JSSC（日本鋼協(xié)）橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：因結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不良占47％，因加工工藝占31％，因材料占17％，因其它占5％，可見(jiàn)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的重要性。三、橋梁結(jié)構(gòu)的損傷2021/12/210現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念服役損傷——使用過(guò)程中不斷產(chǎn)生和發(fā)展的缺陷和因腐蝕而加劇。使早期的無(wú)害演變?yōu)楹笃诘挠泻?。荷載的類(lèi)型和作用過(guò)程是損傷不斷擴(kuò)展的過(guò)程。這一點(diǎn)往往被設(shè)計(jì)和施工忽視。

三、橋梁結(jié)構(gòu)的損傷2021/12/211現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念四、廣義損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響缺口（焊接缺陷、加工缺陷）——疲勞與斷裂腐蝕（一般腐蝕與應(yīng)力腐蝕）——腐蝕疲勞與環(huán)境斷裂殘余應(yīng)力（焊接及冷加工）——疲勞與穩(wěn)定初始變形（加工及運(yùn)輸安裝過(guò)程）——疲勞與穩(wěn)定2021/12/212現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念2021/12/213現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念2021/12/214現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念廣州海印廣場(chǎng)斜拉橋L=120m，＃15索采用191sφ5平行鋼絲，（R=1700Mpa）鍍鋅50μm，ΝiCr純化膜5μm，HDPE套管內(nèi)素水泥漿填充，（水泥漿未凝固）設(shè)計(jì)安全系數(shù)K=3，服役6.5年斷裂。宜賓小南門(mén)橋L=240m,采用21-7φ5普通鋼絞線吊索（R=1500Mpa），簡(jiǎn)易防腐，設(shè)計(jì)安全系數(shù)K=2.4，服役11.5年斷裂。五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實(shí)例1：索的應(yīng)力腐蝕斷裂事故

2021/12/215現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實(shí)例2：廣西百色右江大橋——鋼管拱肋裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展事故L=120m，采用Q345Aφ750鋼管拱，啞鈴型拱肋腹板因焊接過(guò)程與母材缺陷組合，在灌注砼過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)達(dá)7.73m。

3：京滬鐵路濼口黃河大橋——縱橫梁連接疲勞開(kāi)裂事故

L=164.7m鐵路桁梁，已服役90余年，2000年對(duì)橋面系縱橫梁作剩余壽命評(píng)估認(rèn)定承載壽命不足后，全部更換為新橋面系。2004年元月發(fā)現(xiàn)縱橫梁連接角鋼疲勞裂紋已達(dá)500mm為梁高的5/8，服役僅3年。2021/12/216現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實(shí)例4：廣東虎門(mén)大橋——鋼箱梁正交異性橋面板疲勞開(kāi)裂事故

L=888m，國(guó)內(nèi)第一座現(xiàn)代懸索橋，2004年2月發(fā)現(xiàn)縱橫焊縫交叉處疲勞裂紋約40cm，服役6.5年。5：鄂黃長(zhǎng)江大橋——前支點(diǎn)掛籃拉桿斷裂事故

480m預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，前支點(diǎn)掛籃拉桿采用40cr，因螺紋缺口敏感受載過(guò)程斷裂。設(shè)計(jì)安全系安數(shù)K>3.0。2021/12/217現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實(shí)例2021/12/218現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念2021/12/219現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理論，材料力學(xué)不能解決損傷問(wèn)題，簡(jiǎn)單的安全系數(shù)不能保證結(jié)構(gòu)的安全。引入損傷力學(xué)的概念，不再追求“完美無(wú)缺”的材料和結(jié)構(gòu)，采用IIW(國(guó)際焊接協(xié)會(huì))提出的“合于使用”(FitnessforPurpose)的新概念。焊接接頭缺陷的控制水平：承受靜力荷載≤7％，承受動(dòng)力荷載≤3％；探傷質(zhì)量等級(jí)的概念：根據(jù)材料級(jí)別，使用應(yīng)力水平和缺陷大小和數(shù)量進(jìn)行分級(jí)。六、設(shè)計(jì)觀念的更新

2021/12/220現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念建立橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——施工——維護(hù)的系統(tǒng)工程觀念，雖然材料和結(jié)構(gòu)存在損傷但在設(shè)計(jì)周期內(nèi)，損傷的發(fā)展不危及結(jié)構(gòu)安全?？刂撇牧系娜毕莘秶?；控制材料及焊接接頭的韌性和強(qiáng)度的合理配合，韌強(qiáng)比Akv/fy的概念；英國(guó)BS5400規(guī)范AKV≥fY/355*[0.3t（1+0.67kt）]表示了韌性指標(biāo)AKV和材料強(qiáng)度f(wàn)Y、板厚t以及應(yīng)力集中狀況kt的關(guān)系。減少設(shè)計(jì)和工藝對(duì)結(jié)構(gòu)的硬傷六、設(shè)計(jì)觀念的更新

2021/12/221現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念減小焊接系數(shù)量和焊縫尺寸，合理的焊接材料選擇；防腐蝕不再是裝飾，更重要的是保證結(jié)構(gòu)安全的需要，因此更需要建立大氣環(huán)境污染和環(huán)境腐蝕的不同概念，用于指導(dǎo)科學(xué)、合理、完善并有明確使用和維修周期的防腐蝕設(shè)計(jì)。六、設(shè)計(jì)觀念的更新

2021/12/222現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念橋梁的服役過(guò)程類(lèi)似人的生命過(guò)程，有幼年——壯年——老年過(guò)程。因而新的橋梁生命理念表現(xiàn)在：橋梁病理學(xué)；橋梁健康診斷學(xué)和橋梁物理診斷方法；橋梁的疲勞與抗疲勞對(duì)策；橋梁壽命評(píng)估和病害治療；健康橋梁的判別標(biāo)準(zhǔn)及量化指標(biāo)。六、設(shè)計(jì)觀念的更新

2021/12/223現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的新理念六、設(shè)計(jì)觀念的更新

健康橋梁的特征是主體結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期的需要（不發(fā)生彈性失效、屈服、失穩(wěn)、斷