現(xiàn)代橋梁設(shè)計的新理念.ppt

現(xiàn)代橋梁設(shè)計的新理念,范文理,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、實用價值和極強的社會屬性，它的安全與耐久直接影響社會經(jīng)濟和人的生命安全，致關(guān)重大，不容輕視。 安全性正常使用時具有良好的工作性能； 耐久性正常維護下具有足夠的耐久性能； 完整性偶發(fā)事件時，保持必需的整體穩(wěn)定性 （小震不動、中震不壞、大震不垮 ）,我國在建筑結(jié)構(gòu)及公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準（GB/T50153和GB/T50283-99 ）要求：普通房屋和構(gòu)筑物設(shè)計基準周期為50年，而橋梁結(jié)構(gòu)為100年。 與國際標準基本取得一致。,一、橋梁安全與耐久的理念,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,一、橋梁安全與耐久的理念,3 、由結(jié)構(gòu)耐久性而引發(fā)了對橋梁損傷問題的關(guān)注：,美國土木工程學(xué)會（ASCE）1995年發(fā)布的I40報告稱： “對復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在準確的極限狀態(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?！?國際預(yù)應(yīng)力砼協(xié)會（FIP）統(tǒng)計19511979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。 美國應(yīng)力消除研究委員會調(diào)查19501970年20年間建造的大型船舶數(shù)百艘，開裂事故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,所有結(jié)構(gòu)從材料、加工過程到使用期不可避免地會在內(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展和合并，形成宏觀裂紋，對結(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,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)計概念是承認結(jié)構(gòu)在使用前就帶來初始缺陷，但必須通過設(shè)計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,隨著高強度材料的使用所帶來的材料對損傷的敏感性； 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，同時表現(xiàn)在低能量破壞，盡管應(yīng)力水平不高，危險性卻特大；,三、橋梁結(jié)構(gòu)的損傷,材料損傷材料生產(chǎn)過程中帶來的缺陷； 材質(zhì)改變焊接熱過程使焊接接頭區(qū)附近母材（HAZ）強度提高，塑性韌性下降。 工藝損傷加工過程，施工過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)計帶來（鋼管拱節(jié)點采用肋鈑加勁，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)計結(jié)果表明：因結(jié)構(gòu)和細節(jié)設(shè)計不良占47，因加工工藝占31，因材料占17，因其它占5，可見細節(jié)設(shè)計的重要性。,三、橋梁結(jié)構(gòu)的損傷,服役損傷使用過程中不斷產(chǎn)生和發(fā)展的缺陷和因腐蝕而加劇。使早期的無害演變?yōu)楹笃诘挠泻?。荷載的類型和作用過程是損傷不斷擴展的過程。這一點往往被設(shè)計和施工忽視。,三、橋梁結(jié)構(gòu)的損傷,四、廣義損傷對結(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（加工及運輸安裝過程）疲勞與穩(wěn)定,廣州海印廣場斜拉橋L=120m，15索采用191s5平行鋼絲，（R=1700Mpa）鍍鋅50m，iCr純化膜5m，HDPE套管內(nèi)素水泥漿填充，（水泥漿未凝固）設(shè)計安全系數(shù)K=3，服役6.5年斷裂。 宜賓小南門橋L=240m,采用21-75普通鋼絞線吊索（R=1500Mpa），簡易防腐，設(shè)計安全系數(shù)K=2.4，服役11.5年斷裂。,五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實例,1：索的應(yīng)力腐蝕斷裂事故,五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實例,2：廣西百色右江大橋鋼管拱肋裂紋失 穩(wěn)擴展事故,L=120m，采用Q345A750鋼管拱，啞鈴型拱肋腹板因焊接過程與母材缺陷組合，在灌注砼過程中發(fā)生失穩(wěn)開裂，裂縫長達7.73m。,3：京滬鐵路濼口黃河大橋縱橫梁連接疲 勞開裂事故,L=164.7m鐵路桁梁，已服役90余年，2000年對橋面系縱橫梁作剩余壽命評估認定承載壽命不足后，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500mm為梁高的5/8，服役僅3年。,五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實例,4：廣東虎門大橋鋼箱梁正交異性橋面板 疲勞開裂事故,L=888m，國內(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：鄂黃長江大橋前支點掛籃拉桿斷裂事故,480m 預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，前支點掛籃拉桿采用40cr，因螺紋缺口敏感受載過程斷裂。 設(shè)計安全系安數(shù)K3.0。,五、損傷導(dǎo)致橋梁破壞的實例,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理論，材料力學(xué)不能解決損傷問題，簡單的安全系數(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“完美無缺”的材料和結(jié)構(gòu)，采用IIW(國際焊接協(xié)會)提出的“合于使用”(Fitness for Purpose)的新概念。 焊接接頭缺陷的控制水平：承受靜力荷載7，承受動力荷載3； 探傷質(zhì)量等級的概念：根據(jù)材料級別，使用應(yīng)力水平和缺陷大小和數(shù)量進行分級。,六、設(shè)計觀念的更新,建立橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計施工維護的系統(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度的合理配合， 韌強比Akv/fy的概念；英國BS5400規(guī)范AKVfY/355*0.3t（1+0.67kt）表示了韌性指標AKV和材料強度fY、板厚t以及應(yīng)力集中狀況kt的關(guān)系。 減少設(shè)計和工藝對結(jié)構(gòu)的硬傷,六、設(shè)計觀念的更新,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。,六、設(shè)計觀念的更新,橋梁的服役過程類似人的生命過程，有 幼年壯年老年過程。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策； 橋梁壽命評估和病害治療； 健康橋梁的判別標準及量化指標。,六、設(shè)計觀念的更新,六、設(shè)