现代桥梁设计的新理念.ppt

现代桥梁设计的新理念,范文理,一、桥梁安全与耐久的理念,1、桥梁结构具有明确的使用功能、实用价值和极强的社会属性，它的安全与耐久直接影响社会经济和人的生命安全，致关重大，不容轻视。 安全性正常使用时具有良好的工作性能； 耐久性正常维护下具有足够的耐久性能； 完整性偶发事件时，保持必需的整体稳定性 （小震不动、中震不坏、大震不垮 ）,我国在建筑结构及公路工程结构可靠度设计统一标准（GB/T50153和GB/T50283-99 ）要求：普通房屋和构筑物设计基准周期为50年，而桥梁结构为100年。 与国际标准基本取得一致。,一、桥梁安全与耐久的理念,2 、桥梁结构的破坏总是由于损伤的不断发展 所致。因而影响桥梁安全和耐久的根本原 因是损伤。,一、桥梁安全与耐久的理念,一、桥梁安全与耐久的理念,3 、由结构耐久性而引发了对桥梁损伤问题的关注：,美国土木工程学会（ASCE）1995年发布的I40报告称： “对复杂结构系统在准确的极限状态，失效（损伤）行为和路经等方面的了解还存在很大的空白。”,国际预应力砼协会（FIP）统计19511979间预应力钢材腐蚀损伤中应力腐蚀占75，寿命大于5年的不足50。 美国应力消除研究委员会调查19501970年20年间建造的大型船舶数百艘，开裂事故144起，60从结构应力集中区发生。,一、桥梁安全与耐久的理念,所有结构从材料、加工过程到使用期不可避免地会在内部和表面形成和发生微小缺陷，在一定外部因素（荷载、温度、腐蚀等）作用下这些缺陷不断扩展和合并，形成宏观裂纹，对结构造成损伤而导致破坏，这些导致材料和结构力学性能劣化的微观结构变化称为损伤。,二、损伤及损伤容限,损伤容限是指结构在规定的使用周期内抵抗由缺陷，裂纹或其它损伤而导致破坏的能力。 损伤容限的设计概念是承认结构在使用前就带来初始缺陷，但必须通过设计的方法把这些缺陷或损伤在结构使用期间内控制在一定范围内保证结构使用的安全与耐久性。 前人对损伤容限的概念并不陌生，如在天然石料的应用中，“十拱九裂”的说法古而有之，带裂缝工作的石拱桥并未危及使用安全。,二、损伤及损伤容限,随着高强度材料的使用所带来的材料对损伤的敏感性； 损伤往往不改变材料固有的基本力学性能但却明显改变了破坏形式，弹塑性材料呈现脆性破坏的形式，同时表现在低能量破坏，尽管应力水平不高，危险性却特大；,三、桥梁结构的损伤,材料损伤材料生产过程中带来的缺陷； 材质改变焊接热过程使焊接接头区附近母材（HAZ）强度提高，塑性韧性下降。 工艺损伤加工过程，施工过程制造的缺陷如焊接缺陷，特别容易由不合理的结构设计带来（钢管拱节点采用肋钣加劲，导致疲劳寿命降低2/3）。 JSSC（日本钢协）桥梁钢结构焊接裂纹统计结果表明：因结构和细节设计不良占47，因加工工艺占31，因材料占17，因其它占5，可见细节设计的重要性。,三、桥梁结构的损伤,服役损伤使用过程中不断产生和发展的缺陷和因腐蚀而加剧。使早期的无害演变为后期的有害。荷载的类型和作用过程是损伤不断扩展的过程。这一点往往被设计和施工忽视。,三、桥梁结构的损伤,四、广义损伤对结构的影响,缺口（焊接缺陷、加工缺陷）疲劳与断裂 腐蚀（一般腐蚀与应力腐蚀）腐蚀疲劳与 环境断裂 残余应力（焊接及冷加工）疲劳与稳定 初始变形（加工及运输安装过程）疲劳与稳定,广州海印广场斜拉桥L=120m，15索采用191s5平行钢丝，（R=1700Mpa）镀锌50m，iCr纯化膜5m，HDPE套管内素水泥浆填充，（水泥浆未凝固）设计安全系数K=3，服役6.5年断裂。 宜宾小南门桥L=240m,采用21-75普通钢绞线吊索（R=1500Mpa），简易防腐，设计安全系数K=2.4，服役11.5年断裂。,五、损伤导致桥梁破坏的实例,1：索的应力腐蚀断裂事故,五、损伤导致桥梁破坏的实例,2：广西百色右江大桥钢管拱肋裂纹失 稳扩展事故,L=120m，采用Q345A750钢管拱，哑铃型拱肋腹板因焊接过程与母材缺陷组合，在灌注砼过程中发生失稳开裂，裂缝长达7.73m。,3：京沪铁路泺口黄河大桥纵横梁连接疲 劳开裂事故,L=164.7m铁路桁梁，已服役90余年，2000年对桥面系纵横梁作剩余寿命评估认定承载寿命不足后，全部更换为新桥面系。2004年元月发现纵横梁连接角钢疲劳裂纹已达500mm为梁高的5/8，服役仅3年。,五、损伤导致桥梁破坏的实例,4：广东虎门大桥钢箱梁正交异性桥面板 疲劳开裂事故,L=888m，国内第一座现代悬索桥，2004年2月发现纵横焊缝交叉处疲劳裂纹约40cm，服役6.5年。,5：鄂黄长江大桥前支点挂篮拉杆断裂事故,480m 预应力砼斜拉桥，前支点挂篮拉杆采用40cr，因螺纹缺口敏感受载过程断裂。 设计安全系安数K3.0。,五、损伤导致桥梁破坏的实例,传统的结构理论，材料力学不能解决损伤问题，简单的安全系数不能保证结构的安全。 引入损伤力学的概念，不再追求“完美无缺”的材料和结构，采用IIW(国际焊接协会)提出的“合于使用”(Fitness for Purpose)的新概念。 焊接接头缺陷的控制水平：承受静力荷载7，承受动力荷载3； 探伤质量等级的概念：根据材料级别，使用应力水平和缺陷大小和数量进行分级。,六、设计观念的更新,建立桥梁结构设计施工维护的系统工程观念，虽然材料和结构存在损伤但在设计周期内，损伤的发展不危及结构安全。控制材料的缺陷范围； 控制材料及焊接接头的韧性和强度的合理配合， 韧强比Akv/fy的概念；英国BS5400规范AKVfY/355*0.3t（1+0.67kt）表示了韧性指标AKV和材料强度fY、板厚t以及应力集中状况kt的关系。 减少设计和工艺对结构的硬伤,六、设计观念的更新,减小焊接系数量和焊缝尺寸，合理的焊接材料选择； 防腐蚀不再是装饰，更重要的是保证结构安全的需要，因此更需要建立大气环境污染和环境腐蚀的不同概念，用于指导科学、合理、完善并有明确使用和维修周期的防腐蚀设计。,六、设计观念的更新,桥梁的服役过程类似人的生命过程，有 幼年壮年老年过程。因而新的 桥梁生命理念表现在： 桥梁病理学； 桥梁健康诊断学和桥梁物理诊断方法； 桥梁的疲劳与抗疲劳对策； 桥梁寿命评估和病害治疗； 健康桥梁的判别标准及量化指标。,六、设计观念的更新,六、设