现行混凝土结构设计（精选6篇）
现行混凝土结构设计 篇1
我国现行混凝土结构设计规范的耐久性设置水准, 并不能满足《建筑法》规定的必须确保主体结构在工程合理使用寿命内的质量要求, 建筑物的使用寿命土建工程质量的集中表现, 也是建设工程是否进入可持续发展的重要标志,
1 工程的合理使用寿命与结构的设计使用年限
使用寿命与使用年限为同义语, 二者可从不同角度派生出多种术语, 如合理使用寿命, 设计使用年限, 经济使用年限, 剩余使用年限等等。
1.1 主体结构设计的目标使用年限就是工程
的合理合适使用寿命, 因而两者有相同的量值, 比如合理使用寿命为50年, 或者不小于50年, 而建筑工程中非承重的建筑部件和建筑设备又当别论, 后者的使用寿命一般较短, 需在工程的合理使用寿命期内更新或大修。
1.2 为“确保”合理使用寿命内的工程质量, 结
构的耐久性或设计使用年限必须具有足够大的安全度中保证率, 这是由于影响结构使用年限的环境条件、材料性能和钢筋的混凝土保护层厚度等诸多因素都有很大的变异性, 如果用概率可靠度方法设计, 则设计使用年限应是与某一足够小的失效概率相应的使用年限特征值或分位值;如果用安全系数方法设计, 则需引入安全系数。否则设计出来的结构就其耐久性来说, 就可能会近半数达不到规定的设计使用年限而需要设计或施工责任方“赔偿”, 这种后果当然不再接受。
1.3 主体结构质量的“必须确保”以及否则必
须“赔偿”, 也意味着主体结构在其设计使用年限内应不需大修。我国《建筑法》中的这些要求, 与国际上的通用做法和认识是一致的, 建筑物常被认为是房屋建筑, 主体和认识是一致的, 建筑物常被认为是房屋建筑, 主体结构在其设计使用年限内不需大修的要求, 通常系对一般环境作用下的民用房屋而言, 对于环境作用特别严重的桥梁等土木工程和某些工程厂房, 限于技术上的可行性或基于经济上的合理性, 是有可能需要在设计使用年限内安排一次或几次大修的, 在这种情况下, 设计人应通过技术可行性分析, 全寿命费用比较之下慎重考虑大修期间因工程暂停使用的可能后果, 并应在设计文件中明确提出设计使用年限内的预期大修期限与结构耐久性能的定期检测要求。
工程设计人在确定结构的使用年限时, 应该首先体现业主和例行得的利益, 还要符合国家有关法规和标准中的规定的要求。可建筑法提出的工程合理使用寿命是结构设计必须做到的结构最主要的性能目标, 它集中概括了对于结构的适用性、安全性、耐久性要求, 作为技术标准的结构设计规范本应为落实建筑法提供具体的保证, 但遗憾的是:现行规范中的一些规定却之背离并起了相反的作用。
2 设计使用年限的保证率
结构设计需要考虑的外加作用主要有一般荷载的作用和环境作用, 一般荷载与偶然荷载作用下的结构设计主要有力学作用下的强度设计, 即使有疲劳荷载或荷载持久作用下的材料性能发生改变的耐久性问题, 也都在强度设计中加以考虑, 环境作用则导致结构的材料性能随时间缓慢衰减, 属于广义的物理与化学作用, 通常所说的结构耐久性设计, 指的是环境作用下的结构设计, 所谓结构的耐久性, 就是结构在其设计使用年限内的材料劣化不致损害到结构正常使用的能力。
适用性极限状态相应的寿命安全系数约为1.8-2.0, 对于设计使用年限为50年的一般房屋结构, 不需大修的实际使用寿命对于绝大部分结构来说都会远大于50年, 就其平均来说应接近100年一个房屋到了设计使用年限以后, 决不是不能用而是结构大修的可能性会逐年增加, 大修以后当然还可继续使用, 不过最后总会有被拆除的一天, 因为不断的大修可能在经济上不如重建合理。
3 影响工程寿命的主要因素
3.1 结构耐久性设计的设置水准。
3.1.1为防止钢筋锈蚀规定的混凝土保护层最小设计厚度过厚总体上只有建国前和建国初或国际通用标准所要求的一半左右, 从20世纪50年代初照搬当量苏联规范开始到本世纪初, 规范的安全与耐久性设置水准就总体而言技术降低, 降了技术干燥的室内环境与长期处于无侵蚀的静水环境中的混凝土构件由于缺乏水分或氧气供给不至于发生锈蚀外, 规范要求的保护层最小厚度并不能满足一般房屋50年使用年限的耐久性需要, 规范在保护层最小厚度上的问题或失误还包括:只考虑主筋的耐久性而不首先考虑最易锈蚀的最外侧箍筋或分布筋的耐久性需要, 在保护层最小设计厚度中忽略了与保护层厚度同一数量级的保护层施工负允差;还有对于厚度超过40mm的混凝土保护层, 竟要求在其中再设置一层有锈蚀可能的防裂钢筋网, 从而使得本来可能已经不足的保护层最小厚度再减少一半。3.1.2规范并没有考虑近几十年来由于水泥性能和施工速度的巨大变化对于混凝土耐久性的影响, 例如水泥的强度与细度的成倍提高使得混凝土水化速度加快和水灰比增大, 混凝土养护时间从50年前普遍要求的至少7d缩短到现在以快速施工为常规的1~3d, 这些都严重损害到混凝土材料特别是低强混凝土的耐久性, 规范长期固守低标准的耐久性要求不变, 比如坚持采用耐久性业已今不如昔的C20C15那样的低强混凝土用于配筋结构, 而这些混凝土在发达国家早已不再用于配有钢筋的混凝土结构。3.1.3规范的环境级别划分过粗, 同一级别中包含了作用严重程度相差十分悬殊的各种环境条件, 而规定的保护层最小厚度与混凝土最低性能要求, 基本上只能勉强满足其中环境条件最为有利的少量情况, 以致多数情况按照规范去做就给工程造成严重损害, 国外有的规范还有将环境级别划分较粗的, 如笼统地将海洋环境作为一个级别, 但所规定的耐久性最低要求则按其中最严酷的环境条件考虑, 不分水下区、浪溅区、大气区, 配筋构件均要求有75mm或100mm的保护层厚度。3.1.4设计规范没有明确要求在冻融作用下需要采用引气混凝土或高强混凝土, 以致寒冷地区的室外受湿混凝土普遍遭到冻蚀。计规范的这些不足有其客观历史原因, 问题在于不能与时俱进以适应改革开放后现代化建设要求。
3.2 结构安全性设计的设置水准。
结构的安全性是结构在各种可能作用下、防止破坏倒塌并保护人员财产免遭损害的能力, 它是结构最重要的质量要求, 结构安全性的内涵至少应包含两个方面, 即结构每一构件的承载能力安全性与结构作为整体的牢固性, 所谓结构的整体牢固性, 是结构在可预见或不可预见的作用下, 造成局部损坏时不致引发大范围连续倒塌的能力, 或者说应不致破坏到不致引发大范围连续倒塌的能力, 或者说应不致破坏到与其初始时因不相称的地步, 结构的整体牢固性主要依靠结构的合理选型, 构件之间的可靠连接, 构件的延性及结构冗余度等多种因素, 尚难用单一参数予以量化。
3.3 影响房屋寿命的非技术因素。
国内已建的一般房屋要总体达到50年设计使用年限或百年平均寿命的目标尚有较大差距。从技术上看, 虽然结构设计规范对耐久性、安全性和适用性要求的设置水准低是根本原因, 但也不至于使得结构的实际使用寿命降低到平均只有30年, 所以30年寿命甚至更短, 主要是依据近年被拆的大量建筑物而言, 那是当前无序的人为大拆除的结果。很多建筑是借旧城改造之名, 纯为追逐经济利润或为营造所谓干部“政绩”而被成批铲除的, 一个地区在同一地皮上的房子在不长时间内拆了2~3遍, 不少城市内连高层甚至超高层建筑也不乏拆除, 与此同时, 全国千城一面, 建筑历史文化遭到严重破坏。近年来的经济高速发展, 对工程建设速度的盲目追求, 三边建设的“正常化”低价中标的恶性竞争, 以及不经培训的农民工成为施工一线大军, 这些不可避免地要带来工程设计、施工质量的不同程度下降, 其中受害最深的莫过于工程使用寿命与耐久性。
结束语
要大幅度提升结构设计规范的耐久性设置水准和结构抗灾能力的整体牢固性要求, 同时还要完善建筑物和工程建设的管理制度, 制定相关法规, 来解决影响建筑特质量的深层次问题, 才能确保混凝土结构在工程合理使用寿命内的质量, 同时做到在新建工程中不再遗留大的隐患。
现行混凝土结构设计 篇2
1 分项系数取值方法的研究现状
自20世纪80年代以来, 各国相继推出分项系数极限状态设计方法, 并且在90年代开始逐步施行可靠度设计理念和分项系数设计方法。而国内在《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》 (GB50199-94) 中对于如何确定极限状态表达式中的分项系数做出了相关规定。其规范中确定方法的特点是, 根据随机变量的物理含义、设计验算点的大致范围等因素, 人为地选定设计验算点来确定分项系数。由于是人为选定某一设计验算点, 由此造成的结构可靠指标与目标指标的不一致问题通过在设计表达式中引进结构系数γd来解决。重力坝的抗滑稳定计算中的分项系数的采用, 都是根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》 (GB50199-94) 中的相关规定。徐建强[22]等认为, 在确定材料性能的分项系数时, 为了简化, 材料的抗剪断强度指标的标准值采用地质建议值 (平均值) , 设计, 设计值在保证率95%处取值, 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数的概率分布模型为正态分布, 凝聚力的概率分布模型为对数正态分布。而侯建国[23]等则认为材料强度的分项系数的标准值对其混凝土应在其保证率95%处考虑, 材料强度的设计值与《混凝土结构设计规范》 (GBJ 10-89) 取相同的指标。
国外对于分项系数的取值, 针对不同的设计规范, 其取值较为模糊, 在国内徐建强等的方案简单化, 便于设计, 但是对材料分项系数的标准值取值过于简单, 缺乏一定的可靠性, 而侯建国等的方案和规范相一致, 但是不符合习惯用法, 设计较为麻烦。
2 水工混凝土结构设计方法的研究
2.1 结构设计方法的发展历程
在工程结构设计方法的研究过程中, 先后提出了不同的三种方法, 即工作应力设计方法 (简称WSD方法) 、基于可靠度理论的设计方法 (简称RBD方法) 、分项系数极限状态设计方法 (简称LRFD或LSD方法) 。
WSD方法是传统分析方法, 已经有悠久的历史, 用单一安全系数衡量建筑物的安全性能, 也可称安全系数法。通常把它定义为结构抗力 (R) 与作用效应 (S) 的比值:
在重力坝的抗滑稳定分析中, 混凝土重力坝设计规范 (SL319-2005) [14]仍然沿用传统的单一安全系数方法。规定重力坝抗滑稳定依照抗剪断强度公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数。抗剪断强度的计算表达式:
式中:K′为抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;f′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数;C′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力;A为坝基接触面截面积;∑W为作用于坝体上全部荷载 (包括扬压力) 对滑动平面的法向分值;∑P为作用于坝体上全部荷载对滑动的切向分值。
RBD方法是用可靠度概念与概率理论将不确定性的因素定量化, 各参数都被当成随机变量而不是固定值。采用失效概率来衡量安全性。失效概率具有很强的客观性, 但是RBD方法比确定性方法更复杂, 条件允许的情况下, 采用RBD方法能给出较为一致的安全或风险水平。基于可靠度的概率设计方法目前有三个等级:
(1) 完全概率方法, 也称“水准Ⅲ”可靠度方法。每个随机变量的概率分布都能够求出, 并且能真实的反映情况。这种方法由于目前设计变量信息的局限, 基于可靠度的设计方法并不可行。
(2) 近似概率方法, 另称“水准Ⅱ”可靠度方法。这种方法不要求确切的知道所有随机变量真实的概率分布情况。常用的近似概率方法就是一次二阶矩法。
(3) 半概率方法, 即“水准Ⅰ”可靠度方法, 安全性由独立的作用和抗力系数来表示。这些系数都是根据“水准Ⅱ”可靠度分析方法确定。这种方法是大多数使用或者基于概率方法的设计规范的基本原理。分项系数极限状态设计方法就是在此基础上设计的。
分项系数极限状态设计方法就是以概率理论为基础, 并且能够综合的考虑影响到结构安全度的各项参数的变异特性, 使结构设计更趋于合理。且比基于可靠度理论的设计方法的工作量小, 更为方便。《混凝土重力坝设计规范》DL5108-1999中重力坝对于抗滑稳定设计采用此方法。
2.2 分项系数极限状态方法基本原理
分项系数极限状态设计方法国内外采取了相同的设计原理, 以分项系数和基本变量的代表值反映功能函数中基本变量的不确定性, 并和规定的目标可靠度指标相联系。
一般结构的极限状态可采用下列的极限状态方法:
式中:g (·) 为结构功能函数;Xi (i=1, 2, …, n) 为基本变量, 指结构上各种作用与环境影响、材料和岩土的性能及几何参数等。
结构按极限状态设计应该符合下列要求:
当采用结构作用效应和结构抗力作为综合基本变量时, 结构按极限状态设计应该符合下列要求:
式中:R为结构抗力;S为结构作用效应。
在国外《General principles on reliability for structures》ISO2394-1998[1]和《Eurocode-Basis of structural design》BS EN1990-2002[2]中采用类似的极限状态设计表达式为:
式中:Sd为作用组合的效应设计值;Rd为结构或结构构件的抗力设计值。
2.3 分项系数设计表达式
目前结构构件的极限状态设计表达式中所包含的各种分项系数, 可根据有关基本变量的概率分布类型和统计参数及规定的可靠指标, 且通过计算分析, 并结合工程的经验, 经优化确定。当缺乏统计的数据时, 可根据传统的或经验的设计方法, 由有关标准规定各种分项系数。国外《General principles on reliability for structures》ISO 2394-1998[1]、《Eurocode-Basis of structural design》BS EN 1990-2002[2]和《Eurocode-7》[4]在分项系数的设计方法和国内较为一致, 但是美国关于LRFD提出其荷载抗力分项系数设计法中对分项系数的分类模糊, 并且没有严格意义上的设计方法。
而目前国内在《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008[10]的基础上, 《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》 (征求意见稿) [11]对结构设计方法以概率理论为基础, 以分项系数和结构系数表达的极限状态设计方法为主导, 并且还容许在缺乏统计资料的个别情况按传统有效的单一安全系数或允许应力方法进行设计, 在承载能力极限状态验算的表达式中引进了结构调整系数, 《混凝土重力坝设计规范》DL5108-1999[13]、《溢洪道设计规范》DT/L5166-2002[15]、《水工隧洞设计规范》DL/T5159-2004[16]、《混凝土拱坝设计规范》DL/T5346-2006[17]和《水工混凝土结构设计规范》DL/T5057-2009[18]都采用了同样的表达式:
式中:S (·) 为作用组合的效应设计值函数;R (·) 为结构构件的抗力设计值;γ0为结构重要性系数对应于结构安全级别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的结构及构件, 可分别取用1.1、1.0、0.9;ψ为设计状况系数对应于持久状况短暂状况偶然状况可分别取用1.0、0.95、0.85;γd为结构系数;ak为几何参数的标准值;fk为材料性能的标准值;γm为材料性能分项系数。
其中《混凝土重力坝设计规范》DL5108-1999[13]中规定对基本组合, 应采用极限状态设计表达式:
式中:γG为永久作用分项系数;γQ为可变作用分项系数;Gk为永久作用标准值;Qk为可变作用标准值;
3 国内外规范材料分项系数取值比较
3.1 水工混凝土结构材料分项系数取值方法
材料强度分项系数的取值应根据材料以及其失效概率进行考虑, 且根据具体的实际情况选择, 通过收集国内外的已知相关资料, 目前已知国外《Eruocode-Basis of structural design》BS EN 1990-2002[2]中对于材料强度分项系数的计算采用下列公式:
式中:Xk为材料性能的标准值;Xd为材料性能的设计值;η为影响因素因子的平均值。
而在ISO 2394-1998[1]和国内对于材料强度分项系数γm的计算基本上采用类似的公式, 一般按下式计算:
式中:fk为材料性能的标准值;fd为材料性能的设计值。
在《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》 (征求意见稿) [11]材料 (包括地基、围岩) 性能分项系数, 可根据它们的概率分布模型, 分别按下列公式计算:
(1) 正态分布。
(2) 对数正态分布。
其中
式中:δm为材料性能的变异系数;分别为相应于材料性能的设计值、标准值在标准正态分布上的概率, 为宜在其设计验算点附近选用。
但是在《混凝土拱坝设计规范》DL/T5346-2006[17]舍弃了其他规范中的关于材料分项系数的计算公式, 而是采用γm=γ1γ2, 第一项折减γ1=1/0.78, 第二项折减系数γ2=1/0.5, 因此, 材料分项系数大约为2.56, 是一个大于2的系数, 取2.0。
因此, 通过对比研究国内外的规范, 建议对于材料分项系数一般采用, 但考虑到设计目的的不同, 也可以参照相应的规范。
3.2 国内外水工混凝土结构材料性能的标准值取值研究
按照《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》 (征求意见稿) [11]中的规定, 结合有关水工混凝土材料的特点, 材料强度的标准值按下式表示:
(1) 正态分布。
(2) 对数正态分布。
式中:μf、σf及δf分别为材料强度的平均值、标准差及变异系数。
目前已知的国内外的规范中对混凝土材料的标准值的取值较为一致, 混凝土强度的概率分布宜采用正态分布或者对数正态分布, 混凝土材料 (不包括大体积混凝土) 标准值可以按其概率分布的0.05分位值确定, 也就是其保证率达到95%, , 水工大体积混凝土结构的尺寸有时不应由应力条件控制, 由结构布置或者重力稳定条件决定。若其强度标准值采用水工钢筋混凝土结构的混凝土强度标准值的分位值, 将会导致增大水泥的用量, 造成浪费。因此, 根据混凝土生产质量水平的标准, 当强度达到标准值的80%以上的保证率作为合格, 达到90%以上则为优良。因而大体积混凝土强度标准值宜采用0.2的分位值, 也就是, 具体的相关规范见表1、表2。
在表1与表2中列出国内外水工混凝土的规范, 并且参考一些相关行业的结构设计规范, 通过对比规范中提出的混凝土分项系数标准值的取值方法, 分析其利弊。其中在《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》 (GB50199-94) 中其材料分项系数标准值的取值, 其中规定, 岩质坝基和围岩的抗剪强度, 一般根据现场的少量试件进行统计分析, 考虑到有采用小值平均的工程经验, 该值与0.2分位值接近, 故规定标准值采用0.2分位值, 而在其他的相关的水利工程规范中都采用这一方法, 但在国外对于大体积混凝土并无明确的规定。而在表3中, 又参照了钢筋的强度标准值的取值标准, 钢筋强度标准值可按符合规定质量的钢筋总体分布总体的0.05分位数确定, 其保证率不小于95%, 这一规定符合要求, 且偏于安全。这样, 更能使我们明确混凝土标准值的采用方法。因此, 对于材料性能的标准值, 一般按照上述公式进行计算, 混凝土材料的标准值按其概率分布的0.05分位值确定, , 水工大体积混凝土材料按去概率分布的0.2分位值, 也就是。
3.3 国内外水工混凝土结构材料性能设计值的取值比较
材料性能设计值的取值方法与标准值的取值方法相似, 都是有一定的保证率为基础, 用下列公式表示:
(1) 正态分布。
注:表中fcu, k表示混凝土强度的标准值。
(2) 对数正态分布。
式中:μf、σf及δf分别为材料强度的平均值、标准差及变异系数。
关于设计值的选择, 国外的相关规定中并没有明确的规定, 在表1中, 不难发现由于材料性能的差异, 测量方法的不同, 因而确定其取值较为困难, 可以根据经验选取。在国内就大体积混凝土材料的设计值而言, 通过表1和表2中的相关规范, 发现《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》 (征求意见稿) [11]中规定宜在其设计验算点附近选用, 在理论上设计值是“设计验算点”处的变量值, 故而在设计验算点附近选取比较困难。其他规范的设计方法与此类似。而建筑结构规范里关于材料分项系数的设计值取值方法原理与其相同, 但表达式相差太大, 研究意义不大。而钢筋强度设计值采用上述公式的取值原则, 并且在《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》 (征求意见稿) [11]中建议钢筋强度设计值中的, 相应的保证率为97.73%。
因此, 考虑到各种因素的影响, 在采用上述公式的前提下, 对于大体积混凝土材料的设计值, 本文建议可以满足其保证率为97.73%, , 以供参考。
3.4 抗剪断强度指标分项系数的探讨
对于混凝土重力坝坝基及岩石抗剪断强度指标分项系数γf、γc取值的研究, 《混凝土重力坝设计规范》DL5108-1999[13]规定将抗剪断摩擦系数概率分布模型取正态分布, 抗剪断凝聚力取对数正态分布。求分项系数γf、γc计算公式中的标准值可按《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》[10]中规定“岩、土材料和土基强度的标准值可按其概率分布的0.1分位值”, 在《混凝土重力坝设计规范》DL5108-1999[13]进行折减, 与大体积混凝土材料的标准值取值一致, 即按其概率分布的0.2分位值, 但在一些相关的文献中确有所有不同, 见表4、表5。但是对其设计值中关于设计验算点的计算却未提及, 用经验估计代替, 并且相关文献也采取了一些建议方法, 见表4、表5。
4 水工混凝土结构系数取值设计原理
在设计表达式中引入结构系数γd, 主要是为使按分项系数设计表达式设计出的水工结构具有规定的目标可靠指标, 根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》[10]中规定, 结构系数的取值在已知结构的分项系数极限状态设计表达式和分项系数, 材料性能和作用的概率分布模型、均值、变异系数, 抗力和作用效应计算模式不定性的统计参数以及作用和材料性能的标准值及分项系数, 结构目标可靠指标β的情况下, 利用已知的作用和材料性能的标准值、分项系数, 根据分项系数极限状态设计式计算出结构的几何尺寸, 然后利用求得的结构几何尺寸、作用和结构材料性能的统计参数和作用效应与抗力的计算模式不定性统计参数, 计算出抗力和作用效应的相应参数, 计算出βi, 将算出的可靠指标βi与目标可靠指标β比较, 如满足|βi-β|≤ε, 则假定的γd即为所求。
在不同的规范, 对于同类结构, 根据影响结构系数计算的各种因素对工程大小的影响程度, 确定各种因素的加权系数。然后计算各种设计状况下的结构系数加权平均后确定结构系数γd, 根据试设计成果和工程设计经验分析判断, 最终确定规范选用的γd值。
5 抗滑稳定分析中分项系数的采用
随着可靠度理论的在结构和岩土领域的应用, 坝体抗滑稳定分析基于可靠度思想, 采用了分项系数法, 其中根据实际工程中不同结构面上的抗剪断摩擦系数和凝聚力变异性的特点, 引入了滑动面上抗剪断强度参数的分项系数。因此分析坝体的抗滑稳定时, 应满足极限状态设计表达式, 但在国内外的设计规范中, 其相应的设计表达式中的分项系数, 却略有差异, 见表6。
通过表6不难发现, 对于混凝土重力坝抗滑稳定的分项系数, 国内外规范中存在明显的差异, 且设计比较复杂, 因此对于分项系数的统一设计显得十分的重要。
注:《Eurocode7-Geotechnical design》EN:1997中设计方法一主要为了校核地基的可靠度, 一般用于早期的结构计算, 更能反映不确定的因素, 是一种特殊的分项系数设计方法, 而其中的组合一主要考虑作用荷载的影响, 组合二则充分考虑了材料和抗力的作用;设计方法二同样是校核地基的可靠度, 不考虑地应力, 但是一般用于晚期的结构计算, 且可以用于斜坡, 桩基和锚固结构;设计方法三校核地基的可靠度, 不考虑岩体和抗力作用, 也用于早期的结构计算但是和方法一还不同, 不仅仅单一的用在一个阶段, 可以用于斜坡, 桩基和锚固结构。《Selection of characteristic values and partial factors in geotechnical designs to Eurocode 7》中状况A主要是在不考虑地面和结构优势情况下荷载作用下的不确定性, 荷载主要依靠自重和静水压力, 相当于Eurocode7中的设计方法一;状况B主要考虑作用的不确定性, 对于荷载的作用较明显, 类似于Eurocode7中的设计方法二;状况C则充分的考虑了材料属性的影响, 相当于Eurocode7中的设计方法三。
6 结语
本文通过对国内外具有代表性的相关结构设计规范中关于分项设计方法以及材料性能进行对比研究分析, 得出以下几点结论和建议:
现行混凝土结构设计 篇3
1 沥青混凝土路面现行施工工艺流程介绍
现行的沥青混凝土路面施工工艺主要包括沥青混合料的制备、沥青混合料的运输、沥青混合料的摊铺、铺层的压实,与之对应的机械设备分别为:沥青混凝土拌和楼、自卸车、沥青混凝土摊铺机、压路机。
现有施工工艺中,沥青混合料拌和机把一定配合比的原材料加热拌和成沥青混合料;运输车辆将拌和好的沥青混合料运至沥青混合料摊铺机前并卸料;沥青混合料摊铺机在满足摊铺温度的前提下,对该沥青混合料按一定的技术要求进行摊铺;初压压路机对摊铺好的混合料进行初压;复压压路机进行复压;终压压路机进行终压并形成路面,其工艺流程如下:
2 现行工艺中存在的离析问题
现行的沥青路面施工工艺是将拌和设备生产的沥青混合料通过自卸车直接倒入沥青摊铺机的料斗中,然后进行摊铺、压实。国内外内施工实践证明,通过这种工艺成形的路面存在一些普遍的缺陷,路面的早期破损现象比较严重,其中最主要的是离析问题。
所谓沥青混合料离析是指在路面某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀,包括沥青含量、级配组成、添加剂含量以及路面的孔隙率等。对一般的沥青混合料而言,分为集料离析和温度离析,对于SMA而言还可能存在集料——沥青离析。
一般情况下,温度离析常常伴随着集料离析。低温混合料中沥青的粘度大,在同等压实条件下更难压实,常常更像集料离析,表现出表面粗糙,孔隙率大,渗水严重。
集料离析使路面的粗细集料明显分离。粗集料集中部位,往往是因为混合料配合不当或者严重的油石比偏小以及严重的压实度不足。粗集料集中的部位表面相对粗糙,在雨中无水膜,无“反光”现象,且雨后有明显的水迹,严重的则经久不干;细料集中的部位表面相对光滑,在雨中有明显的水膜,并出现“反光”现象,而雨后则迅速变干,呈灰白颜色。
沥青混合料集料离析归根结底就是看其级配是否发生了变化,与出场级配偏离了多少。因此评判混合料是否发生集料离析最有效的方法是进行取样筛分。同时混合料的级配对成型路面的构造深度、密度、压实度都有影响,因此延伸而来的检测方法有视觉观察法、铺砂法、核子密度仪法。
混合料是否发生温度离析,则主要看它的温度是否均匀,可以用点温计进行逐点测温,也可以用红外线热像仪进行拍摄。
现行施工工艺下离析的问题主要体现在以下几个方面:
2.1 生产
(1)产生初步材料离析和温度离析
在拌和设备处,离析最敏感的区域是聚料斗和贮料仓,在沥青混合料向聚料斗和贮料仓装料时会产生材料和温度离析。沥青混合料从贮料仓向运输车里输送时,由于高度原因,大骨料滚落在车厢附近,粗骨料在车厢周围比较集中,形成材料离析。同时车厢四壁由于和外界直接接触,温度较低,当热混合料与四壁接触时,温度会明显降低,而车厢中心的温度就不会有太大的变化,从而形成温度离析。
(2)没有严格按工况条件进行搅拌
拌和设备生产能力的确定关键是正确、严格地规定标定条件,一般条件如下:①工况条件大气温度或供给集料温度为15℃或20℃,集料平均含水率5%,热集料出料温度为160℃。②材料条件最大骨料粒径不超过20mm;粉料含量4%～5%;沥青含量4%～7%。
通常不管哪一类的沥青混合料拌和设备其生产率都是在规定的条件下所计算出来的,但是由于每一工程其各种情况都是不同的,存在极大的差异,如夏季施工和冬季施工,同一拌和设备的生产率相差很大。
(3)拌和设备拌和时间不规范
搅拌时间是干拌时间和湿拌时间的总和,它直接决定了材料在搅拌锅内经受各种搅拌作用的持续时间,是影响搅拌质量和生产率的决定性因素。缩短拌和时间意味着增加拌和设备的生产率,而增加拌和时间显然会改善材料拌和的均匀度。当然,过长的拌和时间也会对混合料的质量产生负面的影响,它会增加集料在搅拌锅内被两次破碎的概率,尤其是导致沥青的老化、降低沥青薄膜的针入度,而使之变硬。但大多数拌和设备的搅拌时间均是由试验确定的,没有一个统一的规范。
2.2 运输
(1)材料离析
上面已述及在向运输车装料过程中会产生骨料的离析,同样,运输车在运料过程中由于道路不平整也会产生骨料的离析,大骨料集中分布在料斗四周。
(2)温度离析
运输过程对混合料质量的影响还在于温度的离析。美国ASTC公司的研究结果表明,温度离析是导致摊铺质量问题的一大因素。现行工艺中,运输车一般吨位较小,由于普通的运输车辆没有良好的保温设施,通常采用帆布遮盖,在长时间的运输和待卸料过程中会使混合料温度下降过多,低于规定的摊铺温度会造成废料。特别是整车料的温度下降不均匀,整车料表面的料温比中部的料温要低20℃左右,造成温度离析。而摊铺机的布料过程无法使混合料的温度充分平衡。在压实过程中,低温的料不能获得所需的压实度,铺层局部孔隙高,导致渗水和日后的早期病害。
周期性离析问题与从沥青混凝土拌和厂将混合料运送到摊铺现场过程中沥青混合料的温度差别有关。在铺筑之前,热拌沥青混合料的温度差别导致施工过程中铺筑层产生潜在的破坏,温度差别破坏从装有热拌混合料的卡车向摊铺机卸料开始。如果所装的混合料发生了温度差别,卸料时,料车表面温度低的料落在摊铺机收料斗的底部,此后可能有两种不同情况。一种情况是沿料车两侧温度低的混合料被挤向摊铺机收料斗的两侧。当料车卸完料以及收料斗中料堆接近消失时,两侧冷料向内落下并覆盖在条板输送带上混合料的上面。如驾驶员把两边侧板翻起,则侧板里的温度较低和粗料较多的混合料都落在条板输送带上混合料的上面。在下一辆料车尚未到达摊铺机之前,收料斗中的剩余料被输送到后面的分料室并被整平。整平板不可能使较冷的混合料与高温混合料一样固结,在摊铺层上就会出现开式的离析小面积(温度差别和材料离析破坏)。第二种情况是,当一辆料车到达摊铺机前并向收料斗卸料时,冷混合料被输送到后面的分料室并被整平,熨平板不可能使较冷混合料与高温混合料一样固结,在摊铺层上也会出现开式的离析小面积(温度差别破坏)。由于每一辆料车都可能产生这种离析破坏,周期性的破坏现象也就变成明显的了。
2.3 卸料
(1)影响摊铺机作业的连续性
现行工艺中由运输车直接向摊铺机卸料过程中避免出现摊铺机待料和运输车与摊铺机的碰撞,机械间的碰撞直接影响了摊铺平整度,而摊铺机的待料使摊铺机不能保持连续作业,停机再起动使铺层出现波状起伏。间接的影响了摊铺平整度;同时,作业的不连续对压路机的压实作业也带来不利影响。
(2)自卸车易与摊铺机发生碰撞
由于自卸车把沥青混合料运到摊铺现场之后,直接向摊铺机料斗中卸料,此时汽车挂空挡,由摊铺机推着前进。但是当摊铺机在一直工作时,其受力恒定,当突然碰到前面的自卸车时,受力会发生变化而打破原来的平衡状态,破坏摊铺机的恒定工作,使铺层出现波浪,严重影响路面的平整度,同时对压路机的碾压作业也带来不利的影响,因此卸料时相当于对摊铺机加载,卸料完毕时相当于对摊铺机卸载,这样频繁加载、卸载造成了摊铺机的工作不稳定。
(3)会产生材料离析和温度离析
自卸车在向摊铺机料斗卸料中,那些大颗粒骨料会滚向摊铺机料斗的四周,并且先落下来,造成材料离析。同时摊铺机料斗边缘由于和大气直接接触,温度较低,因此斗壁附近的混合料温度会迅速降低,而料斗中央的混合料温度变化不大,这样就造成了温度离析。
2.4 摊铺
(1)材料离析
即使通过冷料仓、拌和设备和贮料仓成功地生产了沥青混合料,均匀地装到卡车内并整体式卸入摊铺机收料斗,在摊铺机内仍可能发生离析。如摊铺机操作不合适,能够产生不同程度的离析。
在每辆卡车卸料之间衔接不好,前一车料己用完,后一车才开始卸料。一般收料斗两侧的混合料含粗粒料多,没有重叠混匀的机会。
料斗侧板翻起的次数过多,从而材料往后输料时发生的滚动的机会也多。
摊铺过程不连续,摊铺速度变化频繁,反复的停顿和重新启动使摊铺机的作业条件不稳定。
分料器运转不连续,混合料会在摊铺机日产生显著离析。
分料器转得太快,造成中间缺料。
在横向布料时存在骨料离析,大骨料被输送到摊铺带两边,而细骨料留在中间。当摊铺宽度过大时尤其严重。
运输车上已造成的混合料温度离析无法在摊铺过程中得到补偿。
由于没有智能化控制手段,作业的连续性和作业参数的稳定性没有保障。影响作业不连续的因素主要是混合料供应无法保障,而混合料的级配不均匀、温度离析使得摊铺机的作业状态不稳定,导致摊铺厚度不稳定、摊铺带的预压实度不稳定。这些都是导致施工质量问题的根源。
(2)温度离析
有的摊铺现场,摊铺机不能连续摊铺,常发生停机待料情况。一旦停机,摊铺机收料斗中最后剩下的少量温度已明显降低的混合料也输送到后面分料室摊铺。这部分最后摊铺的较冷的混合料,还不能对其进行碾压,要等下一车新混合料摊铺下来且摊铺机往前行驶一定距离后才能开始碾压,松散薄层混合料的温度降低得更快。最终导致摊铺层不同位置的温度差别显著增大。
少数高速公路工地,为了抢工直到夜里23:00～24:00甚至一直到清晨还在摊铺沥青面层。显然温度离析和集料离析将更为严重,沥青混凝土的不均匀性也更为严重。这为沥青路面的早期破坏埋下了更严重的祸根。
上述种种因素都使我国高速公路沥青面层的温度差别明显过大。温度差别与前述矿料级配的变异性大和集料离析相结合是我国高速公路沥青面层水破坏、平整度水平不高和不平整度发展得快的根本原因。
2.5 碾压
由于碾压前各工艺环节中出现材料离析和温度离析而导致压实度不均匀,这类问题应在相应的工艺环节采取有效措施来解决。由于施工过程对摊铺机摊铺出的料带的预压实度数据缺少实时监测,压路机的作业参数无法优化。这也常常导致压实不足和过碾压的问题,必须采用智能化的作业机械来解决。
(1)压实过程中易出现推移现象
沥青混合料路面压实过程中,极易出现路面推移现象,这种现象直接影响路面的压实效果,尤其是对路面平整度影响最大。压实过程中的路面蠕动推移,使在摊铺过程中已弥补的下层的不平整,又出现在压实层的表面上。引起路面推移主要有以下原因:集料级配过于密实、沥青混合料中沥青含量相对较高、基层没有按要求处理妥当。
(2)碾压过度
对SMA路面来说,由于它的集料嵌挤作用压实度比较容易达到,所以在碾压时很容易出现过碾压现象,这样不仅会压碎碎石,还会使玛蹄脂部分上浮,构造深度减少,达不到SMA的目的。因此虽然SMA在高温可以方便地碾压,而且主要靠粗集料的嵌挤达到稳定,但过碾压是SMA的大忌。
(3)碾压方式不按规定进行
许多施工单位在沥青混合料摊铺好后,不是按照规定的压实方式进行,而是随意进行,他们的压实工艺、压路机类型、压实温度、压实速度和压实遍数均没有按照规范来进行,甚至在压实SMA路面时不能用轮胎压路机来压,但是有些单位偏要用轮胎压路机来碾压,这样很难保证路面的压实度和平整度,因此路面质量也就难以保证,从而造成不必要的浪费或重新返工。
2.6 离析对路面性能的影响
离析现象是造成路面潜在损坏的重要根源。混合料一旦发生离析,使铺出的路面不同区域的级配发生变化,严重影响了路面压实度、平整度和使用寿命,是路面早期破坏的主要原因。研究表明:离析严重部位由于级配的变化,局部孔隙率增大,当孔隙率由6%增加到7%(增加1%)时,透水性将增大1～2倍。材料离析现象伴随着整个混合料的拌和、运输和摊铺过程。表1是美国对材料离析现象所调查的结论。
温度离析同样会对路面性能产生不良影响。美国沥青路面研究中心研究表明:当混合料的温度差在10～16℃范围内时,将会发生轻度离析,当混合料的温度差在17～21℃范围内时,将会发生中度离析,当混合料的温度差超过21℃范围内时,将会发生严重离析。
根据上面分析可知,混合料的材料和温度离析始终存在于从拌和设备卸料至摊铺的全过程,是沥青混凝土路面现有施工工艺模式下的不可控因素,要从根本上解决问题,必须采用新的施工工艺。
3 新的施工工艺——转运——摊铺工艺
如前所述,在传统的施工工艺下,从原材料的准备、堆放到沥青混合料的拌和及运输过程中,无可避免的会产生混合料的离析。而目前又没有一种完全解决混合料离析的办法,只能从某种程度上减轻离析的危害。经过拌和站的拌和,沥青混合料基本上不存在离析,但经运输后,摊铺出的沥青铺层就会出现离析。如果在摊铺机前添加一种机械,使其对发生离析的混合料进行再次搅拌和加热,无疑能够更好的解决不均匀性的问题。根据这种需要,国内外研发了一种新型的设备——沥青混合料转运车,下面简单介绍转运——摊铺工艺。
3.1 转运——摊铺新工艺的流程
在转运——摊铺工艺中,自卸车将混合料倾倒至转运车收料斗中,收料斗的不等距螺旋对混合料进行搅拌并将混合料从收料斗的两侧向中间输送,刮板输送器的刮板连续不断地刮削、拾起混合料输送至接料仓,接料仓接满一斗混合料后自动将料卸入放置在摊铺机料斗上的储料仓,储料仓中的混合料自由地落入摊铺机输料带,以满足摊铺机作业所要求的平稳、连续和无干扰的供料要求。
3.2 转运——摊铺新工艺的原理
运料车将已经产生离析的混合料倒入转运车收料斗中,转运车收料斗中左右两侧的防离析螺旋布料器在旋转的过程中,由于螺旋叶片的推拨作用,使混合料沿圆周方向运动和轴向移动。
在这种复杂的运动过程中,由于叶片挤入混合料时的对混合料剪切作用、混合料受离心力的抛离作用、流层间的剪切作用以及上下层之间混合料的双向交叉流动产生的拌合作用,使混合料在中间移动集料的同时获得充分拌和;这时,刮板输送器的刮板连续不断地刮削、拾起混合料,这个过程实际上也是一次拌和。
混合料被刮板输送器输送至接料仓,接料仓带有料位控制器,接满一斗混合料后自动开启仓门将混合料整体卸入放置在摊铺机料斗上的储料仓,这一过程解决了落料离析和混合料松散滚落的问题。然后,储料仓中的已得到搅拌均匀的混合料自由地落入摊铺机输料带;由于储料仓储料能力充足,起到缓冲作用,避免了由于摊铺机供料不足而造成的经常停顿、分料速度忽快忽慢的现象发生,使摊铺平整度大大提高,分料离析现象也大大减少,如图3。
转运车通过自动跟踪器使转运车和摊铺机始终保持一定距离,避免了料车在卸料的过程中料车对摊铺机的冲击和顶撞和运料车车厢尾部对摊铺机产生很大的下压作用力,使摊铺机载荷恒定,行驶速度也保持稳定,由于摊铺平整度与速度直接有关,所以平整度大大提高。
3.3 转运——摊铺新工艺的优点
使用沥青混合料转运车联合作业时,自卸车达到作业面后可立即将沥青混合料卸入沥青混合料转运车内,经转运车对混合料进行搅拌后,再由混合料转运车将混合料输送到沥青混合料摊铺机的收料斗内,使所摊铺的混合料基本上消除了集料离析和温度离析。
转运——摊铺新施工工艺有以下特点:
(1)进行二次搅拌,降低集料离析和温度离析,使混合料摊铺后温度和级配趋于一致,使路面质量提高;
(2)在自卸车与摊铺机之间建立柔性连接,避免自卸车与摊铺机直接接触发生碰撞,保证作业的稳定性;
(3)具有储料仓,避免停机待料的状况发生,保证摊铺机连续恒速作业,从而可以保证铺出高质量的沥青路面。
4 结语
通过分析现有沥青路面施工工艺,施工过程中材料的级配离析和温度离析是制约沥青路面铺筑质量的不可控因素。根据沥青路面使用后出现的车辙、开裂、水损坏和表面功能减退等破坏现象调查分析,其病害原因主要是施工过程中出现的离析现象和沥青与集料的粘附性等。要从根本上解决这些问题,需采用新的施工工艺。
针对上面提到的施工中出现的种种问题,提出了“转运——摊铺”工艺模式,即在机群系统中增加具有二次搅拌功能的沥青混合料转运车,使其对发生离析的混合料进行再次搅拌和加热,解决混合料不均匀性问题;并简要介绍了新工艺的工作流程、原理和优点。
摘要：针对现行施工工艺中存在离析问题开展研究,从沥青混合料离析导致沥青路面早期病害入手,对施工过程中沥青混合料的生产、运输、摊铺和压实等重要环节进行深入剖析,提倡以“转运——摊铺”为主的能有效减轻离析的施工工艺。
关键词：施工质量,施工工艺,离析
参考文献
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[5]李彦伟,耿淑泽,高速公路沥青路面摊铺碾压工艺控制技术,筑路机械与施工机械化,2004.
[6]李冰,沥青混凝土路面施工工艺及机群协同作业,长安大学博士论文,2004.
试论现行结构设计中的抗震问题 篇4
关键词：建筑设计,地震灾害,抗震设计
1 我国建筑抗震设计存在的问题
1.1 承重柱截面高度设计过小
这种情况多发生于六度抗震设防区。一些结构设计得误认为六度设防就是不设防, 不图受力分析方便, 他们故意把柱子的截面高度设计得过小, 使梁柱的线刚度比加大 (因一些结构设计手册中规定:当梁柱的线刚度比大于4时计算简图中梁柱节点可简化为铰支) 。把梁简化为铰支梁, 柱按轴心受压计算。这种做法虽然易于进行结构受力分析, 但却给房屋结构埋下了隐患。因为这样做忽略了梁柱问的刚结作用, 即忽略了柱对消化酶的约束弯矩, 加之以柱截面的配筋都较小, 结构一旦受力后, 柱顶抗弯强度必然不足, 从而柱子而梁底附近将会出现一条或多条水平裂缝, 形成塑性饺。这样在正常使用情况下, 柱子已开始带饺工作。这不但影响了房屋的耐久性, 而且也常常引起用户的恐惧心理更为严重的是, 这样的结构一理遭遇地震作用时, 将会倒塌, 这违背了现行抗震规范中“强柱弱梁”的设计原则。
1.2 结构与材料的选用
我国150m以上的建筑, 采用的三种主要结构体系 (框-筒、筒中筒和框架-支撑体系) , 都是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外, 特别在多发生的地震区, 都是以钢结构为主, 而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构, 国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架--核心筒体系, 因其比钢结构的用钢量少, 又可减少柱子断面, 故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力, 有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移, 不仅增大了钢结构的负担, 且效果不大, 此外, 在结构体系或柱距变化时, 需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变, 常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大, 加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时, 要慎重选择其结构模式, 尽量减小其本身刚度, 减小其不利影响。
在高层建筑中, 应注意结构体系及材料的优选。建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土 (柱) 结构或钢结构, 以减小柱断面尺寸, 并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后, 由于钢结构质量较小而且较柔, 为减小风振而需要采用混凝土材料, 钢骨 (钢管) 混凝土, 通常作为首选。如日本阪神地震震害说明, 在钢骨混凝土构件中, 采用格构式的型钢时, 震害严重, 采用实腹式的大型型钢或焊接工字钢的, 则震害轻微。因此, 在高层建筑结构中, 若用钢骨混凝土构件, 建议采用后者。
1.3 抗震设防分类不清
混凝土结构的抗震等级定错。主要是:框支剪力墙不区分底部加强区与非加强区的抗震等级。对短肢剪力墙、复杂高层建筑结构 (带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构) 的抗震等级提高重视不够。
基础的设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期) 为50年 (应根据《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001第1.0.5条) , 而建筑施工图定为100年 (例如:一般高层, 其根据《民用建筑设计通则》第1.0.4条, 为建筑耐久年限) , 两者矛盾。若结构使用年限定为100年, 则结构要符合另外的要求或采取专门的有效措施。
1.4 较低的抗震设防烈度
现在许多专家学者提出, 现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要, 认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”, 并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外, 对于“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”这个抗震设计原则, 在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的, 中震相当于在规定的设计基准期内 (50年) 超越概率为10%的地震烈度。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外, 具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外, 在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长, 结构失效带来的损失愈来愈大, 因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计。
1.5 存在设计高度问题
按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3-2002) 规定, 在一定设防烈度和一定结构型式下, 钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下, 较为稳妥的, 也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上, 已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物, 应当采取科学谨慎的态度:一要有专家论证, 二要有模型振动台试验。因为随着建筑物高度的增加, 许多影响因素将发生质变, 即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围, 如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
2 我国建筑抗震设计的发展趋势
2.1 材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析
该种方法从结构整体性能出发, 改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素, 综合考虑了材料参数的变异性, 地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。其研究成果可用于对现有的结构进行抗震可靠度评估, 并可用于指导基于可靠度理论的结构抗震设计。
2.2 动力时程响应分析的状态空间迭代法
该种方法把现代控制理论中的状态空间理论应用到高层建筑结构动力响应问题, 根据结构动力方程, 引人位移与速度为状态变量, 导出状态方程, 给出非齐次状态方程的解, 进而建立状态空间迭代计算格式。经工程实例验算, 具有较高精度。特别对多自由度体系的多输入、多输出等问题的动力响应解法, 效率较高。
2.3 基于位移的结构抗震设计
我国现行的结构抗震设计, 是以承载力为基础的设计。即:用线弹性方法计算结构在小震作用下的内力、位移;用组合的内力验算构件截面, 使结构具有一定的承载力;位移限值主要是使用阶段的要求, 也是为了保护非结构构件;结构的延性和耗能能力是通过构造措施获得的。为了实现基于位移的抗震设计, 第一步需要研究简单结构 (例如框架及悬臂墙) 的构件变形与配筋关系, 实现按变形要求进行构件设计;进而研究整个结构进入弹塑性后的变形与构件变形的关系。这就要求除了小震阶段的计算外, 还要按大震作用下的变形进行设计, 也就是真正实现二阶段抗震设计, 这是结构抗震设计的发展趋势。
2.4 隔震和消能减震设计的推广和应用
目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”, 即适当控制结构物的刚度, 但容许结构构件 (如梁、柱、墙、节点等) 在地震时进入非弹性状态, 并目具有较大的延性, 以消耗地震能量, 减轻地震反应, 使结构物“裂而不倒”。这种体系, 在很多情况下是有效的, 但也存在很多局限性。随着社会的不断发展, 对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高, 使“延性结构体系”的应用日益受到限制, 传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求, 而由于隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性, 在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。
3 结束语
经济与安全是结构抗震设计的重要技术。从长远观点看, 如何从我国建筑抗震设计现状及高层建筑抗震设计发展的趋势出发, 探求一种实用可行的二步或三步设防的合理抗震分析设计方法, 应成为地震区建设发展的新方向。
参考文献
现行建筑设计规范部分条文解析 篇5
1《洁净厂房设计规范》9.2.6条
《洁净厂房设计规范》 (GB 50073-2013) 第9.2.6条规定:洁净厂房内应设置供人员疏散用的应急照明。在安全出口、疏散口和疏散通道转角处应按现行国家标准《建筑设计防火规范》 (GB50016-2014) 的有关规定设置疏散标志。在专用消防口处应设置疏散标志。该规范术语对专用消防口的定义是:消防人员为灭火而进入建筑物的专用入口, 平时封闭, 使用时由消防人员从室外打开。众所周知, 设置疏散标志是发生事故时人员迅速撤离事故现场的需要, 自然是由内而外疏散, 如果设计人员不加分析在专用消防口内侧设置了疏散指示标志, 由于该门平时封闭, 发生事故时人员按此标志误入不但不能迅速撤离事故现场, 还有可能因此耽误最佳逃生时机。若在专用消防口外侧设置疏散指示标志也不能达到引导人员正确疏散的目的。规范中“在专用消防口处应设置疏散标志”是强制性条文, 如果不加分析, 盲目服从, 必然带来安全隐患。建议在专用消防口处室外设置“红色指示照明灯”, 以便于引导消防人员快速识别专用消防口位置, 及时进入厂房进行灭火。
2《医院洁净手术部建筑技术规范》11.1.6条
《医院洁净手术部建筑技术规范》 (GB 50333-2013) 第11.1.6条 (强制性条文) 规定:心脏外科手术室用电系统必须设隔离变压器。2类医疗场所内用于维持生命、外科手术、重症患者的实时监控和其他位于患者区域的医疗电气设备及系统的回路, 应采用医疗场所局部IT系统供电。其优点是设置隔离变压器的IT系统可将隔离变压器之前电气回路的导体与其后电气回路的导体做完全的电气分隔。如果隔离变压器上所接的负荷发生带电导线碰金属外壳及绝缘损坏等故障时 (即第一次故障) , 由于IT系统的接地型式对地不能构成电气通路, 只有很小的容性电流, 不会使保护电器动作, 对人体造成的危害极小, 保证了供电的连续性和可靠性。但心脏外科手术室用电系统还包括手术台驱动机构、X射线设备、非生命支持系统的电气设备 (如空调系统用电、手术室一般照明及观片灯) 等。这些设备及额定功率大于5k VA的设备供电均不必设置隔离变压器, 在心脏手术室内, 这些设备供电回路中采用不超过30m A的额定剩余电流, 并具有过流保护的剩余电流动作保护器 (RCD) 即可。在《医疗建筑电气设计规范》 (JGJ 312-2013) 第5.4.4条就对此提出了非常明确的要求, 该条文规定:2类医疗场所除手术台驱动机构、X射线设备、额定容量超过5k VA的设备、非生命支持系统的电气设备外, 用于维持生命、外科手术、重症患者的实时监控和其他位于患者区域的医疗电气设备及系统的回路, 均应采用医疗场所局部IT系统供电。因此, 没有限制及前提条件, 要求所有心脏外科手术室用电系统都必须设隔离变压器显然不妥。
3《住宅建筑规范》8.5.3条
《住宅建筑规范》 (GB 50368-2005) 的全部条文均为强制性条文, 必须严格执行。该规范自2006年3月1日实施以来, 关于8.5.3条如何实施的争论从未间断。该条文规定:当应急照明采用节能自熄开关控制时, 必须采取应急自动点亮措施。众所周知, 应急时自动点亮为非人为的控制行为, 应经过自动检测、信息处理、分析判断进而发出指令由相关设备完成点亮应急照明的过程。在设有火灾报警及消防联动控制系统的住宅建筑内很容易实现。然而, 对于没有火灾报警及消防联动控制的住宅建筑根本无法实现自动点亮。规范条文缺少了设置火灾自动报警系统这个前提。2012年施行的《住宅建筑电气设计规范》 (JGJ 242-2011) 第9.2.3条规定:住宅建筑的门厅、前室、公共走道、楼梯间等应设人工照明及节能控制。当应急照明采用节能自熄开关控制时, 在应急情况下, 设有火灾自动报警系统的应急照明应自动点亮;无火灾自动报警系统的应急照明可集中点亮。如按此条实施则无太多异议。但由于《住宅建筑规范》 (GB 50368-2005) 的条文为强制性条文, 不少审图人员对此条文比较重视, 给设计人员造成了很多困惑, 希望修订时能引起编者注意。
4《建筑设计防火规范》第11.1.5条
为了保证发生火灾时各项救灾工作顺利进行, 有效地控制和扑灭火灾, 《建筑设计防火规范》 (GB50016-2006) 第11.1.5条规定:消防控制室、消防水泵房、防烟与排烟风机房的消防用电设备及消防电梯等的供电, 应在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置。笔者认为, 该规范条文对采用双重电源供电的一级负荷, 或采用双回路供电的二级负荷的低压配电回路的两个电源或两个回路的切换方式、切换点做出了明确规定。《民用建筑电气设计规范》 (JGJ 16-2008) 第13.9.6条的条文说明中明确指出此条指消防负荷等级为一级、二级时的情况。而对于三级负荷的此类消防设备应根据具体情况而定。一些较大的工厂、仓库和民用建筑用电量较大, 一般应设置两台变压器, 上述消防设备的电源应分别取自两台变压器并在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置, 这不会增加许多投资, 无疑是合理的。但是, 采用单电源供电且只有一台变压器或采用市政提供低压电源供电的三级消防负荷自然没有必须设置自动切换装置的必要。然而, 由于该条文没有前提条件, 各地做法历来争议很大, 个别省市的施工图审查部门还统一规定三级负荷的消防设备必须按此要求设置自动切换装置, 这种规定无疑是不太恰当的。合并后的《建筑设计防火规范》沿用了原有的条文, 依然没有增加“采用一、二级负荷供电”这个前提条件, 针对此条的争论或许还会继续。
5《办公建筑设计规范》7.3.5条
《办公建筑设计规范》 (JGJ 67-2006) 第7.3.5条规定:办公建筑的照明应采用高效、节能的荧光灯及节能型光源, 灯具应选用无眩光的灯具。GB7000系列标准仅对各种场所及用途的灯具安全特性做出了相应的规定, 无眩光的灯具如何认证尚无法查证。据笔者调查, 市场上也没有经过国家相关机构认证的无眩光灯具。所谓眩光指由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜, 或存在极端的对比, 以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。国际照明委员会 (CIE) 用于度量处于室内视觉环境中的照明装置发出的光对人眼引起不舒适感主观反应的心理参量统一用眩光值 (UGR) 来衡量, 《建筑照明设计标准》 (GB 50034-2013) 对办公场所的统一眩光值有严格的规定。而该值和背景亮度、每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角、灯具在观察者眼睛方向的亮度及每个单独灯具的位置指数有关。办公建筑的照明统一眩光值满足《建筑照明设计标准》即可。对于不存在的所谓的无眩光灯具, 设计人当然也无从选择。因此该条文明显有不合理之处。
6《火灾自动报警设计规范》3.1.6条
《火灾自动报警设计规范》 (GB 50116-2013) 第3.1.6条规定:系统总线上应设置总线短路隔离器, 每只总线短路隔离器保护的火灾探测器、手动火灾报警按钮和模块等消防设备的总数不应超过32点;总线穿越防火分区时, 应在穿越处设置总线短路隔离器。其配套的图集《火灾自动报警设计规范图示》 (14X505-1) 第11页图示2中将电源线及报警线均接入了总线短路隔离器, 且该页图示下方文字中的提示2明确指出:本条文中的总线包括报警总线和电源线, 总线短路隔离器应能隔离故障的报警总线和电源线。然而, 《火灾报警设备专业术语》 (GB/T 4718-2006) 中关于总线短路隔离器有明确的定义:用在传输总线上, 在总线短路时通过短路部分两端成高阻态或开路状态, 从而使该短路故障的影响仅限于被隔离部分, 且不影响控制器和总线上其他部分的正常工作的器件。从该定义可以看出, 总线短路隔离器仅用于传输总线, 和电源线无关。据了解, 目前国内外报警厂家并没有既能隔离传输总线又能隔离电源线的产品可供选择。但部分施工图审查人员以图集为依据, 对没有隔离电源线的总线短路隔离器提出整改意见, 加之此条为强制性条文, 使得设计人员进退两难。笔者认为, 如果编制者认为总线短路隔离器既能隔离传输总线又能隔离电源线, 那么首先应对总线短路隔离器的定义做出相应修改, 生产企业按此生产出符合要求的产品, 此类现象自然不会出现。仅仅通过供设计人员参考使用的图集来进一步解释规范条文或出具审图意见的做法值得商榷。
7《火灾自动报警设计规范》10.1.4条
《火灾自动报警系统设计规范》 (GB 50116-2013) 第10.1.4条规定:火灾自动报警系统主电源不应设置剩余电流动作保护和过负荷保护装置。《低压配电设计规范》 (GB 50054-2011) 第6.3.6条规定:过负荷断电将引起严重后果的线路, 其过负荷保护不应切断线路, 可作用于信号。《通用用电设备配电设计规范》 (GB 50055-2011) 第2.3.7条第1款规定:运行中容易过载的电动机、起动或自起动条件困难而要求限制起动时间的电动机, 应装设过载保护。连续运行的电动机宜装设过载保护, 过载保护应动作于断开电源。但断电比过载造成的损失更大时, 应使过载保护动作于信号。消防用电设备的配电线路应满足《低压配电设计规范》的规定, 运行中容易过载的消防设备的电动机应满足《通用用电设备配电设计规范》规定, 但是, 无论是配电线路还是消防用电机设备, 不是不应设置过载保护, 而是要过载作用于信号, 不切断线路。因此火灾自动报警系统主电源不应设置过负荷保护装置的规定是不正确的规定。试想一下, 不设置过载保护动作于信号, 火灾自动报警系统主电源发生过负荷时, 根本无法知道其真实状态, 持续的过载故障会带来严重的后果。
8 结束语
本着实事求是的原则, 本文将日常工作中发现的一些容易引起歧义的条文进行了分析, 设计人员切不可机械教条执行。
参考文献
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[4]中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑设计防火规范 (GB 50016-2006) [S].北京:中国计划出版社, 2006.
[5]中华人民共和国公安部部.火灾自动报警系统设计规范 (GB50116-2013) [S].北京:中国计划出版社, 2013.
现行混凝土结构设计 篇6
桥梁设计规范是一个国家桥梁工程整体技术水平的体现, 也是行业对社会公开的技术承诺, 包含了国家、行业对桥梁设计的政策、法规要求, 及桥梁建设成熟技术的总结。
中国公路桥梁行业规范体系建立主要按照两条技术路线:一是和国标 (GB) 衔接;二是吸纳国内外桥梁建设成熟经验, 在总结提炼的基础上编制公路桥梁建设规范[1]。本文主要根据这两条技术路线, 对桥梁设计和规范使用中遇到的一些问题进行探讨。为便于表述, 文中将涉及讨论的几本现行规范统称现行公路桥梁设计规范。
2 现行桥梁设计规范若干问题
2.1 双向受弯、偏心受压构件承载力
近年来, 随着桥梁设计水平的提高, 各种复杂的结构形式以及组合体系不断出现, 在这些复杂的空间结构中, 构件基本均非平面受力结构, 规范对于双向受弯或双向偏心受压构件承载能力计算没有做出规定。在桥梁设计中, 都取主受力方向进行承载力验算。但对于多个方向受力难分主次的情况, 规范中尚缺乏计算依据。
2.2 偏心受压构件抗剪承载力
对于桩基、墩柱等偏心受压构件, 在横向力 (如地震力、风等) 作用下, 特别是矮墩, 需要按照偏心受压构件计算其抗剪承载能力。
2008年汶川破坏性地震震害表明, 钢筋混凝土桥墩剪切破坏是桥梁震害的主要特征之一。但我国目前现行的公路桥梁设计规范中没有钢筋混凝土墩柱 (偏心受压构件) 抗剪强度计算公式以及抗震剪切强度计算公式, 规范中抗剪强度计算公式只适用于梁。
2.3 箱梁横梁等深受弯梁、深梁承载力
连续梁是一种常规桥梁结构, 在中等跨径桥梁中占有绝对比例。连续梁截面形式一般采用箱梁。箱梁宽高比一般不大, 其中横梁和端横梁基本均为深受弯梁或深梁。箱梁上部结构荷载主要通过箱梁腹板传递给横梁, 再由横梁传递到支座上。在支反力较大的情况下, 横梁常常配置了横向预应力。
混凝土结构设计规范 (GB50010—2010) 规定:简支结构跨高比小于2, 连续结构跨高比小于2.5的, 称之为深梁;跨高比小于5的称之为深受弯梁[2]。并明确了深受弯构件的承载能力计算公式以及合理的构造要求。
现行公路桥梁设计规范对于深梁和深受弯构件承载能力计算方法以及正常使用各项限值没有明确规定, 在具体桥梁设计工作中缺乏依据。
2.4 预应力混凝土构件的抗裂验算
现行桥梁设计规范将预应力混凝土构件分为全预应力构件、部分预应力混凝土A类构件、部分预应力混凝土B类构件。规范将全预应力混凝土预制构件的预压应力降低15%, 将全预应力混凝土现浇构件的预压应力降低20%, 在此基础上, 短期组合不允许出现拉应力, 而A类构件预压应力效应不折减, 短期组合效应下允许出现0.7ftk的拉应力[3]。
对于像系杆拱桥的系杆等拉弯构件, 其拉应力由系杆预应力承担。在实际设计过程中, 系杆拱桥的系梁, 一般按照受弯构件进行正截面和斜截面抗裂验算。预应力效应降低20%, 对纵向预应力效应影响较大。笔者认为, 针对系梁等偏心受拉构件, 其预应力折减系数应与受弯构件采用不同的折减系数。
2.5 主拉应力限值
在受弯构件斜截面抗裂验算中, 例如现浇部分预应力混凝土A类构件, 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) 6.3中规定[3]:
从上式可以看出, 在截面受拉侧边缘, 主拉应力即为正截面拉应力, 是一种特殊情况。截面最大主拉应力包括截面上每一点的最大主应力, 其势必包括截面上下缘的主拉应力, 在截面上下缘, 该点剪应力为零, 主拉应力即为正截面拉应力。所以存在如下情况:某截面正拉应力大于0.5ftk, 小于0.7ftk, 正截面抗裂是满足规范要求的;但由于截面受拉侧外缘主拉应力即为正截面拉应力, 而正应力大于0.5ftk, 导致验算通不过。而实际上, 该截面主拉应力验算无法通过, 并不是由于剪应力引起的, 而是由于截面边缘点正应力引起的。
2.6 挠度限值
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) 6.5.3条规定, 结构在短期效应组合下, 考虑长期效应影响 (乘以长期增长系数) , 计算的变形值, 在消除自重作用产生的长期挠度后, 对最大挠度值提出了限值[3]。
针对该条规定, 提出以下几点问题以供探讨:
(1) 对于悬臂浇筑预应力混凝土连续梁结构, 由于短期效应组合包含施工期荷载, 其短期荷载组合变形值是锯齿形状, 特别是跨中合龙段位置, 无实际意义。
(2) 笔者认为, 该规定适应于钢筋混凝土结构。对于预应力结构, 条文应为“消除恒载产生的长期挠度”。一则, 因为针对挠度限值, 预应力对结构产生的变形和自重无本质区别, 桥梁建造完成后, 自重和预应力成为桥梁恒定的荷载, 桥梁的刚度关注的是结构对运营期荷载的变形响应。二则, 假如结构活载较小, 预应力效应产生的反拱值可能大于其他活载产生的下挠, 其短期荷载组合挠度乘以长期组合系数后, 消除自重产生的长期挠度后, 其挠度方向可能向上, 无实际意义。
(3) 根据规范荷载组合要求, 短期效应包含支座不均匀沉降效应。一般来说, 计算桥梁结构的变形假定支座不动, 在计算短期作用组合下的挠度时, 如何确定支座不均匀沉降下桥梁变形, 再者, 支座沉降属于强迫位移, 与梁的刚度无关。
(4) 桥梁结构挠度的验算主要是检验桥梁成桥后的刚度。对于悬臂挂篮浇筑桥梁, 其自重和预应力的施加是在悬臂施工阶段, 其变形发生时的结构体系为悬臂状态, 悬臂状态的桥梁刚度和成桥状态的刚度之间有一定的相关性, 但没有必然性关系。所以桥梁施工期间的刚度和成桥状态的刚度无必然联系 (如悬索桥) 。用悬臂状态的刚度去考核桥梁成桥状态的刚度不合适。严格意义上讲, 施工期间的位移与结构刚度也无必然联系, 如转体施工。
2.7 预拱度
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) 6.5.5条规定, 预加应力产生的长期反拱值大于荷载短期效应组合计算的长期挠度时, 可不设置预拱度。当预加应力产生的长期反拱值小于荷载短期效应组合计算的长期挠度时, 应设预拱度, 其值应按该项荷载的挠度值与预加应力长期反拱值之差采用[3]。
针对该条规定, 提出以下几点问题以供探讨:
(1) 对于挂篮悬臂浇筑桥梁, 桥梁的自重和预应力施加的阶段是悬臂状态。为保证桥梁顺利合龙, 桥梁合龙前, 也就是悬臂状态, 属于短暂状况, 为了保证桥梁平顺合龙, 变形应按照实际发生的准确数值进行, 而不应该考虑长期效应影响。施工期阶段荷载也不应该参与荷载组合。桥梁施工阶段荷载和运营阶段荷载在预拱度的设置上应分开考虑。
(2) 近年来, 裂缝和跨中下挠已成为大跨径变截面预应力混凝土连续梁桥的两大病害。据资料显示, 有些预应力混凝土连续梁和连续刚构, 跨中挠度已经达到几十厘米, 且呈现不收敛状态。该条对于小跨径支架现浇或预制的桥梁是适应的, 但对于大跨径挂篮悬浇预应力连续箱梁来说不适用, 规范需要在调研国内外大量工程实例的基础上, 对该条进行调整。实际情况是, 各设计、施工监控单位在大跨径预应力混凝土连续梁及连续刚构等桥梁的成桥预拱度设置中, 根据桥梁跨度大小, 按照跨径的合适比例进行设置。
2.8 截面抗剪上限值
笔者在桥梁设计过程中经常遇到一个问题:预应力混凝土箱梁桥主应力满足规范要求, 但截面抗剪上限值验算通不过。
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62—2004》5.2.9条规定, 矩形、T形和I形截面的受弯构件, 其抗剪截面应符合下列要求:
受剪截面限制条件, 其目的是防止构件发生斜压破坏或者斜裂缝宽度较大, 同时也防止截面过小而过度增大配箍率来提高抗剪承载力。
对于这条规定有两种不同的理解。一种理解认为抗剪截面尺寸复核属于承载力极限状态设计的内容, 不考虑预应力钢束弯起对剪力的抵消。另一种理解认为公式的左边应扣除预应力弯起钢束预加力的竖向分力, 因为抗剪强度上限值验算实质是控制截面主压应力和斜裂缝宽度, 而预加力的存在, 必将对截面的主压应力有所影响。
对于上面两种理解, 工程师存在分歧。而实际结果是, 按照第一种理解, 常常导致截面复核无法通过。
针对截面抗剪强度上限值验算, 《混凝土结构设计规范》 (GB50010—2010) 规定:
以一个高3 m、宽0.9 m (两个腹板厚度之和) 的梁为例, 材料为C50混凝土。按照《混凝土结构设计规范》 (GB50010—2010) 计算, 最大承载力为15 592.5 k N, 按照桥梁规范计算最大承载力为9 736.9 k N。桥规计算结果比国标规范小较多[4]。
如果按照正常配筋, 箍筋配置4根直径为16 mm的钢筋, 纵桥向间距100 mm, 不考虑预应力, 其斜截面承载力达到9 024 k N。如果计入常规弯起预应力钢束的抗剪承载力, 则按照正常配箍和弯起预应力计算出的抗剪承载力超过截面抗剪承载力上限。所以, 笔者认为桥规对截面抗剪承载力限制要求过高。
2.9 非经典材料力学理论
桥梁结构作为跨越河流、山谷等天然障碍以跨度为主的一种构筑物, 预应力、斜拉索等被大量应用, 由于桥梁结构传力特点, 上部结构荷载常常通过支座向基础传递。这就导致桥梁结构中有大量的不满足平截面假定的区域。文献[5]中将桥梁结构分为B区和D区分别对待。
我国目前的公路混凝土桥梁设计规范, 主要以平截面假定为基础, 通过内力 (弯矩、剪力、扭矩、轴力) , 借助于截面特性参数 (面积、惯性矩等) 来计算, 并适当考虑塑性发展理论。
对于预应力和拉索锚固区、支座附近等不符合平截面假定的应力集中、应力不连续区域的设计理论, 没有明确的力学模型。对于这些区域都借助三维实体有限元模型计算分析, 将耗费大量的资源。根据结构分形理论以及结构从梁到桁架的发展历程, 笔者认为, 结构的任何区域当无限细化下去, 都可转化为桁架模型, 转变成最直接的“拉”和“压”。目前, 有些国家的规范已经从原则上规定这些区域的计算方法和力学模型。其中拉压杆模型和压力扩散模型是常用的力学模型[5]。
2.1 0 混凝土结构的疲劳问题
桥梁是典型的承受动荷载的结构物, 桥梁达到设计寿命的必要保证之一是有足够的疲劳强度。由于设计荷载标准的提高和交通的发展, 超载现象在服役桥梁中普遍存在。动荷载和超载是其承载力下降、耐久性降低的一个原因。
国标规范中, 针对吊车梁等承受动力荷载的混凝土构件, 提出疲劳验算的要求。混凝土需要对疲劳强度进行验算, 钢筋需要对应力幅进行验算。
早期的公路混凝土桥梁由于设计理论偏于安全, 使用荷载导致的内力水平较低, 因此一直没有考虑疲劳问题。但随着设计荷载标准的提高和经济发展的需要, 服役桥梁常常需要承担超过其设计标准的动荷载, 这就导致桥梁的内力水平明显提高, 从而疲劳问题也就不可忽视。
2.1 1 偏载系数
对于混凝土箱梁桥, 目前的设计方法主要按照梁理论进行分析。但混凝土箱梁为薄壁杆件, 箱梁的空间弯曲、扭转、畸变、剪力滞等空间效应较为明显。随着交通发展, 车流量进一步加大, 有些城市桥梁、高架桥等, 宽度越来越大。箱梁越宽, 其空间效应较明显。
在桥梁设计过程中, 常用方法是基于梁单元模型分析, 然后引入偏载系数的概念修正梁单元模型计算的应力, 从而达到考虑箱梁的空间弯曲、扭转、畸变、剪力滞等效应的目的。
目前, 工程师们常用的做法是偏载系数取1.15。但实际情况是, 箱梁的具体几何尺寸不同, 偏载系数不同。而且箱梁截面所处纵向位置不同, 偏载系数差异也非常明显[6]。
规范在下一步的修订和完善过程中, 需吸纳国内外先进研究成果, 给出具有指导意义的偏载系数取值, 这样在桥梁设计中工程师才有据可依。
2.1 2 桥梁动力特性
近些年来, 随着桥梁技术的进步, 桥梁跨度不断变大, 大跨桥梁也越来越多。同时, 随着交通的发展, 城市桥梁和公路桥梁也很难割裂开来, 一些设置人行道的桥梁不仅承担着行车的任务, 还承担着人行的任务。其竖向震动自振频率就显得很重要。桥梁要避免与行人和车辆发生共振, 振幅过大, 影响行车和行人舒适度, 使人产生不安全感。目前国标规范中, 已经将建筑物的自振频率纳入正常使用极限状态验算中。
对于常规桥梁, 可以采用单一限制自振频率的方法。而对于大跨桥梁, 其竖向自振频率一般较低, 无法采用单一限制自振频率的方法。国外一些规范提出更多的舒适度评价指标。如德国《人行桥设计指南》EN03 (2007) 吸收了2000年以来的新的研究成果, 采取峰值加速度限值的方法规定舒适度等级[7]。
2.1 3 桥梁屈曲失稳安全系数
随着技术的发展, 桥梁跨径越来越大, 大跨拱形结构、高墩结构等普遍出现。结构受力空间性增强, 施工技术日趋复杂, 桥梁结构在施工阶段及运营阶段的稳定性显得尤其重要。
结构的稳定分析常分为第一类稳定分析 (特征值问题) 和第二类稳定分析 (极限承载力) [8]。第一类稳定用于求解线弹性结构的理论临界荷载 (分支点) 。第二类稳定分析是较精确的方法, 结构的初始缺陷和其自身的非线性使现实世界的结构难以达到其弹性理论临界荷载, 因此, 第一类稳定分析通常得到不保守的结果, 故应采用第二类稳定分析的结果对现实结构进行设计和评估。在土木工程设计中, 由于精确的第二类稳定分析是困难的, 线弹性稳定计算虽然没有考虑结构材料、几何非线性以及各种初始缺陷的影响, 但是由于其计算简单方便, 节省时间及空间, 效率较高, 因此被普遍采用。故常用结构的弹性临界荷载引入相应的安全系数来保证作用荷载小于其极限承载力。库克 (Robert D.Cook, 1974) 指出, 对各种壳结构的分析表明, 结构的极限承载力为其弹性临界荷载的1/4到10倍[9]。我国的《公路斜拉桥设计细则》 (JTG D65—2007) 规定, 斜拉桥的弹性稳定安全系数应大于4。对于其他结构形式, 规范没有明确, 目前工程界都参照本条规定。另外, 如今工程界对结构弹性稳定安全系数的计算方法及取值存在着分歧, 焦点在于计算稳定安全系数时结构本身恒载系数取l还是应随稳定安全系数一起变化。
3 结语
随着新材料、新结构形式的不断出现, 桥梁结构设计方法设计理论和设计方法需要不断完善和改进。而我国公路桥梁钢结构设计规范近30年未变。尽管钢结构计算理论相对成熟和稳定, 但规范中材料标号及指标已大大落后。钢结构和组合结构设计规范的滞后已经严重影响着两种结构在公路桥梁选型上的应用。在规范的修订中也需要不断借鉴国外先进的设计规范, 如美国公路桥梁设计规范AASHTO LRFD2007、欧洲规范EN1992-2:2005等将压杆-拉杆方法用于混凝土结构的抗剪及其他不符合平截面假定区域的设计中等。
对于本文提出的问题, 一类是需要在未来的规范修订中进一步补充和明确的, 除了上述内容以外, 另如构件的剪扭承载能力计算公式和依据等。目前在桥梁设计中缺乏依据, 如果参照国标 (GB) 规范, 又存在荷载组合方法、分项系数、材料强度、目标限值等不统一的困难。
另一类是规范中已经提出明确规定, 但还需结合近年来实际情况进行完善。应结合桥梁新结构、新材料、新工艺等特点进行。比如体外预应力桥梁的承载能力计算方法、节段预制拼装桥梁接缝处的承载能力计算方法等, 都亟待补充。
摘要：针对目前现行的公路桥梁设计规范, 在借鉴国外相关规范的基础上, 对桥梁设计和规范使用中遇到的一些问题进行探讨, 建议对现行公路桥梁设计规范进行相应的修订与完善。
关键词：桥梁设计,规范,承载力
参考文献
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[7]陈政清, 华旭刚.人行桥的振动与动力设计[M].北京:人民交通出版社, 2009.
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