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              长寿命桥梁设计
              2020-03-11 来源:说桥 

                当一座桥还只是模型中的一条线,此时的决策就可能确定了它是否长寿,是否无灾无难。Lisa Russell就如何设计和确保桥梁长寿命与桥梁工程师开展了讨论。

                世界上并无神奇之法,能确保桥梁寿命达到一个世纪甚至更多;在桥梁的设计、建造、运营的路上,无数的选项,可能显著延长寿命,也可能相反。然而,桥梁的命运在设计阶段就已经确定。

                苏格兰交通厅首席桥梁工程师哈泽尔·麦克唐纳说,在设计阶段和特别阶段的决策可能会对桥梁的寿命产生巨大影响。结构形式和结构体系、材料类型和质量选择,以及伸缩缝设置和类型选择,以及排水管理,这些方面可以延长或缩短寿命。它们还会影响将来是否便于维护,以确保使用寿命。

                “你能做的最重要的事情之一,就是从第一天就有一个高标准的技术规范,并策划运营和维护,”丹麦道路理事会(Vejdirektoratet)结构设计经理芭芭拉·麦考利(Barbara MacAulay)说;提前做总是比事后再做要更好、更便宜。她说:“对我们来说,一份好的说明书非常重要,不仅要有空洞的文字,而且要有详细的说明,要有图纸和说明,来显示出零件将来如何更换等细节。”适应性设计是未来预防的方法之一,WSP土木、桥梁和地面工程主管史蒂夫丹顿(Steve Denton)表示,尽管有一些可以合理预见的变化,但也有一些变化将在未来100年内发生,但现在真的很难预测。现在设计一个结构的工程师可以考虑,如果将来有必要,可以做些什么来让加固变得更容易。

                长寿命设计的一个关键方面是要从维护和耐久性的角度来考虑设计,而不仅仅是从应力和力的角度来考虑。Cowi执行董事戴维麦肯齐(David MacKenzie)表示,这涉及到对挑战进行更横向、全面的思考。他注意到,尤其需要考虑到构件的劣化,但是规范并没有考虑到构件的劣化。他说,构件会有一定程度的恶化,特别是如果这座桥没有得到适当的维护,这可能会威胁到这座桥的寿命。苏格兰交通雇主对新结构的要求已经演变,必须反映广泛的各种桥梁的运营经验。苏格兰的麦克唐纳说,它们涵盖了在过去30年左右的时间里所建的桥梁,哪些做得好,哪些做得不好。

                奥雅纳全球桥梁设计的领导者纳伊姆·侯赛因评论说,实现长寿命不仅仅是设计的计算方面。这也意味着获得正确的材料,这涉及到对工地现场的全面了解。必须了解地理条件、环境、土壤性质等,以确定诸如混凝土配合比的设计、钢的类型、是否应使用复合材料等方面。

                阿特金斯公司的技术总监兼桥梁工程负责人克里斯·亨迪(Chris Hendy)说,概念设计是任何项目中最关键的阶段,它为结构确定了基调。他补充说,很难在后续阶段进行可维护性改造。然而,在这个阶段,资金通常很少到位。做概念设计的应该是最好的工程师,但在这个阶段,行业有时会陷入将工作委派给更多初级工程师的陷阱。他表示,客户应努力为概念阶段提供更多资金。“我理解概念阶段的挑战,但业主不知道会不会有一个项目,”他表示。但不这样做,在经济性方面是错误的。

                关注细节

                苏格兰的麦克唐纳说,桥梁业主和管理者拥有丰富的知识,可以影响新桥梁的寿命。他们了解当地的环境,当地生产的材料的质量和性能,以及之前的结构和材料的性能。这有助于明确新结构的规范和要求,以解决材料和环境退化方面的任何已知的潜在问题。

                苏格兰交通厅桥梁部门负责管理和维护超过2000座桥梁。该部门每年亦会受委托更换数座桥梁,并为负责大型工程的部门提供指引,例如福斯三桥及多个高速公路结构的扩建计划。麦克唐纳说:“我们就如何检查和维护它们,以及我们希望在设计中看到的东西提出了自己的看法。”

                例如,确保福斯三桥的使用寿命,涉及多项因素,例如混凝土和钢材的质量、规范、监控要求、油漆工程、检修通道设施,以及在有需要时可更换斜拉索。

                她说,所有这些都在设计中考虑到了。许多问题也可以扩展到更小的项目。

                需要仔细考虑结构形式,例如尽量减少接缝,避免采用难以检查的隐藏关键部件,尽量减少桥墩受到冲刷或冲击的可能性。设计需要包括坚固和易于维护的水管理制度,具有诸如渗漏检查和排水等功能。还需要有良好的检查和维护通道。麦克唐纳说:“人们现在更多地考虑的是能看到什么,而不是不能看到什么。”

                不易到达检查意味着你检查的能力降低了,因此你在不足变成缺陷之前看到它们的可能性大大降低了,Cowi的MacKenzie指出。他补充道,你不可能在不考虑检查通道(入口)的情况下设计一座桥。如果你事先想到了,它通常只是图纸上的一条线,很容易在一开始就设置它,但之后就很难纠正了。

                阿特金斯公司的Hendy说,规范只告诉人们检查构件强度,但并不特别关注哪些构造细节是耐用的。为了便于施工,构造细节设计也很重要。他表示:“我们知道,如果建造起来很困难,就会出现更多问题。”

                一种被认为是令人满意的方法被广泛使用,例如,规范给出了特定暴露环境类型所需的混凝土保护层厚度。

                现在有一种基于可靠性的方法,从考虑结构的真正关键部分开始。可能会有难以修复的飞溅区,或难以到达的、朝上的表面,在那里可能会有融雪盐。Hendy说,有些区域可能需要额外的防护措施,例如,增加混凝土保护层厚度、水泥替代品、缓蚀剂、额外表面涂层或优质的强化钢筋,如不锈钢钢筋。这涉及到为了考虑桥梁所在地的挑战,改变以往一刀切的做法。

                阿特金斯采用了这种方法,包括桥台使用不锈钢钢筋加固。业主越来越能接受在行人天桥上采用不锈钢拉杆杆件。Hendy也鼓励在环境不太恶劣的情况下更多地使用耐候钢。我们在铁路道口大量使用耐候钢,因为未来的维护是不可能的,它消除了涂装的需要。

                利用经验

                在大多数情况下,水可能是一种无害的物质,但它可能是一座桥梁实现长期使用寿命的最大障碍之一,正如许多业主从痛苦的经验中了解到的那样。Hendy说,我们遇到的大多数问题,无论是钢桥还是混凝土桥,都与钢的腐蚀有关。

                如何让水远离脆弱区域的知识,来自于看到桥梁如何运营;这种理解需要传递回送给设计团队,以便他们能够理解问题。“这就是为什么我认为参与结构维护的工程师能够和设计师交谈是非常重要的,他们直接成为设计师是更好方法。” Cowi的麦肯齐说,不要出现“竖井”。“同时参与这两个方面,可以让您了解什么地方可能出错,在没有检查通道或者无法拆除或替换构件的情况下的尝试是多么令人沮丧。” 在Cowi,有一个统一的桥梁部门,所有的人都参与其中——维护、监控、维修和新设计。

                WSP还希望员工在工作类型之间保持平衡,丹顿(Denton)表示:“我非常鼓励的一件事是,工程师可以在设计项目、资产管理项目、咨询、研究和标准项目中获得工作经验。” 我认为如果你在其他领域也有经验,你会做得更好。

                今天的数字工具也可以通过共享知识来帮助延长寿命。丹顿(Denton)说,现在确实有很多机会来构建性能最佳的构造细节库,并确保我们正在使用它们。这是我们行业的本质,随着时间的推移,经验可能会丢失。拥有真正好的数字存储库可能非常有用。
               

                丹麦新Storstrm桥

                钢桥集团(Steel Bridge Group)、Ciria和FIB等组织为钢桥或混凝土桥提供了广泛的指导。但并不是所有的指导都为业界所熟知。Hendy是钢桥集团的主席,他说:“问题可能来自于缺乏意识和年轻人在紧张的时间压力下工作,而不是在正确的监督下。可以找很多借口,但在我看来,这些借口都是可以解决的。承包商也可以参与其中。”他说,“有些承包商很擅长提供关于可施工性的反馈,有些则不太擅长。”

                在规范之外确定因素——Storstrm桥

                这座即将成为丹麦第三长的桥梁的正在建设中。4公里的Storstrm桥(丹麦语Storstrmsbroen)将通过Masned连接Zealand岛和Falster,公路和铁路合建,同时布置了人行道和自行车道。它的2个160米长的通航孔位于独塔斜拉桥的两侧,塔高100米高。该桥采用设计施工(DB)合同,由Itinera, Condotte和Grandi Livori Fincosit组成的SBJV联合体承担。详细设计由SBJV的顾问de Miranda Associati工作室进行,由Vejdirektoratet(丹麦道路理事会)的咨询团队进行定义设计,咨询团队包括Cowi和Dissing+Weitling。

                Vejdirektoratet的项目团队已经花了相当多的时间与它的咨询团队研究规范。这包括听取进行检查和维修的人员的意见,以便了解其他结构的困难之处以及今后如何避免同样的问题。

                关于设计基本要求的一份文件详细阐述了桥梁的要求,从几何约束到荷载。设计寿命为120年,包括主梁、桥墩、桥塔和桥台等所有永久性部分。设计基本要求中明确,由于现行设计标准中没有明确规定达到120年设计寿命的方法,因此,这座桥的设计遵循了现有的方法,实现了100年的设计寿命,附加设计和维护条款将其延长到120年,例如采用了额外的混凝土保护层。

                文件规定了表面和可更换部件(包括斜拉索)的最低设计寿命。斜拉索在部分更换前预计可使用75年,防水可使用50年;毫不奇怪,用于监控系统的计算机的设计寿命要短得多,只有10年。麦考利说,重要的是要现实。她说,昂贵或很难更换的东西必须有很长的设计寿命。

                如果货运或客运列车脱轨,桥梁还必须能够承受大量斜拉索的断裂。麦考利说:“我们不希望火车出轨时,结构受到损害。”这也意味着,如果有必要的话,斜拉索可以更换。

                Vejdirektoratet还对混凝土规范等方面非常感兴趣。我们在道路上用除冰盐,而Storstrm大桥位于海中,麦考利指出,这座桥必须能够应对这些条件以及可能出现的恶劣天气。工程特别规范载于一套约80份文件内,涵盖斜拉索、支座、预制节段梁、结构健康监察系统及防水等方面的规定。

                设计寿命方法

                奥雅纳公司的侯赛因说,使用“设计寿命”这一单一术语是用词不当,因为桥梁不同部分的设计寿命会有所不同。他认为,接受这一点会导致人们重新思考桥梁的设计方式。显然,有些部分是不能改变的,例如基础,可能应考虑设计寿命长达几百年,这需要探索。在设计悬索时,可以考虑最终会更换。这可能包括在拆除旧主缆之前,为安装新主缆做准备,从一开始就建造可以容纳两倍数量主缆的锚固处,并调整主塔设计,让新旧主缆可以同时临时就位。另一方面,侯赛因认为,用了100到120年之后,在附近建一座新桥可能会更便宜。因为100年之后,复合材料的使用可能会很普遍,更坚固的钢和混凝土的成本可能会降低。

                他说,欧洲人的桥梁设计寿命一般都在100年以上,而美国人的桥梁设计寿命一般只有75年。但这种情况正在改变。人们越来越认识到,桥梁不可能如此频繁地更换。侯赛因说,美国开始采用欧洲的方法。

                延长塞缪尔·德·尚普兰桥设计寿命

                加拿大的标准桥梁设计寿命为75年,但加拿大基础设施选择了更长的寿命来设计新尚普兰大桥。新萨缪尔·德·尚普兰大桥上所有不可更换的部件都需要125年的使用寿命。

                加拿大基础设施的萨缪尔·德·尚普兰大桥通道的总工程师盖伊·梅奥特(Guy Mailhot)说:“总的来说,如果你要考虑耐久性,你必须从三个方面考虑:设计、施工、运营和维护。” 规定和基于性能的要求都包括在项目协议中,涉及到设计、施工和运营。

                Mailhot说:“我们和我们的工程师奥雅纳一起研究了桥梁的各种构件的使用寿命要求,我们把它们分为不可更换构件和可更换构件。”无法更换的构件要求使用寿命为125年。这包括桩、墩、支座、桥台和主跨塔,以及桥面板。

                Mailhot说,当你指定125年的寿命时,它会迫使你以不同的方式思考。该桥被视为生命线结构,因此其抗震性能是性能要求的重中之重。风工程也在设计中发挥了重要的作用,并规定了超重型卡车荷载。Mailhot说,从疲劳的角度来考虑,这将增加交通负荷或增加重型车辆的数量的定义。

                梅奥特说,现存尚普兰大桥最大的问题之一是排水系统不完善,或者我有时喜欢说的,完全没有排水系统。对于新桥,加拿大基础设施要求采用组合加强手段,如桥面板防水膜和增强厚度的高性能沥青铺装。我们还需要一个良好的桥面排水系统,我们不希望任何盐水接触到混凝土,他说。

                大量的冻融循环和蒙特利尔大量使用除冰盐促使决定在桥面板采用不锈钢钢筋,以及其他重要部位也应用不锈钢钢筋。Mailhot说,据我们所知,这是北美不锈钢加钢筋用量最大的桥梁。我们认为,如果我们没有硬性规定用不锈钢筋,那么一些人就会试图证明不需要它。我们不想冒任何风险。

                对所用的混凝土类型提出了严格的要求,以便有利于长期的耐久性。研究特殊配合比,例如抗冰蚀。此外,还要求私营伙伴制定一项持久性计划,以证明每个构件可以满足目标。我们还要求他们做每一个构件的腐蚀模型。Mailhot补充。

                可更换的部件包括支座、伸缩缝和栏杆,这些有30到50年的设计寿命。斜拉索具有65年以上的使用寿命。在特许期结束时,独立的移交工程师将进行检查,并对所有部件的剩余寿命进行评估。

                设计的一部分工作是确保可替换的构件确实可以替换。例如,在设计中已规定千斤顶可以顶升桥梁来更换支座。还有辅助检查的系统。他说,它们是桥梁设计的一部分,因为如果有良好的检查,就有更好的机会确保达到耐久性目标。

                采用优质材料

                使用更新或更先进的材料,如不锈钢、GFRP或碳纤维,可能会产生建筑成本增加。但Pedelta首席执行长索布里诺(Juan Sobrino)说,从长远来看,有大量研究证明使用这类材料是划算的。长期以来,他一直对先进材料在桥梁上的应用感兴趣,以提高耐久性、强度和外观;Pedelta设计了一系列由不锈钢、GFRP或两者混合材料制成的桥梁。

                在加拿大,桥梁经常处于恶劣的环境中,并且暴露在除冰盐中。这带来了潜在的腐蚀,因此经常需要采取预防措施,如防水或在混凝土桥梁上增保护层)。Sobrino补充说,在某些情况下,在加拿大使用高级钢筋是非常普遍的。通常,这涉及到不锈钢或玻璃纤维的使用。

                优质钢材也被用于钢桥。Pedelta的第一座双相不锈钢桥是2004年为米诺卡岛设计的——世界上第一座使用这种材料的桥。从那以后,该公司又设计了7座桥,其中包括位于加拿大多伦多的约克堡步行桥,目前已接近完工。这是北美第一座完全采用双相不锈钢的结构。该合同采用的是设计-建造合同,在此基础上获得了合同。承包商Dufferin和Pedelta作为其设计伙伴,提出了不锈钢结构,并获得了成功;它低于城市的预算,基于技术和经济的考虑,授予了合同。提议使用优质材料的一个关键原因是,这座由两部分组成的桥横跨加拿大最繁忙的铁路通道之一。Sobrino说,将来进行检查和维护将是一个挑战。因此我们提出采用不锈钢,它提供更高的强度和耐久性。他说,该项目最低要求的设计寿命是75年,但不锈钢的设计寿命要长得多。

                Sobrino说,从技术角度来看,这样的项目可能具有挑战性,因为缺乏控制使用这些新材料的规范。它涉及欧洲规范、加拿大桥梁规范和其他技术规范和指南的综合使用。Sobrino说,客户很乐意参与这类项目。创新和做一些不同的事情是我们人类的天性。然而,他强调了在解释该提案将带来的好处的同时,要说明任何挑战的重要性,你需要诚实,他说。

                虽然使用不锈钢来延长桥梁的使用寿命已被证实,但证明碳纤维或GFRP 等其他材料的优点可能更具挑战性,因为该行业对这些材料的长期性能了解较少。这样的桥梁相对来说比较新,虽然有些桥龄已经有几十年了。

                在引入新材料时,让承包商参与可能会很困难,而且可能取决于采购模式。如果承包商是在一个联合体与特许权人,那么将有兴趣确保低维护费用,因为它将带来财政节约。但是对于传统的交付方式,它掌握在业主手中,Sobrino说。如果业主想要延长桥梁的寿命,或者使用新材料,那么唯一的方法就是在招标过程中。他建议采用一种评分方法,鼓励创新或使用减少维护的材料(加分),否则承包商不会采用新材料。

                避免采用活动连接与支座

                活动连接和支座被广泛认为是未来潜在问题的来源,近年来有避免使用它们的趋势,从而转向了整体桥梁的建设。Schlaich Bergermann合伙人总经理Mike Schlaich认为,赋予一座桥梁长寿命,需要经验,而不是简单地遵循规范和清单。但是,应该遵循一些通用原则,以确保持久性、健壮性和易于维护。他说,首先,也是最重要的,就是选择建造整体式桥梁。我相信,你采用越多的活动连接和支座,你就会有更多的麻烦。它们增加了维护的数量;每当一辆卡车经过一个伸缩缝,它会造成一个严重的动态冲击,导致退化。他说,我认为最好的解决办法是没有活动连接和支座,不过他也承认,并不是在任何情况下都是可能的。

                由此产生的连续梁结构在地震等情况下也带来了安全方面的冗余。Schlaich指出,当位移过大时,简支梁会倒塌,但连续梁可能会抵抗这种现象。桥墩直接连接到桥面而没有活动连接(铰接)的桥梁也会将弯矩分配到桥墩上。如果所有的东西都连接起来,那么桥就会更细,因为力矩分布在各处。Schlaich说,建造整体式桥梁在寿命、环境和结构外观方面带来好处。他认为,甚至还有社会方面的因素。设计整体桥梁,创造高质量就业。这不是你在电脑上敲几个数字就能做到的事情。你必须思考,所以你需要优秀的工程师。客户受益于一个优雅的、持久的桥梁,但工程师必须进行非常困难的设计计算。他补充说,问题是,客户通常只付给你相同的费用。

                对于公私合营项目或者建设-运营-移交项目而言,整体式无缝桥梁是一个更加简单直接的选择,因为承包商的管理养护期长达30年。

                Schlaich喜欢和承包商合作,尤其是那些对“建筑文化”感兴趣的,这种合作方式可以把社会、环境、经济、情感以及审美等方面结合在一起。为了证明这一观点,他以比利时最近建造的一座公路桥为例,这座桥是由SBP设计,由比利时承包商JandeNul建造。作为2017年竣工完成的A11桥梁项目的组成部分之一,这座800米长的桥梁显得非常细长,几乎完全没有接缝或支座。这样看起来很简单,而且节省了很多混凝土。他还提到:“在当前节能减排的时期,考虑到CO2的排放,这一点同样显得非常重要。”

                除了在SBP任职以外,Schlaich还是柏林理工大学的概念和结构设计教授。他认为:“在大学高校研究这一层次,我们现在研究碳纤维后张拉技术,而不是使用钢纤维,因为碳纤维不会腐蚀,也不存在疲劳问题。” 此外,没有腐蚀就意味着所需的混凝土保护层厚度更小,桥梁就显得更为纤细、优雅。为此,柏林理工大学目前正在研究使用碳纤维的先张和后张混凝土桥梁,目前正在建造第一座试验梁。

                其目的是设计综合应用整体结构、碳纤维以及预制三种方法的桥梁,三种方法都有助于延长桥梁的使用寿命。在工厂限定条件下预制的构件可以提高桥梁的质量,但是也同样会造成更多的接缝,在预期的寿命周期内存在风险。每当考虑到20世纪50、60以及70年代在德国公路上修建的成百上千座小桥时,Schlaich的脑海中都会浮现出这个难题。这些老化的桥梁现在许多都需要进行修理或更换,因为它们使用的后张拉预应力筋现在产生了腐蚀,造成了剥落。柏林理工大学的研究目标是使用约40米长的预制梁(最好是碳纤维预应力梁)建造新的桥梁,然后将其和桥台浇筑连接,形成一个整体,这样桥梁就不存在接缝,该校正在测试的梁正是为了应用于这种类型的桥梁。

                比利时A11桥梁项目中一座800m跨径的桥梁非常纤细

                几乎完全没有接缝或者支座。

                比利时A11无缝桥梁

                延长桥梁使用寿命

                设计桥梁时,延长使用寿命的障碍之一就是很难量化整个使用寿命周期的成本。Vejdirektoratet拥有自己的用于生命周期成本预测的工具,但很难对承包商提出的部件或材料所要求的效益进行客观评估,尤其是在只有文字说明而没有技术数据或测试的的情况下。

                对拉索进行干燥除湿可以延长其使用寿命,其他延长其使用寿命的方法还包括减小应力幅,从而减少疲劳损伤。Arup的Naeem Hussain指出,钢索技术一直都在进步,包括锚具的发展,使得其使用寿命更长,并且解决了疲劳问题。钢索也可以安装防护装置,无论是环境造成的损伤还是蓄意或者意外造成损坏都可以防护。他还提到,Arup目前的项目包括文莱的Temburong大桥(全长30公里,今年启用通车),这是世界上第一座为其拉索提供防火保护的大桥。

                试验辅助设计

                Atkins的Chris Hendy提到:“技术存在的一个问题就是无论是数据形式还是材料形式,技术都发展得如此之快,以至于将技术应用于实践的方法或准则无法跟上其脚步。”行业可能需要更多地转向基于性能的方法,更多的设计通过测试予以辅助。

                他认为,纤维增强混凝土将变得越来越重要,尤其是如果可以用聚丙烯纤维代替钢来消除腐蚀风险。特别是在马来西亚已经有这样的案例,Dura的执行董事兼首席执行官VooYen Lei博士用这种方法建成了桥的主梁。他说,这种方法在很大程度上减少了钢筋的使用,但仍然存在一些难题,例如,材料的疲劳性能尚未完全了解。但是,如果在安装使用之前进行加速疲劳试验,它就可以应用于工程项目。Hendy的观点是:“我不认为我们通过测试做了足够的设计——在采购过程中我们不会总是有足够的时间。这也取决于客户对这一理念的接受程度,尽管这一原则得以在欧洲规范中体现,只要它得到理论模型的支持。”

                新技术能够延长结构的寿命,但是可能也会带来自身的局限性,如果要取得潜在的收益,那么就需要解决这些局限性。例如,碳纤维的脆性是一个已知的缺陷,只能通过进行广泛的测试、开发原型,然后最终形成更大的研究项目来克服这一缺陷。十几年前,Schlaich和他的博士生在柏林理工大学设计了第一座碳纤维应力带状桥。SBP目前正在使用碳纤维吊具建造一座网状拱桥;测试已经开展,Stuttgart的轻轨交通桥也已经投标。

                评估创新

                制造商可能会要求一种产品的使用寿命为50年,但如何证明这一点是另一回事。Mackenzie提出,测试可以起到帮助,但是加速测试很困难,并且得到的结果和长期的性能有所不同。但是,许多新产品引入了针对特定问题的增量更新。评估它们可能涉及到查看新版本与现有版本的区别,以及新产品的开发是否解决了之前的问题。他认为,即使这种有益的影响无法量化,但很明显这是应对特定问题的正确方式。

                McDonald在受委托进行一座新桥时,对新技术持“适当的怀疑态度”,因为创新有时达不到他们的预期。许多产品来到市场时,都会声明它们能做什么,以及谁已经使用过它们,但她已经学会了质疑这些说法。打电话给另一位业主,得到了确认,某一特定产品确实被用于一座英国结构,但这是一场彻底的灾难。

                McDonald认为:“用创新的产品和技术从谷壳中筛选小麦是很费时的,一个完美的解决方案可能会被忽视,因此分享信息很重要。”她发现,桥梁这一集体擅长通过诸如英国的“BridgesBoard”、“BridgeOwners'Forum”以及苏格兰的“Scots Bridges Group”等论坛互相分享信息。“苏格兰交通”和“英国国营铁路公司”之间的联络工具则是另一个论坛。

                Mac Aulay提出:“新技术和新产品不应阻碍进步,但它们不应该飞速的发展而不遭到任何质疑。”她还提到:“例如,我们的伸缩缝至少需要五年的使用参照数据。”Storstrm 大桥要运行铁路,因此从桥的一端到另一端只应有四个伸缩缝,这一点已经决定了。“其中一个承包商提出了只有两个伸缩缝的想法,”她这样说到,“我们决定和这四家公司合作,因为对于这种尺寸的伸缩缝,他们有着经得起检验的使用历史。”

                文莱Temburong大桥

                世界上第一座对斜拉索进行防火保护的大桥

                Temburong跨海大桥

                WSP的Denton指出,在考虑使用新技术时,可能会出现“Catch-22”现象(意为本身就有问题、不符合逻辑而难以实现的规则或者进退两难的境地);一些新技术不可避免地缺乏长期的性能数据。“然而,如果我们不前进,那么我们就只能坚持我们一直在做的事情,这也不是正确的解决方法。” 他这样说道,“对我来说,真正重要的是试用和监控事物的方法。”如果证明部件的耐久性不能达到我们希望或预期的程度,那么设计过程中可以通过给部件可以更换这样的措施来减轻这些风险。

                Schlaich Bergermann合作人目前正在研究一种碳纤维网状拱桥

                欧洲规范的发展

                2019年6月,Steve Denton开始了前所未有的第三个三年任期,担任CEN TC250的主席,负责欧洲结构和岩土工程工程师的欧洲规范。他说:“我们目前正致力于开发第二代欧洲规范。”数千名欧洲专家参与了该项目。第一批新文件有望在未来两年内通过国际调查和正式表决。

                他还提到,一些重点领域与结构寿命尤其相关。其中之一就是正在进行的关于如何实现在当前设计的结构中处理未来气候变化的影响的研究。

                应对极端事件的设计很复杂,例如,有些地方冰雪引起的荷载预计会上升,而另一些地方可能会下降。他说:“与此同时,我们绝对致力于在下一代欧洲规范关于环境作用的条文中提供一些处理或解释气候变化的方法。”

                面向未来的设计

                对每一个可能发生的事情都要做面向未来的预测是困难的,“我们真的不知道事情未来会发生多大的改变,”苏格兰交通部的Hazel McDonald说,“但是我们所设计的结构的重现期要长得多,特别是流量和洪水。我们现在对洪水和冲刷风险有了更深的了解,因此我们设计了200年一遇的更高流量,另外还有20%用于气候变化。”

                这一点在苏格兰A830和A835桥的替换中很明显。她说:“现有桥梁的设计是在洪水和设计流量不太清楚的时候进行的,因此桥梁的跨径要小得多,这会阻碍水流,并导致它们成为碎片收集区,需要定期清理。”

                “当你设计一座基准期是100年的桥梁时,你不能盲目地跟着规范走,”Arup的Hussain说,“如果没有国家的相应预测,就有必要回到基础上来。” Arup现在在菲律宾有个项目,这个项目正在进行可行性研究,研究可以使得政府做出这个决定——用桥梁连接各岛屿是有潜力的。

                这可能涉及约2500m跨纪录跨径,Arup最近正在对荷载进行全面评估,这些荷载考虑到当地的发展计划和交通量的调查。与此同时,台风越来越强烈,海啸越来越多。Hussain说:“我们现在需要关注的除了活载外还有环境带来的荷载,在菲律宾,环境是都是极端的,比如台风、地震、海啸等等,并且他们还越来越严重”。

                Denton说:“我们在全球范围内开展的一项重要工作是,努力让我们所有的项目都有一个思路,即质疑我们正在设计的是不是‘面向未来的’。”这涉及到环境、社会和技术问题的未来趋势的探索。“我们现在在所有新项目上要做的是花一些时间来考虑这些趋势的潜在影响。”这可能就包括质疑这个项目是否必要,以及人口变化、气候变化这些因素对桥梁的风载、雪荷载及温度作用的潜在影响。

                适应性设计

                Cowi的Mackenzie观察到,当一座桥梁“在交通的重压下呻吟”时,一个常见的抱怨就是为什么在建造时没有考虑到交通量的增长。通常的答案是钱不够。另一个挑战是,结构的作用可能会发生变化,荷载、环境限制和法率也可能发生变化;现在可接受的事情在未来可能就不接受了。

                但有时会在适当的时候升级。澳大利亚维多利亚州EJ Whitten大桥最近完成的加宽工程得益于最初设计时的规定。

                这座桥于1995年作为墨尔本M80环路的一部分开通,作为双幅高架桥建造。客户VICROADS始终知道,在某些阶段交通量会增长,因此采取了不同寻常的步骤,确保原始设计便于桥梁加宽的设计,即通过预留空间(在两个梁之间预留第三个混凝土箱梁的空间),基础和桥墩设计成有助于在墩顶之间增加盖梁,盖梁用于支撑加宽的第三个箱梁。

                然而,自从这座桥建成以来,标准已经发生了变化。很明显,混凝土箱梁很难用顶推施工到两个已有车道之间,而且它也很重,特别是随着交通量和地震需求的增加。Cowi设计了一种可行方案。MacKenzie说:“钢混组合箱梁可以减轻重量,并且可以在原桥面板边缘安装龙门吊。”新的设计得益于原设计人员的远见,例如为框架横梁后张法施工提供足够的管道,并预留下桥面板搭接钢筋,使新桥面板能与原桥面板成为一体。他说:“这是一个优秀的客户长期思考的例子。”

                在美国的一座新桥上也有类似的规定。“纽约州的Governor Mario M Cuomo大桥的设计包括一个未来的铁路桥面板,它将被组合到现有的两个桥面板之间,” MacKenzie说。“这是由积极主动的桥梁业主推动的未来发展的前瞻性规划的又一个例子。”

                澳大利亚维多利亚州EJ Whitten大桥拓宽项目

                得益于最初设计时的要求(COWI)

                结构健康监测

                使用塑性方法、屈服线分析或拉压杆方法等方法对桥梁进行设计表明,桥梁具有一定的强度储备,但是强度储备在常规方法分析中并不明显。Denton说:“我们的桥梁的实际性能往往比我们建模所能预测性能的要好。”“我们倾向于谨慎假设,而事实上,我们的结构中隐藏着性能和强度的储备。因此,另一种概念性设计方法是思考我们如何理解真实的力学行为。”

                这就是结构健康监测可以发挥作用的地方。更好地理解这种行为可能意味着对其需求的改变——例如,重型车——可能不需要任何升级。Denton说:“这有可能使我们能够推迟或完全避免干预。”

                对SHMS的前期投资通常重要,因此也越来越需要证明客户将在短期内获得回报。最明显的方式是以更好的桥梁运行和更好的维护的形式,但它也可以涉及设计的改进和桥梁的评估。

                Ramboll的高级专家Torben Bangsgaard说,从历史上看——比如说,早在罗马时代——人们就从一座坍塌的桥梁中学到了经验,并优化下一座桥。然而,50年或100年的设计寿命使得学习周期非常缓慢——我们不再接受那些作为循环一部分而坍塌的桥梁。他建议,设计师需要能够在不超过20年左右的短得多的时间内汲取知识。而SHMS可以以桥梁在活荷载下产生的数据为基础,使工程师重新评估桥梁在整个生命期内的状态。

                Bangsgaard说:“如果你要有一个智能的、长寿命的设计,你必须要进行SHMS,因为SHMS可以生成数据,随着时间的推移可以用来重新评估桥梁。”对于大型桥梁,规定SHMS所需要的招标文件可能长达数百页,并需要安装1000个或更多传感器。他说:“这张图完整地显示了这座桥所承受的荷载。”他说,对这些数据的研究肯定会导致新的分析模型的开发,这些模型将为设计过程提供信息,有助于实现未来桥梁的长寿命。

                SHMS的信息也可以用来支持这样的论点——在满足设计寿命的同时,可以建造更便宜的结构——也许是更纤细的设计。例如,从其他桥梁获得的数据可以用来证明,混凝土的耐久性比预期的要长,疲劳和开裂也不太可能是一个问题。

                Bangsgaard说:“如果我们能够证明这一点并在设计中加以考虑,那么SHMS在降低桥梁成本方面就变得很有价值。”他补充说,能源部门已经开始利用过去通过SHMS收集的数据,这种方法也开始渗透到桥梁领域。

                长寿还可能得益于通过“数字孪生”产生的数据和理解。“数字孪生”是一个总括性术语,涵盖了在信息化平台运行计算机模型的情况。Bangsgaard说,来自SHMS的数据将导致建立先进的数字孪生。Ramboll正率先为福斯三桥开发先进的数字孪生。

                数字孪生也允许使用桥梁设计时使用的底层计算机模型。Bangsgaard说:“我们可以引入测量数据,例如不同位置的应力和应变,并查看其他位置的应力情况。”“我们还可以校准各种数字孪生和融合数据。本质上,我们正在进行模型修正以匹配现实中的结构。然后我们得到更好的预测。在Ramboll,这些被称为“真正的数字孪生”。

                小型桥梁也采用了SHMS,尽管对于小型结构,它可能集中在特定区域。“在某个时候,我们将开始监测一些有代表性的桥梁,以便从中吸取教训,并指导我们如何设计和运营类似的桥梁,”Bangsgaard说。一个国家可能一年建造两座大桥,其余的由更小的桥梁组成,小桥们的总价可能比大桥的总价大十倍。

                并非所有的监控都涉及到在结构上附加一些东西。Atkins的Hendy说:“我们最近取得了巨大成功的一件事是有关于数字图像的,即利用照片完全远程测量应变和位移。”数字图像利用模式识别技术、摄像机和图像相关算法从不同图像之间识别出的微小变化中确定信息。Hendy说:“我们在近一公里上用它测量了Humber大桥的挠度,精度为毫米。”

                Atkins在包括Humber桥在内的结构上使用数字图像相关技术

                对数百米外的位移进行精确测量



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