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2桥梁设计与评价的要求
2.1一般要求
AASHTO规范要求公路桥梁的设计要考虑到可施工性、安全性和可使用性，同时要考虑到检查性、经济性和美观性等问题。这一章节主要讨论这些问题。
国家桥梁检测标准(NBIS)已经制定了国家桥梁检验的要求。而“AASHTO手册”则规定了需要满足的检查程序和评价做法的要求。而在桥梁评价中，可构造性、可检验性和美学、桥梁的安全性、适用性和经济性的目标往往是不可更改的，这些在桥梁评价实践中都是重要的。
2.2极限情况
在AASHTO的规范中，上述一般要求的许多方面都以极限状态的形式处理。例如，通过确保不超过横截面容量限制、防止倒塌机构极限状态等措施来满足安全要求。极限状态的概念将在本节中重点讨论，以下各节将讨论每个一般要求。请记住本节中介绍的极限状态概念，能够更容易地理解一般需求。
AASHTO规范中规定的极限状态是为了提供一座可建造和可使用的桥梁，能够安全地承受75年的设计荷载。不过，还应指出的是，有些要求更难以量化和制定。美学要求就是一个例子。因此，AASHTO设计规范只能为这些需求提供描述性指南。
在AASHTO规范中，定义了四组极限状态用于桥梁构件的设计：使用状态、疲劳断裂状态、强度极限状态和极限状态。在正常使用条件下，使用极限状态作为对应力、变形和裂纹宽度的限制。因此，服务限制状态中的负载因子通常为1.0，表示服务条件，尽管在设计负载被认为不代表常规服务条件的情况下存在例外。这组极限状态还提供了某些与经验相关的要求，而这些要求并不总是完全出于强度或统计方面的考虑。
第三章详细介绍了这种荷载极限状态，并给出了具体桥梁构件的设计应用实例。疲劳和断裂极限状态表示由于设计卡车的疲劳和/或断裂失效而对应力范围的限制，这种破坏被视为桥梁构件的材料开裂。规范中的这一极限状态是为了限制在重复荷载作用下发生开裂的概率和(或)限制在这些荷载下的裂缝扩展，以防止桥梁在设计寿命期间发生断裂。第三章详细讨论了这种破坏的机理，第四章给出了桥梁上部结构设计中钢桥构件的设计应用实例。
一些结构工程师和/或结构工程专业的学生可能更熟悉强度极限状态，因为这是我们教育课程中讨论的最基本和第一项。这对我们来说也是最直观的。采用AASHTO规范中的强度极限状态，以确保提供强度和稳定性，以抵抗桥梁构件或系统在设计寿命中应经历的指定荷载组合。请注意，所关注的力量和稳定性可能是局部的，也可能是全球性的。例如，梁的弯矩设计往往需要确保不仅整体屈曲(如横向扭转屈曲)，而且局部屈曲(如涉及法兰或横截面腹板)不会出现在荷载和阻力系数中反映的安全裕度。第三章讨论了这个极限状态的更多细节，并在接下来的章节中给出了设计应用。
极限事件极限状态指的是AASHTO规范中对桥梁构件或系统在罕见事件中的结构生存的要求。这样的事件可能是地震、重大洪水、船只碰撞、卡车碰撞、冰流或冲刷情况。
2.2-1极限状态荷载组合的一般公式
AASHTO规范规定了负载组合的一般格式如下：
Qn = eta;i gamma;i Qi (2.2-1)
其中qn=总设计荷载效应(名义值)
qi=将在第三章讨论的荷载效应，例如由于自重、卡车、风等原因而产生的荷载效应
gamma;i=相应的气的荷载因子，将在第三章中定义
eta;i=与延性相关的荷载修改器：与延性有关的eta;D，与冗余有关的eta;R，以及与操作分类有关的eta;i。
AASHTO设计规范中的负载因子gamma;I可以根据情况而变化，以确保安全。例如，如果自重作为与其他载荷应力叠加的产生载荷的应力，那么自重负荷系数就会更大。然而，自重负荷系数较小，是自重作为一种强度或阻力.这种情况的一个例子是桥墩的稳定性检查。这些不同的处理方法是为了考虑在这些不同情况下估计自重的不确定性。
对于gamma;i最大值合适的负载：
eta;i = eta;D eta;R eta;I ge; 0.95 (2.2-2)
对于gamma;i的最小值接近的负载：
eta;i = 1/eta;D eta;R eta;Ile; 1.0 (2.2-3)
AASHTO规范中给出了eta;D、eta;R和eta;I的值，如表2.2-1至2.2-3所示。
总之，强调了通过冗余和延性来提高安全性的概念。
与延性有关的载荷修改器，eta;D
强度极限状态：
ge;1.05 适用于非延性构件连接
1.00 用于符合本规范的常规设计和细节
ge;0.95 适用于已为其规定了额外延性增强措施的部件和连接
超出了所有其他极限状态的规范要求：1.00。
与冗余相关的负载修饰符，eta;R
强度极限状态：
ge;1.05 用于非冗余构件
1.00 用于常规水平的冗余，ϕ已按指定的
ge;0.95 表示超出梁连续性的特殊冗余水平的基础单元
用于所有其他极限状态的扭转闭合截面：1.00。
与操作分类有关的负荷修改器，eta;I
对于强度极限状态：
ge;1.05 用于临界或基本桥梁
1.00 用于典型桥梁
ge;0.95用于相对次要的桥梁
用于所有其他极限状态：1.00
冗余的例子包括在截面上使用三根以上的平行梁，在桥墩或弯曲处使用多根柱，在桩上使用桥墩盖以确保群桩效应等。延性是指结构体系或构件在不发生系统失效的情况下，承受材料首次失效的能力。例如，钢筋混凝土柱的设计应该能够防止混凝土在地震作用下被碾碎后，主要的竖向钢筋发生屈曲，方法是设计约束以保留已碾碎的混凝土以支撑钢筋。此外，混凝土和钢相互作用的组合梁截面应设计成以钢屈服作为极限状态，而不是混凝土破碎，以获得更好的延性。
2.2.2强度极限状态
强度极限状态是指桥梁构件、桥梁子系统或桥梁系统的强度和稳定性极限。例如，桥梁支座的设计应支持其所支持的构件所传递的荷载组合的极限强度。需要设计一个具有多个构件的桥梁桁架系统，以便为指定的荷载组合提供足够的强度。
强度极限状态可指局部或全局行为。前者的一个例子是受钢梁腹板稳定性控制的抗剪承载力。另一方面，将梁的横向扭转屈曲看作是全局稳定极限状态的一个例子。在AASHTO设计和评估规范中规定的相应的荷载是统计意义上的荷载组合，这是一座桥梁在其设计寿命中应经历的荷载组合。第三章给出了载荷的更多细节和定量组合。
2.2.3极限状态
这种极限状态与很少或相对较少发生的荷载有关，例如地震、重大洪水、卡车、船只碰撞或冰流引起的荷载。极限事件极限状态的设计是为了确保桥梁在这种情况下或它们的组合中的结构存活。虽然在不同的层次上，如严重损伤、轻微损伤或有限的非弹性行为，都可以定义生存，但根据不同成员在系统中的作用，这种极限状态在设计中可能会有不同的应用。例如，作为一个相对冗余的子结构体系，上层建筑与桥台之间的连接需要比多根柱的弯管更保守的设计。这是因为上层建筑-子结构连接失效可能导致上层建筑倒塌，使整个道路不连续的服务，而一个柱的故障在一个多色弯曲不会造成系统故障和道路关闭。关于这个极限状态及其应用的更多细节，将在第三章和接下来的章节中给出。
2.2.4规范限制状态
AASHTO规范给出了在正常使用条件下对应力、变形和裂纹宽度的限制状态。它还提供了某些与经验有关的规定，而这些规定并不总是完全出于实力或统计考虑。例如，混凝土梁的钢筋间距除了强度极限状态外，还被控制为使用极限状态。第三章和其他章节中的示例应用将更详细地介绍这个极限状态的概念和具体应用。
2.2.5疲劳和断裂极限状态
疲劳是指在材料静强度以下或远低于材料静强度的情况下，由于反复施加应力而导致材料开裂的现象。断裂是疲劳引起的裂纹尺寸的突然增大。根据这种故障的位置和桥梁系统的冗余度，疲劳和断裂失效可能是或不可能是系统故障或崩溃的原因。在美国桥梁工程实践中，其断裂可能导致系统失效或倒塌的桥梁构件称为断裂临界构件。
材料在微观尺度上的不连续性可能很难消除，这取决于制造材料的工艺和程序。然而，有些人可能比其他人更有可能导致不连续性。例如，在局部处理和熔化不同钢材的过程中，钢型材的连续热轧过程产生的材料比焊接更均匀。因此，由于母材和焊接材料(电极)的熔合不充分，焊接更容易造成不连续。因此，焊缝细节更容易发生疲劳和断裂失效。
因此，要求将AASHTO规范中的疲劳极限状态作为对应力范围的限制。在规范中将施加的荷载指定为一辆具有预期应力范围循环次数的单一设计卡车，根据对这种卡车在75年寿命内可能通过桥梁的次数的估计。根据焊接细节的类型(即如何完成，例如在现场或车间)和卡车负荷重复应用的数量，AASHTO规范中给出的允许应力范围是不同的。断裂极限状态作为AASHTO材料规范对材料韧性的一组要求。
一个典型的容易疲劳的桥梁构件细节是所谓的盖板焊接，将其连接到钢梁底法兰，以提高弯矩能力。这样的焊接会受到很大的弯曲应力。如果焊缝也受到大体积卡车施加的大量应力循环，就会多次观察到疲劳裂纹。虽然在新的桥梁设计中，由于对这种现象和破坏机理的观察和研究，这种盖板焊接已经大大减少或消除了，但许多现有的桥梁仍然有这样的细节，需要反复评估，以估计桥梁的剩余寿命。
2.3 可构造性
可施工性是指成功完成所设计桥梁施工的能力。这个问题特别重要，因为它是桥梁进入运营阶段开始其设计寿命的先决条件。因此，在讨论其他一般性设计问题之前，将对其进行讨论。虽然它是重要的，但它不能详尽地涵盖在说明书中，因为有各种各样的施工技术和施工程序。通常，下一节中讨论的强度极限状态适用于可施工性检查，但根据情况，将负载因子降低到接近服务极限状态的水平。
AASHTO规范中明确提到的可施工性问题包括但不限于挠度、钢和混凝土的强度以及施工关键阶段的稳定性。例如，如果设计师要求带有混凝土甲板的钢梁复合承受恒载(混凝土自重)和活载(卡车荷载)，则需要为施工指定这一要求。
在施工过程中对桥梁构件施加的荷载可能不同于在使用过程中施加的荷载。有时，施工压力可能大于正常使用条件下的压力。桥梁的设计应使制造和安装能够在不受不应有的困难或痛苦的情况下进行，并在可容忍的范围内具有锁定施工力的效果。如果设计人员假定了特定的施工顺序，则需要在合同文件(如计划)中定义该顺序。如果所选择的建造桥梁结构的方法在安装过程中需要某些加固和/或临时支撑或支撑，则这一要求也需要在包括计划在内的合同文件中注明。
规范还确定了设计中需要解决的其他几个问题。它们包括，但不限于，避免细节，需要焊接在禁区和通过拥挤的钢筋混凝土浇筑。还应充分考虑可能影响大桥建造的气候和水力条件。
2.4 安全
传统的结构设计和评价方法采用允许应力设计(ASD)方法和/或载荷因子设计(LFD)方法。荷载阻力系数设计(LRFD)和负荷阻力系数额定值(LRFR)的设计方法，如名称所示，对荷载和阻力采用不同的设计方法。LRFD和LRFR方法允许单独处理每种负载或阻力。因此，它具有更大的灵活性和更高的保真度来处理不同程度的不确定性。这种设计验算格式可以涵盖设计或评估的各种极限状态，如弯曲和剪切失效、过度挠度、开裂电位、地震荷载和风荷载。
更重要的是，AASHTO LRFD和LRFR规范已经针对所涉及的故障风险进行了校准。这种风险被量化为实际总负荷效应超过实际阻力的概率。工程师使用负载效应和电阻的标称值来满足设计或评估要求。然而，这一过程将揭示失效的可能性，因为所涉及的载荷和阻力是随机变化的，有时变化很大。
这些变量的例子有：严重的地震荷载、75年的最大载重车荷载和桥梁寿命的最大洪水荷载。显然，不同的负荷与不同程度的不确定性联系在一起，以便为设计或评估建立模型和进行预测。第三章中提出的荷载和阻力系数是为了解决这些不确定性作为故障风险的来源。
AASHTO、LRFD和LRFR规范中规定的设计和评估方法被称为校准方法，因为它们的负载和阻力因子是与相关的名义载荷和电阻一起选择的，以将失效风险保持在可接受的水平。本节将简要讨论AASHTO LRFD和LRFR规范的校准。为读者了解桥梁设计与评价中的概念和局限性，正确应用规范提供了背景信息。
2.4.1设计和评估中的不确定性
一个典型的设计或评估过程涉及到大量的不确定性。不确定性的来源包括不完善的质量控制，导致设计构件尺寸的变化，构件强度的随机波动，以及不可预测的可变载荷在被设计构件中产生随机效应。考虑到设计成本，这些变化并没有在设计过程中得到明确的解决，而是使用保守的标称值来覆盖。例如，桥梁中使用的建筑材料的强度名义上是使用一个确定性值表示的，通常等于平均值减去实际实测强度标准差的几倍。作为另一个例子，风荷载可以用强度作为返回周期的最大值来表示。桥梁评估作为一项工程实践，在使用标称值来涵盖变化或不确定性方面也有类似的情况。
此外，在评估现有结构时，减少不确定性的要求往往高于设计要求，因为使用保守的假设可能会导致过度昂贵的维修或更换，因此更可取的做法是避免这种过于保守的做法。例如，如果桥梁通常承受比其他桥梁轻得多的卡车荷载，那么使用设计载重的现有公路桥梁的承载率是过于保守的。这种做法可能不必要地要求一些桥梁在发现不足以应付标准设计载重时予以加固或更换。换句话说,这些桥可以在没有加强的情况下安全地作为其他桥梁服务于旅行的公众、或替换。因此,加强或替换这些桥梁将是过于保守，是不需要的。
2.4.2使用概率论建模不确
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资料编号：[2896]
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