现如今,根据长时间的实践经验和理论积累,桥梁的设计工作者,通过对桥梁钢结构的完整性设计目标、损伤及损伤容限、损伤的表现等进行分析,不断提出了钢结构完整性设计的理念,而且还此基础上提出了钢结构设计的要点,并分析认为建立材料―工艺―细节―损伤为控制方式的完整性设计原则。而这无疑极大地体现了焊接结构带有损伤但适合使用的理念。
一、桥梁钢结构完整性设计理念
在现实生活中,桥梁是为满足交通功能的建筑物。就目前而言,桥梁的钢结构是由结构钢加工单元经焊(栓)连接组成为复杂的受力系统,有明确的承载安全和服役耐久性要求。但是,目前就算按照相关的设计规范,设计者准确的满足强度、刚度、稳定性为桥梁的承载力目标进行设计(甚至人为的增大安全系数),仍然不能够避免桥梁结构在服役期内发生局部或整体的损坏。究其原因,钢结构的安全性能与耐久性能并不能简单地归结为承载力不足(往往强度富裕甚多)。与大多数钢结构有着相似的特点, 20 世纪以来,广泛地使用焊接技术,使得国外发生的多起桥梁钢结构破坏事故均由于局部损伤扩展所致。由于难以发现和修复,最短服役寿命仅10 余年,如韩国圣水桥、比利时vierendeel 桥、澳大利亚kigs 桥等。 近年来,我国国内桥梁钢结构由于损伤导致局部破坏的实例也时有发生。要知道,结构损伤是构成对桥梁安全与耐久最大的威胁。所以在引起设计者对焊接结构损伤、损伤扩展以及结构系统失效过程关注的同时,也要使人们对如何保证桥梁钢结构系统完整性的进行深度的思考。目前国际焊接学会(IIW)推出的建立在保证焊接结构完整性和可用性基础上的“合于使用评定指南”(Fitness for Purpose)以及国际公认的英国中央电力局所提“带缺陷焊接结构完整性评定方法”(CEGBR6-2000)值得设计借鉴和参考。完整性设计涉及内容比较广泛:一方面要考虑传统的钢结构的强度和刚度要求,另一方面又必须强调关联耐久的损伤和断裂。而现代桥梁的钢结构完整性,要求从这两方面同时保证结构的使用目标,具有系统性、整体性和综合性的特点。
二、焊接结构的完整性
在桥梁的钢结构完整性设计中,焊接是一项至关重要的技术。而焊接结构的完整性设计则对桥梁的完整性和安全性有着绝对的影响作用,所以焊接结构的完整性设计也被提上桥梁结构完整性设计研究的议程。 焊接结构有了损伤概念的介入后,材料、连接、结构细节和工艺过程不再是完美无缺的了。要知道,当焊接结构局部发生损伤后会不断扩展,而由于损伤多发生在应力集中处,那么自然而然地,细节构造的适当处理就变得不可忽视。并且在国内外多起桥梁钢结构破坏事故发生,经典结构力学、材料力学的分析方法已不能很好地解决损伤问题,以名义应力为基准的简单安全系数也无法评定结构安全的情况下,建立材料―工艺―细节―损伤为控制方式的完整性设计原则,完全体现了焊接结构带有损伤但适合使用的理念。 (一)材料―工艺―细节―损伤的控制方式 (1)做好材料及焊接接头的韧性和强度的合理配合。这样一个合理配合过程,主要是为了减少设计和工艺对结构的硬伤,而且注重焊接接头焊后处理工艺(焊后修磨及锤击工艺)也是保证结构完整性的一项必不可少的程序。 (2)焊接接头区的微观组织、力学性能会发生改变,焊接缺陷导致损伤,不能仅依靠提高母材的质量等级来解决断裂问题,需要多方考虑,寻求更好的解决方法。 (3)在加强焊接结构完整性的过程中,必须强化细节决定成败的观点,重视不良焊接细节对桥梁结构安全和耐久性所带来的影响。例如,在焊接过程中,尽量减小焊缝数量和焊缝尺寸,选择合理的焊接材料与母材组配方式。 (4)由于腐蚀可引发应力腐蚀,因而防腐蚀不再是装饰,而是保证结构安全的需要。在量化腐蚀程度与承载力和失效寿命的基础上,桥梁钢结构防腐蚀设计应有明确的使用和维修周期。同时注意结构细节对腐蚀和防腐工艺的影响。 (二)完整性设计要点 桥梁钢结构中焊接接头型式因结构受力需要而不同,而焊接接头微观组织的不均匀性会导致与母材力学性能的差异。而在满足常规设计要求和使用寿命的前提下应考虑: (1) 在工艺上作焊接性和可检测性要求,针对静力或疲劳要求决定焊缝形式。 (2)在关键构造细节设计中,努力做到遵循简洁传力、焊接可行、不留死角、方便安装、利于维护的基本原则。 (3)根据荷载、环境、细节等因素,按抗疲劳与抗断裂要求作损伤分析和寿命评估。 (4)按焊接缺陷预防,焊接应力与焊接变形焊接收缩量的控制目标确定制造工艺标准和焊接工艺评定要求。 (5)以损伤监测和维护方法为内容的使用维修 为确保焊接结构的完整性,应切实的做到从实际情况出发,根据已有的理论基础和实践经验,抓住设计要点,确定设计方式,并处理好施工过程中的细节问题,从而从根本上把握住焊接结构的完整性。
三、总结
在现代桥梁的完整性设计研究中,我们不难看出,好的设计理念是基础。而在拥有好的、有效的设计理念的基础上,切实可行的设计方案则是让设计得以实现的保障。主要矛盾才是主导事物发展方向的根本矛盾。而关系着桥梁完整性设计研究的主要矛盾,便是焊接结构的完整性。可以毫不夸张的讲,焊接结构的完整性对现代桥梁的完整性设计起着决定性的作用。而针对于焊接结构的完整性把握,本文也从不同的角度,阐述了不同的方式方法,力求在桥梁的完整性设计研究中保证应有的郊果。