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長壽命橋梁設計
2020-03-11 來源:說橋 

  當一座橋還只是模型中的一條線,此時的決策就可能確定了它是否長壽,是否無災無難。Lisa Russell就如何設計和確保橋梁長壽命與橋梁工程師開展了討論。

  世界上并無神奇之法,能確保橋梁壽命達到一個世紀甚至更多;在橋梁的設計、建造、運營的路上,無數的選項,可能顯著延長壽命,也可能相反。然而,橋梁的命運在設計階段就已經確定。

  蘇格蘭交通廳首席橋梁工程師哈澤爾·麥克唐納說,在設計階段和特別階段的決策可能會對橋梁的壽命產生巨大影響。結構形式和結構體系、材料類型和質量選擇,以及伸縮縫設置和類型選擇,以及排水管理,這些方面可以延長或縮短壽命。它們還會影響將來是否便于維護,以確保使用壽命。

  “你能做的最重要的事情之一,就是從第一天就有一個高標準的技術規范,并策劃運營和維護,”丹麥道路理事會(Vejdirektoratet)結構設計經理芭芭拉·麥考利(Barbara MacAulay)說;提前做總是比事后再做要更好、更便宜。她說:“對我們來說,一份好的說明書非常重要,不僅要有空洞的文字,而且要有詳細的說明,要有圖紙和說明,來顯示出零件將來如何更換等細節。”適應性設計是未來預防的方法之一,WSP土木、橋梁和地面工程主管史蒂夫丹頓(Steve Denton)表示,盡管有一些可以合理預見的變化,但也有一些變化將在未來100年內發生,但現在真的很難預測。現在設計一個結構的工程師可以考慮,如果將來有必要,可以做些什么來讓加固變得更容易。

  長壽命設計的一個關鍵方面是要從維護和耐久性的角度來考慮設計,而不僅僅是從應力和力的角度來考慮。Cowi執行董事戴維麥肯齊(David MacKenzie)表示,這涉及到對挑戰進行更橫向、全面的思考。他注意到,尤其需要考慮到構件的劣化,但是規范并沒有考慮到構件的劣化。他說,構件會有一定程度的惡化,特別是如果這座橋沒有得到適當的維護,這可能會威脅到這座橋的壽命。蘇格蘭交通雇主對新結構的要求已經演變,必須反映廣泛的各種橋梁的運營經驗。蘇格蘭的麥克唐納說,它們涵蓋了在過去30年左右的時間里所建的橋梁,哪些做得好,哪些做得不好。

  奧雅納全球橋梁設計的領導者納伊姆·侯賽因評論說,實現長壽命不僅僅是設計的計算方面。這也意味著獲得正確的材料,這涉及到對工地現場的全面了解。必須了解地理條件、環境、土壤性質等,以確定諸如混凝土配合比的設計、鋼的類型、是否應使用復合材料等方面。

  阿特金斯公司的技術總監兼橋梁工程負責人克里斯·亨迪(Chris Hendy)說,概念設計是任何項目中最關鍵的階段,它為結構確定了基調。他補充說,很難在后續階段進行可維護性改造。然而,在這個階段,資金通常很少到位。做概念設計的應該是最好的工程師,但在這個階段,行業有時會陷入將工作委派給更多初級工程師的陷阱。他表示,客戶應努力為概念階段提供更多資金。“我理解概念階段的挑戰,但業主不知道會不會有一個項目,”他表示。但不這樣做,在經濟性方面是錯誤的。

  關注細節

  蘇格蘭的麥克唐納說,橋梁業主和管理者擁有豐富的知識,可以影響新橋梁的壽命。他們了解當地的環境,當地生產的材料的質量和性能,以及之前的結構和材料的性能。這有助于明確新結構的規范和要求,以解決材料和環境退化方面的任何已知的潛在問題。

  蘇格蘭交通廳橋梁部門負責管理和維護超過2000座橋梁。該部門每年亦會受委托更換數座橋梁,并為負責大型工程的部門提供指引,例如福斯三橋及多個高速公路結構的擴建計劃。麥克唐納說:“我們就如何檢查和維護它們,以及我們希望在設計中看到的東西提出了自己的看法。”

  例如,確保福斯三橋的使用壽命,涉及多項因素,例如混凝土和鋼材的質量、規范、監控要求、油漆工程、檢修通道設施,以及在有需要時可更換斜拉索。

  她說,所有這些都在設計中考慮到了。許多問題也可以擴展到更小的項目。

  需要仔細考慮結構形式,例如盡量減少接縫,避免采用難以檢查的隱藏關鍵部件,盡量減少橋墩受到沖刷或沖擊的可能性。設計需要包括堅固和易于維護的水管理制度,具有諸如滲漏檢查和排水等功能。還需要有良好的檢查和維護通道。麥克唐納說:“人們現在更多地考慮的是能看到什么,而不是不能看到什么。”

  不易到達檢查意味著你檢查的能力降低了,因此你在不足變成缺陷之前看到它們的可能性大大降低了,Cowi的MacKenzie指出。他補充道,你不可能在不考慮檢查通道(入口)的情況下設計一座橋。如果你事先想到了,它通常只是圖紙上的一條線,很容易在一開始就設置它,但之后就很難糾正了。

  阿特金斯公司的Hendy說,規范只告訴人們檢查構件強度,但并不特別關注哪些構造細節是耐用的。為了便于施工,構造細節設計也很重要。他表示:“我們知道,如果建造起來很困難,就會出現更多問題。”

  一種被認為是令人滿意的方法被廣泛使用,例如,規范給出了特定暴露環境類型所需的混凝土保護層厚度。

  現在有一種基于可靠性的方法,從考慮結構的真正關鍵部分開始。可能會有難以修復的飛濺區,或難以到達的、朝上的表面,在那里可能會有融雪鹽。Hendy說,有些區域可能需要額外的防護措施,例如,增加混凝土保護層厚度、水泥替代品、緩蝕劑、額外表面涂層或優質的強化鋼筋,如不銹鋼鋼筋。這涉及到為了考慮橋梁所在地的挑戰,改變以往一刀切的做法。

  阿特金斯采用了這種方法,包括橋臺使用不銹鋼鋼筋加固。業主越來越能接受在行人天橋上采用不銹鋼拉桿桿件。Hendy也鼓勵在環境不太惡劣的情況下更多地使用耐候鋼。我們在鐵路道口大量使用耐候鋼,因為未來的維護是不可能的,它消除了涂裝的需要。

  利用經驗

  在大多數情況下,水可能是一種無害的物質,但它可能是一座橋梁實現長期使用壽命的最大障礙之一,正如許多業主從痛苦的經驗中了解到的那樣。Hendy說,我們遇到的大多數問題,無論是鋼橋還是混凝土橋,都與鋼的腐蝕有關。

  如何讓水遠離脆弱區域的知識,來自于看到橋梁如何運營;這種理解需要傳遞回送給設計團隊,以便他們能夠理解問題。“這就是為什么我認為參與結構維護的工程師能夠和設計師交談是非常重要的,他們直接成為設計師是更好方法。” Cowi的麥肯齊說,不要出現“豎井”。“同時參與這兩個方面,可以讓您了解什么地方可能出錯,在沒有檢查通道或者無法拆除或替換構件的情況下的嘗試是多么令人沮喪。” 在Cowi,有一個統一的橋梁部門,所有的人都參與其中——維護、監控、維修和新設計。

  WSP還希望員工在工作類型之間保持平衡,丹頓(Denton)表示:“我非常鼓勵的一件事是,工程師可以在設計項目、資產管理項目、咨詢、研究和標準項目中獲得工作經驗。” 我認為如果你在其他領域也有經驗,你會做得更好。

  今天的數字工具也可以通過共享知識來幫助延長壽命。丹頓(Denton)說,現在確實有很多機會來構建性能最佳的構造細節庫,并確保我們正在使用它們。這是我們行業的本質,隨著時間的推移,經驗可能會丟失。擁有真正好的數字存儲庫可能非常有用。
 

  丹麥新Storstrm橋

  鋼橋集團(Steel Bridge Group)、Ciria和FIB等組織為鋼橋或混凝土橋提供了廣泛的指導。但并不是所有的指導都為業界所熟知。Hendy是鋼橋集團的主席,他說:“問題可能來自于缺乏意識和年輕人在緊張的時間壓力下工作,而不是在正確的監督下。可以找很多借口,但在我看來,這些借口都是可以解決的。承包商也可以參與其中。”他說,“有些承包商很擅長提供關于可施工性的反饋,有些則不太擅長。”

  在規范之外確定因素——Storstrm橋

  這座即將成為丹麥第三長的橋梁的正在建設中。4公里的Storstrm橋(丹麥語Storstrmsbroen)將通過Masned連接Zealand島和Falster,公路和鐵路合建,同時布置了人行道和自行車道。它的2個160米長的通航孔位于獨塔斜拉橋的兩側,塔高100米高。該橋采用設計施工(DB)合同,由Itinera, Condotte和Grandi Livori Fincosit組成的SBJV聯合體承擔。詳細設計由SBJV的顧問de Miranda Associati工作室進行,由Vejdirektoratet(丹麥道路理事會)的咨詢團隊進行定義設計,咨詢團隊包括Cowi和Dissing+Weitling。

  Vejdirektoratet的項目團隊已經花了相當多的時間與它的咨詢團隊研究規范。這包括聽取進行檢查和維修的人員的意見,以便了解其他結構的困難之處以及今后如何避免同樣的問題。

  關于設計基本要求的一份文件詳細闡述了橋梁的要求,從幾何約束到荷載。設計壽命為120年,包括主梁、橋墩、橋塔和橋臺等所有永久性部分。設計基本要求中明確,由于現行設計標準中沒有明確規定達到120年設計壽命的方法,因此,這座橋的設計遵循了現有的方法,實現了100年的設計壽命,附加設計和維護條款將其延長到120年,例如采用了額外的混凝土保護層。

  文件規定了表面和可更換部件(包括斜拉索)的最低設計壽命。斜拉索在部分更換前預計可使用75年,防水可使用50年;毫不奇怪,用于監控系統的計算機的設計壽命要短得多,只有10年。麥考利說,重要的是要現實。她說,昂貴或很難更換的東西必須有很長的設計壽命。

  如果貨運或客運列車脫軌,橋梁還必須能夠承受大量斜拉索的斷裂。麥考利說:“我們不希望火車出軌時,結構受到損害。”這也意味著,如果有必要的話,斜拉索可以更換。

  Vejdirektoratet還對混凝土規范等方面非常感興趣。我們在道路上用除冰鹽,而Storstrm大橋位于海中,麥考利指出,這座橋必須能夠應對這些條件以及可能出現的惡劣天氣。工程特別規范載于一套約80份文件內,涵蓋斜拉索、支座、預制節段梁、結構健康監察系統及防水等方面的規定。

  設計壽命方法

  奧雅納公司的侯賽因說,使用“設計壽命”這一單一術語是用詞不當,因為橋梁不同部分的設計壽命會有所不同。他認為,接受這一點會導致人們重新思考橋梁的設計方式。顯然,有些部分是不能改變的,例如基礎,可能應考慮設計壽命長達幾百年,這需要探索。在設計懸索時,可以考慮最終會更換。這可能包括在拆除舊主纜之前,為安裝新主纜做準備,從一開始就建造可以容納兩倍數量主纜的錨固處,并調整主塔設計,讓新舊主纜可以同時臨時就位。另一方面,侯賽因認為,用了100到120年之后,在附近建一座新橋可能會更便宜。因為100年之后,復合材料的使用可能會很普遍,更堅固的鋼和混凝土的成本可能會降低。

  他說,歐洲人的橋梁設計壽命一般都在100年以上,而美國人的橋梁設計壽命一般只有75年。但這種情況正在改變。人們越來越認識到,橋梁不可能如此頻繁地更換。侯賽因說,美國開始采用歐洲的方法。

  延長塞繆爾·德·尚普蘭橋設計壽命

  加拿大的標準橋梁設計壽命為75年,但加拿大基礎設施選擇了更長的壽命來設計新尚普蘭大橋。新薩繆爾·德·尚普蘭大橋上所有不可更換的部件都需要125年的使用壽命。

  加拿大基礎設施的薩繆爾·德·尚普蘭大橋通道的總工程師蓋伊·梅奧特(Guy Mailhot)說:“總的來說,如果你要考慮耐久性,你必須從三個方面考慮:設計、施工、運營和維護。” 規定和基于性能的要求都包括在項目協議中,涉及到設計、施工和運營。

  Mailhot說:“我們和我們的工程師奧雅納一起研究了橋梁的各種構件的使用壽命要求,我們把它們分為不可更換構件和可更換構件。”無法更換的構件要求使用壽命為125年。這包括樁、墩、支座、橋臺和主跨塔,以及橋面板。

  Mailhot說,當你指定125年的壽命時,它會迫使你以不同的方式思考。該橋被視為生命線結構,因此其抗震性能是性能要求的重中之重。風工程也在設計中發揮了重要的作用,并規定了超重型卡車荷載。Mailhot說,從疲勞的角度來考慮,這將增加交通負荷或增加重型車輛的數量的定義。

  梅奧特說,現存尚普蘭大橋最大的問題之一是排水系統不完善,或者我有時喜歡說的,完全沒有排水系統。對于新橋,加拿大基礎設施要求采用組合加強手段,如橋面板防水膜和增強厚度的高性能瀝青鋪裝。我們還需要一個良好的橋面排水系統,我們不希望任何鹽水接觸到混凝土,他說。

  大量的凍融循環和蒙特利爾大量使用除冰鹽促使決定在橋面板采用不銹鋼鋼筋,以及其他重要部位也應用不銹鋼鋼筋。Mailhot說,據我們所知,這是北美不銹鋼加鋼筋用量最大的橋梁。我們認為,如果我們沒有硬性規定用不銹鋼筋,那么一些人就會試圖證明不需要它。我們不想冒任何風險。

  對所用的混凝土類型提出了嚴格的要求,以便有利于長期的耐久性。研究特殊配合比,例如抗冰蝕。此外,還要求私營伙伴制定一項持久性計劃,以證明每個構件可以滿足目標。我們還要求他們做每一個構件的腐蝕模型。Mailhot補充。

  可更換的部件包括支座、伸縮縫和欄桿,這些有30到50年的設計壽命。斜拉索具有65年以上的使用壽命。在特許期結束時,獨立的移交工程師將進行檢查,并對所有部件的剩余壽命進行評估。

  設計的一部分工作是確保可替換的構件確實可以替換。例如,在設計中已規定千斤頂可以頂升橋梁來更換支座。還有輔助檢查的系統。他說,它們是橋梁設計的一部分,因為如果有良好的檢查,就有更好的機會確保達到耐久性目標。

  采用優質材料

  使用更新或更先進的材料,如不銹鋼、GFRP或碳纖維,可能會產生建筑成本增加。但Pedelta首席執行長索布里諾(Juan Sobrino)說,從長遠來看,有大量研究證明使用這類材料是劃算的。長期以來,他一直對先進材料在橋梁上的應用感興趣,以提高耐久性、強度和外觀;Pedelta設計了一系列由不銹鋼、GFRP或兩者混合材料制成的橋梁。

  在加拿大,橋梁經常處于惡劣的環境中,并且暴露在除冰鹽中。這帶來了潛在的腐蝕,因此經常需要采取預防措施,如防水或在混凝土橋梁上增保護層)。Sobrino補充說,在某些情況下,在加拿大使用高級鋼筋是非常普遍的。通常,這涉及到不銹鋼或玻璃纖維的使用。

  優質鋼材也被用于鋼橋。Pedelta的第一座雙相不銹鋼橋是2004年為米諾卡島設計的——世界上第一座使用這種材料的橋。從那以后,該公司又設計了7座橋,其中包括位于加拿大多倫多的約克堡步行橋,目前已接近完工。這是北美第一座完全采用雙相不銹鋼的結構。該合同采用的是設計-建造合同,在此基礎上獲得了合同。承包商Dufferin和Pedelta作為其設計伙伴,提出了不銹鋼結構,并獲得了成功;它低于城市的預算,基于技術和經濟的考慮,授予了合同。提議使用優質材料的一個關鍵原因是,這座由兩部分組成的橋橫跨加拿大最繁忙的鐵路通道之一。Sobrino說,將來進行檢查和維護將是一個挑戰。因此我們提出采用不銹鋼,它提供更高的強度和耐久性。他說,該項目最低要求的設計壽命是75年,但不銹鋼的設計壽命要長得多。

  Sobrino說,從技術角度來看,這樣的項目可能具有挑戰性,因為缺乏控制使用這些新材料的規范。它涉及歐洲規范、加拿大橋梁規范和其他技術規范和指南的綜合使用。Sobrino說,客戶很樂意參與這類項目。創新和做一些不同的事情是我們人類的天性。然而,他強調了在解釋該提案將帶來的好處的同時,要說明任何挑戰的重要性,你需要誠實,他說。

  雖然使用不銹鋼來延長橋梁的使用壽命已被證實,但證明碳纖維或GFRP 等其他材料的優點可能更具挑戰性,因為該行業對這些材料的長期性能了解較少。這樣的橋梁相對來說比較新,雖然有些橋齡已經有幾十年了。

  在引入新材料時,讓承包商參與可能會很困難,而且可能取決于采購模式。如果承包商是在一個聯合體與特許權人,那么將有興趣確保低維護費用,因為它將帶來財政節約。但是對于傳統的交付方式,它掌握在業主手中,Sobrino說。如果業主想要延長橋梁的壽命,或者使用新材料,那么唯一的方法就是在招標過程中。他建議采用一種評分方法,鼓勵創新或使用減少維護的材料(加分),否則承包商不會采用新材料。

  避免采用活動連接與支座

  活動連接和支座被廣泛認為是未來潛在問題的來源,近年來有避免使用它們的趨勢,從而轉向了整體橋梁的建設。Schlaich Bergermann合伙人總經理Mike Schlaich認為,賦予一座橋梁長壽命,需要經驗,而不是簡單地遵循規范和清單。但是,應該遵循一些通用原則,以確保持久性、健壯性和易于維護。他說,首先,也是最重要的,就是選擇建造整體式橋梁。我相信,你采用越多的活動連接和支座,你就會有更多的麻煩。它們增加了維護的數量;每當一輛卡車經過一個伸縮縫,它會造成一個嚴重的動態沖擊,導致退化。他說,我認為最好的解決辦法是沒有活動連接和支座,不過他也承認,并不是在任何情況下都是可能的。

  由此產生的連續梁結構在地震等情況下也帶來了安全方面的冗余。Schlaich指出,當位移過大時,簡支梁會倒塌,但連續梁可能會抵抗這種現象。橋墩直接連接到橋面而沒有活動連接(鉸接)的橋梁也會將彎矩分配到橋墩上。如果所有的東西都連接起來,那么橋就會更細,因為力矩分布在各處。Schlaich說,建造整體式橋梁在壽命、環境和結構外觀方面帶來好處。他認為,甚至還有社會方面的因素。設計整體橋梁,創造高質量就業。這不是你在電腦上敲幾個數字就能做到的事情。你必須思考,所以你需要優秀的工程師。客戶受益于一個優雅的、持久的橋梁,但工程師必須進行非常困難的設計計算。他補充說,問題是,客戶通常只付給你相同的費用。

  對于公私合營項目或者建設-運營-移交項目而言,整體式無縫橋梁是一個更加簡單直接的選擇,因為承包商的管理養護期長達30年。

  Schlaich喜歡和承包商合作,尤其是那些對“建筑文化”感興趣的,這種合作方式可以把社會、環境、經濟、情感以及審美等方面結合在一起。為了證明這一觀點,他以比利時最近建造的一座公路橋為例,這座橋是由SBP設計,由比利時承包商JandeNul建造。作為2017年竣工完成的A11橋梁項目的組成部分之一,這座800米長的橋梁顯得非常細長,幾乎完全沒有接縫或支座。這樣看起來很簡單,而且節省了很多混凝土。他還提到:“在當前節能減排的時期,考慮到CO2的排放,這一點同樣顯得非常重要。”

  除了在SBP任職以外,Schlaich還是柏林理工大學的概念和結構設計教授。他認為:“在大學高校研究這一層次,我們現在研究碳纖維后張拉技術,而不是使用鋼纖維,因為碳纖維不會腐蝕,也不存在疲勞問題。” 此外,沒有腐蝕就意味著所需的混凝土保護層厚度更小,橋梁就顯得更為纖細、優雅。為此,柏林理工大學目前正在研究使用碳纖維的先張和后張混凝土橋梁,目前正在建造第一座試驗梁。

  其目的是設計綜合應用整體結構、碳纖維以及預制三種方法的橋梁,三種方法都有助于延長橋梁的使用壽命。在工廠限定條件下預制的構件可以提高橋梁的質量,但是也同樣會造成更多的接縫,在預期的壽命周期內存在風險。每當考慮到20世紀50、60以及70年代在德國公路上修建的成百上千座小橋時,Schlaich的腦海中都會浮現出這個難題。這些老化的橋梁現在許多都需要進行修理或更換,因為它們使用的后張拉預應力筋現在產生了腐蝕,造成了剝落。柏林理工大學的研究目標是使用約40米長的預制梁(最好是碳纖維預應力梁)建造新的橋梁,然后將其和橋臺澆筑連接,形成一個整體,這樣橋梁就不存在接縫,該校正在測試的梁正是為了應用于這種類型的橋梁。

  比利時A11橋梁項目中一座800m跨徑的橋梁非常纖細

  幾乎完全沒有接縫或者支座。

  比利時A11無縫橋梁

  延長橋梁使用壽命

  設計橋梁時,延長使用壽命的障礙之一就是很難量化整個使用壽命周期的成本。Vejdirektoratet擁有自己的用于生命周期成本預測的工具,但很難對承包商提出的部件或材料所要求的效益進行客觀評估,尤其是在只有文字說明而沒有技術數據或測試的的情況下。

  對拉索進行干燥除濕可以延長其使用壽命,其他延長其使用壽命的方法還包括減小應力幅,從而減少疲勞損傷。Arup的Naeem Hussain指出,鋼索技術一直都在進步,包括錨具的發展,使得其使用壽命更長,并且解決了疲勞問題。鋼索也可以安裝防護裝置,無論是環境造成的損傷還是蓄意或者意外造成損壞都可以防護。他還提到,Arup目前的項目包括文萊的Temburong大橋(全長30公里,今年啟用通車),這是世界上第一座為其拉索提供防火保護的大橋。

  試驗輔助設計

  Atkins的Chris Hendy提到:“技術存在的一個問題就是無論是數據形式還是材料形式,技術都發展得如此之快,以至于將技術應用于實踐的方法或準則無法跟上其腳步。”行業可能需要更多地轉向基于性能的方法,更多的設計通過測試予以輔助。

  他認為,纖維增強混凝土將變得越來越重要,尤其是如果可以用聚丙烯纖維代替鋼來消除腐蝕風險。特別是在馬來西亞已經有這樣的案例,Dura的執行董事兼首席執行官VooYen Lei博士用這種方法建成了橋的主梁。他說,這種方法在很大程度上減少了鋼筋的使用,但仍然存在一些難題,例如,材料的疲勞性能尚未完全了解。但是,如果在安裝使用之前進行加速疲勞試驗,它就可以應用于工程項目。Hendy的觀點是:“我不認為我們通過測試做了足夠的設計——在采購過程中我們不會總是有足夠的時間。這也取決于客戶對這一理念的接受程度,盡管這一原則得以在歐洲規范中體現,只要它得到理論模型的支持。”

  新技術能夠延長結構的壽命,但是可能也會帶來自身的局限性,如果要取得潛在的收益,那么就需要解決這些局限性。例如,碳纖維的脆性是一個已知的缺陷,只能通過進行廣泛的測試、開發原型,然后最終形成更大的研究項目來克服這一缺陷。十幾年前,Schlaich和他的博士生在柏林理工大學設計了第一座碳纖維應力帶狀橋。SBP目前正在使用碳纖維吊具建造一座網狀拱橋;測試已經開展,Stuttgart的輕軌交通橋也已經投標。

  評估創新

  制造商可能會要求一種產品的使用壽命為50年,但如何證明這一點是另一回事。Mackenzie提出,測試可以起到幫助,但是加速測試很困難,并且得到的結果和長期的性能有所不同。但是,許多新產品引入了針對特定問題的增量更新。評估它們可能涉及到查看新版本與現有版本的區別,以及新產品的開發是否解決了之前的問題。他認為,即使這種有益的影響無法量化,但很明顯這是應對特定問題的正確方式。

  McDonald在受委托進行一座新橋時,對新技術持“適當的懷疑態度”,因為創新有時達不到他們的預期。許多產品來到市場時,都會聲明它們能做什么,以及誰已經使用過它們,但她已經學會了質疑這些說法。打電話給另一位業主,得到了確認,某一特定產品確實被用于一座英國結構,但這是一場徹底的災難。

  McDonald認為:“用創新的產品和技術從谷殼中篩選小麥是很費時的,一個完美的解決方案可能會被忽視,因此分享信息很重要。”她發現,橋梁這一集體擅長通過諸如英國的“BridgesBoard”、“BridgeOwners'Forum”以及蘇格蘭的“Scots Bridges Group”等論壇互相分享信息。“蘇格蘭交通”和“英國國營鐵路公司”之間的聯絡工具則是另一個論壇。

  Mac Aulay提出:“新技術和新產品不應阻礙進步,但它們不應該飛速的發展而不遭到任何質疑。”她還提到:“例如,我們的伸縮縫至少需要五年的使用參照數據。”Storstrm 大橋要運行鐵路,因此從橋的一端到另一端只應有四個伸縮縫,這一點已經決定了。“其中一個承包商提出了只有兩個伸縮縫的想法,”她這樣說到,“我們決定和這四家公司合作,因為對于這種尺寸的伸縮縫,他們有著經得起檢驗的使用歷史。”

  文萊Temburong大橋

  世界上第一座對斜拉索進行防火保護的大橋

  Temburong跨海大橋

  WSP的Denton指出,在考慮使用新技術時,可能會出現“Catch-22”現象(意為本身就有問題、不符合邏輯而難以實現的規則或者進退兩難的境地);一些新技術不可避免地缺乏長期的性能數據。“然而,如果我們不前進,那么我們就只能堅持我們一直在做的事情,這也不是正確的解決方法。” 他這樣說道,“對我來說,真正重要的是試用和監控事物的方法。”如果證明部件的耐久性不能達到我們希望或預期的程度,那么設計過程中可以通過給部件可以更換這樣的措施來減輕這些風險。

  Schlaich Bergermann合作人目前正在研究一種碳纖維網狀拱橋

  歐洲規范的發展

  2019年6月,Steve Denton開始了前所未有的第三個三年任期,擔任CEN TC250的主席,負責歐洲結構和巖土工程工程師的歐洲規范。他說:“我們目前正致力于開發第二代歐洲規范。”數千名歐洲專家參與了該項目。第一批新文件有望在未來兩年內通過國際調查和正式表決。

  他還提到,一些重點領域與結構壽命尤其相關。其中之一就是正在進行的關于如何實現在當前設計的結構中處理未來氣候變化的影響的研究。

  應對極端事件的設計很復雜,例如,有些地方冰雪引起的荷載預計會上升,而另一些地方可能會下降。他說:“與此同時,我們絕對致力于在下一代歐洲規范關于環境作用的條文中提供一些處理或解釋氣候變化的方法。”

  面向未來的設計

  對每一個可能發生的事情都要做面向未來的預測是困難的,“我們真的不知道事情未來會發生多大的改變,”蘇格蘭交通部的Hazel McDonald說,“但是我們所設計的結構的重現期要長得多,特別是流量和洪水。我們現在對洪水和沖刷風險有了更深的了解,因此我們設計了200年一遇的更高流量,另外還有20%用于氣候變化。”

  這一點在蘇格蘭A830和A835橋的替換中很明顯。她說:“現有橋梁的設計是在洪水和設計流量不太清楚的時候進行的,因此橋梁的跨徑要小得多,這會阻礙水流,并導致它們成為碎片收集區,需要定期清理。”

  “當你設計一座基準期是100年的橋梁時,你不能盲目地跟著規范走,”Arup的Hussain說,“如果沒有國家的相應預測,就有必要回到基礎上來。” Arup現在在菲律賓有個項目,這個項目正在進行可行性研究,研究可以使得政府做出這個決定——用橋梁連接各島嶼是有潛力的。

  這可能涉及約2500m跨紀錄跨徑,Arup最近正在對荷載進行全面評估,這些荷載考慮到當地的發展計劃和交通量的調查。與此同時,臺風越來越強烈,海嘯越來越多。Hussain說:“我們現在需要關注的除了活載外還有環境帶來的荷載,在菲律賓,環境是都是極端的,比如臺風、地震、海嘯等等,并且他們還越來越嚴重”。

  Denton說:“我們在全球范圍內開展的一項重要工作是,努力讓我們所有的項目都有一個思路,即質疑我們正在設計的是不是‘面向未來的’。”這涉及到環境、社會和技術問題的未來趨勢的探索。“我們現在在所有新項目上要做的是花一些時間來考慮這些趨勢的潛在影響。”這可能就包括質疑這個項目是否必要,以及人口變化、氣候變化這些因素對橋梁的風載、雪荷載及溫度作用的潛在影響。

  適應性設計

  Cowi的Mackenzie觀察到,當一座橋梁“在交通的重壓下呻吟”時,一個常見的抱怨就是為什么在建造時沒有考慮到交通量的增長。通常的答案是錢不夠。另一個挑戰是,結構的作用可能會發生變化,荷載、環境限制和法率也可能發生變化;現在可接受的事情在未來可能就不接受了。

  但有時會在適當的時候升級。澳大利亞維多利亞州EJ Whitten大橋最近完成的加寬工程得益于最初設計時的規定。

  這座橋于1995年作為墨爾本M80環路的一部分開通,作為雙幅高架橋建造。客戶VICROADS始終知道,在某些階段交通量會增長,因此采取了不同尋常的步驟,確保原始設計便于橋梁加寬的設計,即通過預留空間(在兩個梁之間預留第三個混凝土箱梁的空間),基礎和橋墩設計成有助于在墩頂之間增加蓋梁,蓋梁用于支撐加寬的第三個箱梁。

  然而,自從這座橋建成以來,標準已經發生了變化。很明顯,混凝土箱梁很難用頂推施工到兩個已有車道之間,而且它也很重,特別是隨著交通量和地震需求的增加。Cowi設計了一種可行方案。MacKenzie說:“鋼混組合箱梁可以減輕重量,并且可以在原橋面板邊緣安裝龍門吊。”新的設計得益于原設計人員的遠見,例如為框架橫梁后張法施工提供足夠的管道,并預留下橋面板搭接鋼筋,使新橋面板能與原橋面板成為一體。他說:“這是一個優秀的客戶長期思考的例子。”

  在美國的一座新橋上也有類似的規定。“紐約州的Governor Mario M Cuomo大橋的設計包括一個未來的鐵路橋面板,它將被組合到現有的兩個橋面板之間,” MacKenzie說。“這是由積極主動的橋梁業主推動的未來發展的前瞻性規劃的又一個例子。”

  澳大利亞維多利亞州EJ Whitten大橋拓寬項目

  得益于最初設計時的要求(COWI)

  結構健康監測

  使用塑性方法、屈服線分析或拉壓桿方法等方法對橋梁進行設計表明,橋梁具有一定的強度儲備,但是強度儲備在常規方法分析中并不明顯。Denton說:“我們的橋梁的實際性能往往比我們建模所能預測性能的要好。”“我們傾向于謹慎假設,而事實上,我們的結構中隱藏著性能和強度的儲備。因此,另一種概念性設計方法是思考我們如何理解真實的力學行為。”

  這就是結構健康監測可以發揮作用的地方。更好地理解這種行為可能意味著對其需求的改變——例如,重型車——可能不需要任何升級。Denton說:“這有可能使我們能夠推遲或完全避免干預。”

  對SHMS的前期投資通常重要,因此也越來越需要證明客戶將在短期內獲得回報。最明顯的方式是以更好的橋梁運行和更好的維護的形式,但它也可以涉及設計的改進和橋梁的評估。

  Ramboll的高級專家Torben Bangsgaard說,從歷史上看——比如說,早在羅馬時代——人們就從一座坍塌的橋梁中學到了經驗,并優化下一座橋。然而,50年或100年的設計壽命使得學習周期非常緩慢——我們不再接受那些作為循環一部分而坍塌的橋梁。他建議,設計師需要能夠在不超過20年左右的短得多的時間內汲取知識。而SHMS可以以橋梁在活荷載下產生的數據為基礎,使工程師重新評估橋梁在整個生命期內的狀態。

  Bangsgaard說:“如果你要有一個智能的、長壽命的設計,你必須要進行SHMS,因為SHMS可以生成數據,隨著時間的推移可以用來重新評估橋梁。”對于大型橋梁,規定SHMS所需要的招標文件可能長達數百頁,并需要安裝1000個或更多傳感器。他說:“這張圖完整地顯示了這座橋所承受的荷載。”他說,對這些數據的研究肯定會導致新的分析模型的開發,這些模型將為設計過程提供信息,有助于實現未來橋梁的長壽命。

  SHMS的信息也可以用來支持這樣的論點——在滿足設計壽命的同時,可以建造更便宜的結構——也許是更纖細的設計。例如,從其他橋梁獲得的數據可以用來證明,混凝土的耐久性比預期的要長,疲勞和開裂也不太可能是一個問題。

  Bangsgaard說:“如果我們能夠證明這一點并在設計中加以考慮,那么SHMS在降低橋梁成本方面就變得很有價值。”他補充說,能源部門已經開始利用過去通過SHMS收集的數據,這種方法也開始滲透到橋梁領域。

  長壽還可能得益于通過“數字孿生”產生的數據和理解。“數字孿生”是一個總括性術語,涵蓋了在信息化平臺運行計算機模型的情況。Bangsgaard說,來自SHMS的數據將導致建立先進的數字孿生。Ramboll正率先為福斯三橋開發先進的數字孿生。

  數字孿生也允許使用橋梁設計時使用的底層計算機模型。Bangsgaard說:“我們可以引入測量數據,例如不同位置的應力和應變,并查看其他位置的應力情況。”“我們還可以校準各種數字孿生和融合數據。本質上,我們正在進行模型修正以匹配現實中的結構。然后我們得到更好的預測。在Ramboll,這些被稱為“真正的數字孿生”。

  小型橋梁也采用了SHMS,盡管對于小型結構,它可能集中在特定區域。“在某個時候,我們將開始監測一些有代表性的橋梁,以便從中吸取教訓,并指導我們如何設計和運營類似的橋梁,”Bangsgaard說。一個國家可能一年建造兩座大橋,其余的由更小的橋梁組成,小橋們的總價可能比大橋的總價大十倍。

  并非所有的監控都涉及到在結構上附加一些東西。Atkins的Hendy說:“我們最近取得了巨大成功的一件事是有關于數字圖像的,即利用照片完全遠程測量應變和位移。”數字圖像利用模式識別技術、攝像機和圖像相關算法從不同圖像之間識別出的微小變化中確定信息。Hendy說:“我們在近一公里上用它測量了Humber大橋的撓度,精度為毫米。”

  Atkins在包括Humber橋在內的結構上使用數字圖像相關技術

  對數百米外的位移進行精確測量



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