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第二章
桥梁设计和评估的要求
2.1 一般要求 15
2.2 极限条件 16
2.3 施工性 20
2.4 安全 21
2.5 操作性能 31
2.6 探伤 41
2.7 经济 41
2.8 美学 42
2.9 摘要 44
参考 45
问题 45
2.1 一般要求
AASHTO规范要求公路桥梁的设计具有可施工性，安全性和可维护性，同时适当考虑可检查性，经济性和美观性。本章重点介绍了这些要求。
国家桥梁检验标准（NBIS）确立了国家桥梁检测要求。因此，AASHTO手册规定了满足这些要求的检验程序和评估实践。虽然在桥梁评估中通常不会改变可施工性，可检查性和美观性，但安全性，适用性和经济性的目标仍然与桥梁评估实践相关。
2.2 极限条件
在AASHTO规范中，上述一般要求的许多方面以极限状态的形式得到解决。例如，通过确保不超过横截面容量限制，防止折叠机构限制状态等来满足安全要求。限制状态的概念集中在本节中，以下部分将讨论每个一般要求。考虑到本节中提出的极限状态概念，希望更容易理解一般要求。
AASHTO规范中规定的极限状态旨在提供可构建且可维修的桥梁，能够在75年的指定寿命内安全地承载设计载荷。但是，应该指出的是，有些要求更难以量化并因此制定。一个例子是美学要求。因此，AASHTO设计规范只能为这些要求提供描述性指导。
在AASHTO规范中，规定了四组极限状态用于桥元件的设计：服务，疲劳和断裂，强度和极端事件极限状态。
服务限制状态被视为在常规使用条件下对应力，变形和裂缝宽度的限制。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，尽管存在设计负载被视为不表示例行服务条件的例外情况。这组极限状态还提供了某些经验相关的要求，这些要求并不总是仅仅从强度或统计考虑中得出。有关此负载限制状态的更多详细信息，请参见第3章，设计应用示例将在以下章节中介绍特定的桥接组件。
疲劳和断裂极限状态表示由设计卡车引起的应力范围的限制，该疲劳和/或断裂失效被视为桥梁部件中的材料开裂。该规范中的这种极限状态是为了限制在重复载荷下发生裂缝的可能性和/或限制在这种载荷下的裂纹扩展，以防止在桥的设计寿命期间破裂。有关这种失效机理的更多细节将在第3章中讨论，钢桥组件的设计应用示例将在第4章中介绍桥梁上部结构设计。
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，因为它是我们教育课程中讨论的最基础和第一个。它对我们来说也可能是最直观的。AASHTO规范中的这种强度极限状态用于确保提供强度和稳定性，以抵抗桥接组件或系统在设计寿命期间所经历的特定负载组合。注意关注的强度和稳定性可能是本地或全球。例如，梁的设计通常需要确保不仅不会发生全局屈曲（例如横向扭转屈曲），而且还会发生局部屈曲（例如涉及法兰或横截面腹板的局部屈曲）。指定的安全裕度反映在负载和阻力系数中。有关此极限状态的更多详细信息，请参阅第3章，设计应用程序将在以下章节中介绍。
极端事件限制状态指的是AASHTO规范中关于桥梁部件或系统在罕见事件期间的结构生存的要求。这样的事件可能是地震，特大洪水，船舶碰撞，卡车碰撞，冰流或冲刷条件。
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：
1.3.2.1
其中：
Qn=总设计负荷效应（标称值）
Qi=负载效应将在第3章中讨论，例如由于自重、卡车、风等引起的
gamma;i=相应Qi的负载系数，将在第3章中定义
eta;i=与负荷相关的负荷修正：与冗余有关的eta;d，与冗余有关的eta;r和与操作分类有关的eta;i
允许AASHTO设计规范中的负载系数gamma; i根据情况而变化，以确保安全。例如，如果自重作为产生应力的载荷与其他载荷应力叠加，则自重载荷因子更大。然而，自重载荷因子较小的是自重作为强度或阻力。这种情况的一个例子是对桥墩的稳定性检查。这些不同的治疗方法是在这些不同情况下估算自重的不确定因素。
对于最大值gamma; i合适的负载，
1.3.2.1
并且对于最小值gamma; i适当的负载，
1.3.2.1
eta;d，eta;r和eta;i的值在AASHTO规范中给出，如表2.2-1至2.2-3所示。
总的来说，强调通过冗余和延展性增强安全性的概念。冗余的示例包括使用多个。
表2.2-1
与延性有关的载荷修正，eta;d
对于强度限制状态：
ge;1.05 适用于非延性元件和连接
1.00 适用于符合这些规格的传统设计和细节
ge;0.95 适用于附加的组件和连接，除此之外，还规定了延展性增强措施
对于所有其他限制状态：1.00
表2.2-2
与冗余有关的负载修正，eta;r
对于强度限制状态：
ge;1.05 对于非冗余成员
1.00 对于传统的冗余级别，基础元素为phi;已经按照规定考虑了冗余
ge;0.95 超出梁连续性和a的超出冗余水平扭转闭合截面
所有其他极限状态：1.00
表2.2-3
与操作分类有关的载荷修正，eta;i
对于强度限制状态：
ge;1.05 对于关键或必要的桥梁
1.00 对于典型的桥梁
ge;0.95 对于相对不太重要的桥梁
所有其他极限状态：1.00
横截面上有三根平行梁，墩中有多列或弯曲，桩上有墩帽，以保证桩群效应，等等。延展性是指结构系统或部件在没有系统故障的情况下维持所用材料的首次失效的能力。例如，钢筋混凝土柱应设计成能够防止主要垂直钢筋在地震事件中压碎混凝土后通过设计限制来保持破碎的混凝土到位以支撑钢筋。此外，混凝土和钢相互作用的复合梁截面应设计成具有钢的屈服作为最终极限状态而不是混凝土破碎以获得更具延展性的行为。
2.2.2 强度极限状态
强度极限状态是指桥梁部件，桥梁子系统或桥梁系统的强度和稳定性的极限。例如，桥梁轴承应设计成能够承受从其支撑的构件传递的载荷组合的极限强度。具有多个构件的桥桁架系统需要设计成具有足够的强度以用于指定的负载组合。
强度限制状态可以指本地或全局行为。前者的一个例子是由钢I梁中的腹板稳定性控制的剪切能力。另一方面，梁的横向扭转屈曲被视为全局稳定性极限状态的示例。AASHTO设计和评估规范中规定的相应载荷是桥梁预期在其设计寿命中经历的统计上显着的载荷组合。第3章给出了负载的更多细节和定量组合。
2.2.3极限状态的极限事件
该极限状态与那些很少或相对不频繁发生的负荷有关，例如由地震，大洪水，卡车，船只碰撞或冰流引起的那些负荷。极端事件极限状态应设计用于确保在这种事件期间桥梁的结构存活或它们的组合。虽然存活可以定义在不同的水平，例如严重损坏，轻微损坏或有限的非弹性行为，但是这种限制状态可以根据其在系统中的功能在不同构件的设计中不同地应用。例如，上部结构和基台之间的连接需要比具有多个柱的弯头更保守地设计为相对冗余的子结构系统。这是因为上部结构 - 子结构连接故障可能导致上部结构下降，使得整个道路不连续以进行维修，而多列弯曲中的一个柱的故障不会导致系统故障和道路关闭。有关此限制状态及其应用的更多详细信息，请参见第3章和后续章节。
2.2.4 服务极限状态
服务极限状态在AASHTO规范中给出，作为在常规使用条件下对应力，变形和裂缝宽度的限制。它还提供了某些与经验相关的规定，这些规定并不总是仅仅来自力量或统计考虑因素。例如，除了强度极限状态之外，混凝土梁中的钢筋间距被控制为服务极限状态要求。第3章和其他章节中的示例应用程序将详细介绍此限制状态的概念和具体应用。
2.2.5疲劳断裂极限状态
疲劳是指由于在材料的静态强度之下或之下重复施加应力而导致材料开裂的外观。断裂是由疲劳引起的裂缝尺寸的突然增加。根据此类故障的位置和桥接系统的冗余，疲劳和断裂失效可能是也可能不是系统故障或崩溃的原因。可能导致系统故障或坍塌的桥梁构件在美国桥梁工程实践中被称为断裂关键构件。
取决于用于制造材料的工艺和程序，在微观尺度上存在材料不连续性可能非常难以消除。然而，有些人可能比其他人更容易诱发不连续性。例如，钢的连续热轧过程产生比焊接相对更均匀的材料，作为局部处理和熔化不同钢材料的过程。结果，焊接更可能引入由于基底金属和焊接材料（电极）的不充分熔合而导致的不连续性。因此，焊接细节经常出现疲劳和断裂失效。
因此，需要将AASHTO规范中的疲劳极限状态视为对应力范围的限制。施加的载荷在规范中被指定为单个设计卡车，其具有预期的应力范围循环的数量，其基于对这种卡车可能跨越桥梁的75年寿命期间的多少次的估计。根据焊接细节的类型（例如，如何完成，例如在现场或在车间中）和卡车负载重复应用的数量，AASHTO规范中给出的允许应力范围是不同的。断裂极限状态被视为AASHTO材料规范的一组材料韧性要求。
典型的易疲劳桥梁部件细节是所谓的盖板焊接，将其连接到钢制工字梁底部法兰以增加力矩容量。这种焊接受到显着的弯曲应力。如果焊接也经受大体积卡车施加的大量应力循环，则已经多次观察到疲劳开裂。尽管由于这种观察以及随后对现象和失效机理的研究，在新的桥梁设计中已经显着减少或消除了这种盖板焊接，但是许多现有的桥梁仍然具有这样的细节并且需要重复评估它们以估计桥梁的剩下的生命。
2.3 施工性
可构造性是指成功完成正在设计的桥梁的构造的能力。这个问题特别重要，因为这是桥梁通过进入运营阶段开始其设计生命的先决条件。因此，在其他一般设计问题之前讨论它。虽然它很重要，但由于存在各种施工技术和施工程序，因此不能在规范中详尽地涵盖。一般来说，下一个讨论的强度极限状态安全性部分适用于可施工性检查，但是，根据情况，负荷系数降低到接近服务极限状态水平。
AASHTO规范中明确提到的可施工性问题包括但不限于挠曲，钢和混凝土的强度，以及在关键施工阶段的稳定性。例如，如果设计者要求钢梁与混凝土桥面复合地支撑静载荷（混凝土的自重）和活载荷（卡车载荷），则需要为施工规定此要求。
施工期间应用于桥梁部件的载荷可能与使用期间的载荷不同。有时，施工压力可能大于正常使用条件下的施工压力。桥梁的设计应使得制造和安装可以在没有过度困难或遇险的情况下进行，并且在可容许的范围内具有锁定的施工力效应。当设计者采用特定的构造顺序时，需要在合同文档中定义该顺序，例如计划。如果选择用于建造桥梁结构的方法在安装期间需要某些加强和/或临时支撑或支撑，则还需要在包括计划在内的合同文件中指出该要求。
规范还确定了需要在设计中解决的其他几个问题。它们包括但不限于避免需要在限制区域进行焊接的细节以及通过拥挤的加固来放置混凝土。还应充分考虑可能影响桥梁结构的气候和水力条件。
2.4安全
传统的结构设计和评估实践使用允许应力设计（ASD）方法和/或负载系数设计（LFD）方法。如名称所示，负载和阻力系数设计（LRFD）以及负载和阻力系数额定值（LRFR）的方法具有分别对负载和电阻使用不同因素的格式。LRFD和LRFR方法允许单独处理每个负载或阻力。因此，它具有更高的灵活性和更高的保真度，可以处理不同程度的不确定性。这种设计检查形式可以涵盖设计或评估的各种极限状态，例如弯曲和剪切破坏，过度偏转，开裂潜力，地震荷载和风荷载。
更重要的是，AASHTO LRFD和LRFR规范已针对所涉及的故障风险进行了校准。该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。但是，这个程序不会消除失败的可能性，因为所涉及的载荷和阻力随机变化，有时非常显着。
此类变量的示例包括严重的地震荷载，75年寿命期间的最大卡车载荷以及桥梁寿命期间的最大洪水负荷。显然，不
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资料编号：[1505]
