橋梁設(shè)計的耐久性問題探討

郝曉光

摘?要強(qiáng)度在當(dāng)代設(shè)計中受到重視，考慮得較多，而耐久性卻常常被忽視，考慮得較少。耐久性需要得到我們關(guān)注的原因是在設(shè)計中它僅僅被當(dāng)成了一種概念，既沒有對耐久性進(jìn)行特意地設(shè)計也沒有明確提出對其使用的年限要求。本文就橋梁設(shè)計的耐久性問題進(jìn)行探討研究，以期讓橋梁設(shè)計更加完善。

關(guān)鍵詞耐久性；橋梁；設(shè)計

中圖分類號TU文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1673-9671-(2011)071-0117-01

目前，在橋梁的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計沒有得都足夠的重視和落實(shí)，僅僅被當(dāng)成一個概念高高掛起。這種傾向在一定程度上是造成當(dāng)前結(jié)構(gòu)使用性能差、工程事故頻發(fā)、使用的年限短等不良結(jié)果產(chǎn)生的原因，這也恰恰與越來越受到國際結(jié)構(gòu)工程界所重視的適用性、安全性、耐久性的趨勢背道而馳，與結(jié)構(gòu)動態(tài)和綜合經(jīng)濟(jì)性的要求不相符。

1耐久性的基本內(nèi)涵

耐久性的解釋大體有兩種，一個是實(shí)際耐久性，二個是理論耐久性。結(jié)構(gòu)對氣候?qū)ψ饔?、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何破壞過程的抵抗能力被稱作實(shí)際耐久性；但在《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》中對耐久性作出這樣的解釋，“結(jié)構(gòu)在預(yù)期作用和預(yù)定的維護(hù)條件，能在規(guī)定期限內(nèi)維持其設(shè)計性能要求的能力”被稱作理論耐久性。通常來說，在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)性和使用功能等要求的正常設(shè)計、嚴(yán)格地依照規(guī)范和設(shè)計進(jìn)行的正常施工、規(guī)定荷載等正常使用以及不使用化冰鹽的正常養(yǎng)護(hù)條件下，橋梁的理論耐久性具有充足的保障。但橋梁畢竟是暴露在野外環(huán)境中，受到各種多變的外界環(huán)境沖擊，包括水侵腐蝕、凍融破壞、正常和非正常荷載的作用，再加之設(shè)計和施工的不當(dāng)，其生存時間很難與我們預(yù)想的設(shè)計壽命化等號，所以，理論耐久性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際耐久性的。

2橋梁設(shè)計耐久性差的原因分析

2.1設(shè)計理論與結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不完善

在橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案是首要的一項任務(wù)，然后才是分析和連接結(jié)構(gòu)以及設(shè)計構(gòu)件，并依靠規(guī)范規(guī)定的可靠性指標(biāo)或安全系數(shù)使結(jié)構(gòu)的安全性得以保證。然而諸多的設(shè)計人員卻忽視從結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)耐久性、結(jié)構(gòu)維護(hù)以及頻繁出現(xiàn)于設(shè)計、施工到使用全過程中的人為錯誤等方面對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行加強(qiáng)和保證，只是片面的迎合于規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算上的安全度。致使有的鋼筋的直徑過細(xì)、混凝土的強(qiáng)度等級過低、構(gòu)件的截面過薄以及保護(hù)層的厚度過小；有的受力路線和寸算圖式不明確，導(dǎo)致整體受力不均，局部受力過大；有的整體性和結(jié)構(gòu)延性不足，冗余性??；這些都將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性的極大削弱，嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2環(huán)境對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響

橋梁的施工和使用環(huán)境與設(shè)計環(huán)境總是存在或多或少的差別，所以環(huán)境影響是非常重要的。在抗拉強(qiáng)度上，混凝土的抗拉強(qiáng)度大約只占10%。這使得混凝土結(jié)構(gòu)很容易在早期強(qiáng)烈的干縮應(yīng)變反應(yīng)、水化熱加上沖擊荷載、日曬雨淋、環(huán)境濕度和溫度的影響下產(chǎn)生裂縫。發(fā)生開裂之后，鋼筋表面的鈍化膜會因氯離子和水分子的入侵遭到破壞，鋼筋被腐蝕，鋼筋表面與混泥土之間的化學(xué)膠結(jié)力被嚴(yán)重破壞，直接導(dǎo)致鋼筋與混凝土無法很好地完成協(xié)同工作。使混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度逐漸被削弱，結(jié)構(gòu)的耐久性也因此遭受嚴(yán)重的破壞。

3橋梁設(shè)計耐久性差的對策分析

3.1重視橋梁的超載問題

主要存在以下三種橋梁超載的情況：一是橋梁修建時期早，超齡負(fù)重運(yùn)營；二是橋梁上原設(shè)計的車流量不能滿足實(shí)際要求；三是車輛違規(guī)超載。前兩者產(chǎn)生的主要原因是交通量的增加和設(shè)計荷載的變化；后者是由于我國的運(yùn)輸中車輛超載現(xiàn)象非常普遍，大多數(shù)車輛使用者違法超載營運(yùn)造成的。橋梁的超載一方面會導(dǎo)致疲勞問題出現(xiàn)。超載會讓橋梁的疲勞應(yīng)力幅度增高，加劇損傷程度，還會導(dǎo)致一些超載引起的結(jié)構(gòu)破壞事故出現(xiàn)。另外，超載對橋梁內(nèi)部造成了無法修復(fù)的損壞，使橋梁發(fā)生在正常荷載下工作狀態(tài)的變化，橋梁的安全性、耐久性可能會受到危害。橋梁急需解決安全性與耐久性不足的問題，要積極借鑒國外成功的經(jīng)驗(yàn)和做法，不僅要加強(qiáng)施工質(zhì)量的監(jiān)管力度，還要從橋梁構(gòu)造角度與結(jié)構(gòu)體系以及設(shè)計理念出發(fā)做好耐久性的設(shè)計。同時也需要在影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的疲勞和超載上面進(jìn)行研究。

3.2重視結(jié)構(gòu)的耐久性

在橋梁過程的建造和使用中，受到有關(guān)環(huán)境與有害化學(xué)物質(zhì)侵蝕是肯定的，還要對車輛、地震、超載、疲勞、風(fēng)、人為因素等等的外來作用有一定的承受力，同時構(gòu)成橋梁的材料性能也會不斷的減退，從而使得各部分結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的劣化甚至損傷。自1980年以來，國內(nèi)在大跨橋梁領(lǐng)域中大量修建斜拉橋；至今為止，雖然嚴(yán)重倒塌或損害的例子很少出現(xiàn)，但多座橋梁已不得不提前換索以解決拉索的耐久性問題，造成經(jīng)濟(jì)損失和使用受到影響。值得注意的是，導(dǎo)致這類問題出現(xiàn)原因很多都與耐久性沒有進(jìn)行合理的設(shè)計有關(guān)，這也迫使我們不得不重新審視橋梁的耐久性問題。

3.3重視研究疲勞損傷

風(fēng)荷載和車輛荷載都是橋梁結(jié)構(gòu)所承受的動荷載，在結(jié)構(gòu)內(nèi)會產(chǎn)生的應(yīng)力是循環(huán)變化，會造成結(jié)構(gòu)振動和累積疲勞損傷。由于橋梁采用的并非是連續(xù)和均勻的材料，存在著很多細(xì)微的缺陷，在荷載的循環(huán)作用之下，會使這些微缺陷慢慢的合并、發(fā)展造成損傷，還會逐漸使材料中宏觀裂紋。如果不有效地控制宏觀裂紋，極可能會對結(jié)構(gòu)和材料造成脆性斷裂。但是我們又很難檢測出早期的疲勞損傷，很可能帶來災(zāi)難性的嚴(yán)重后果。

疲勞損傷在過去一直被看做鋼橋設(shè)計中最關(guān)鍵的問題，其在較多鋼材開裂案例中都有所體現(xiàn)，而許多引起橋梁垮塌的例子原因也是疲勞斷裂。近些年來，雖然疲勞損傷研究已進(jìn)入了混凝土結(jié)構(gòu)，但對使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動態(tài)性能和疲勞性能仍然要做更深入細(xì)致的研究。在疲勞損傷的研究中，不僅是指整個結(jié)構(gòu)，實(shí)際上經(jīng)常因?yàn)槟承╆P(guān)鍵部分的局部疲勞的失效，導(dǎo)致整個橋梁結(jié)構(gòu)失效，如在斜拉橋拉索錨固端出現(xiàn)的疲勞損害。

4總結(jié)

在橋梁的整個設(shè)計、施工、維修保養(yǎng)的過程耐久性的問題應(yīng)該得到全面貫穿，一座橋梁必須先天建造優(yōu)質(zhì)，后天維護(hù)得當(dāng)，僅僅片面地靠后天維修養(yǎng)護(hù)或是先天優(yōu)質(zhì)建造來延長其壽命，都是不可能做到的。目前，大規(guī)模的新橋正處于建設(shè)之中，應(yīng)該把如何將結(jié)構(gòu)耐久性更多地在設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)中得到考慮當(dāng)做重中之重。

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