研究橋梁設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性問(wèn)題

高紅霞

(貴州智恒工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550004)

1 橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)存問(wèn)題

現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范針對(duì)橋梁工程設(shè)計(jì)有以下基本要求：經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性、安全性和美觀性，以上要求幾乎涵蓋人們關(guān)心的和橋梁有關(guān)的所有問(wèn)題。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，需要按照承載力與正常使用實(shí)施，其中，前者是指對(duì)結(jié)構(gòu)即將失去服務(wù)能力時(shí)對(duì)應(yīng)的承載力進(jìn)行控制，其設(shè)計(jì)原則為荷載效應(yīng)達(dá)到不利組合條件下的設(shè)計(jì)值不能超過(guò)結(jié)構(gòu)自身抗力。通過(guò)對(duì)荷載安全系數(shù)的合理應(yīng)用，充分考慮各類不確定因素持續(xù)作用下的橋梁整體結(jié)構(gòu)安全性儲(chǔ)備。以上設(shè)計(jì)方法即為極限狀態(tài)法，能保證安全性；而后者是指對(duì)結(jié)構(gòu)處于正常使用狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力進(jìn)行控制，要求裂縫與變形都不能超過(guò)限值，屬于適應(yīng)性方面的要求。

先不考慮以上理論能否做到安全合理，以上理論都能從定性與定量?jī)蓚€(gè)方面保證橋梁設(shè)計(jì)安全性及適用性。然而，對(duì)經(jīng)濟(jì)性與美觀性而言，無(wú)明確指標(biāo)來(lái)衡量。雖然在橋梁的方案設(shè)計(jì)與綜合評(píng)審過(guò)程中會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)性與美觀性方面的要求進(jìn)行考慮，但這一階段針對(duì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的評(píng)估通常僅重視建設(shè)成本，在后期養(yǎng)護(hù)與維修方面缺乏長(zhǎng)期考慮?；诖?，這項(xiàng)評(píng)估較為片面，其中最典型的問(wèn)題就是斜拉橋拉索更換。因受到技術(shù)的影響和限制，拉索壽命不超過(guò)30年，而橋梁設(shè)計(jì)壽命可以達(dá)到100年，所以在橋梁整個(gè)服役過(guò)程中需要更換至少3次拉索，每次都要進(jìn)行機(jī)械穿索，由此增加的投入是很大的。

目前，在橋梁設(shè)計(jì)工作中，有如下傾向：注重強(qiáng)度、忽視耐久性；注重強(qiáng)度極限狀態(tài)、忽視使用極限狀態(tài)。從橋梁結(jié)構(gòu)角度講，在其全壽命周期中，以使用過(guò)程中的性能表現(xiàn)更加重要。在實(shí)際工作中，針對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的問(wèn)題，主要將其視作一種概念來(lái)考慮，不僅沒(méi)有提出使用年限方面的要求，而且也未能開(kāi)展耐久性設(shè)計(jì)。以上設(shè)計(jì)傾向?qū)⒁l(fā)工程事故，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的性能顯著變差，縮短使用壽命。

2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與安全性不滿足要求的原因

2.1 施工與管理方面

國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的橋梁突然發(fā)生倒塌使人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到保證橋梁安全性的重要作用與意義。普遍認(rèn)為是由于施工與管理不到位造成的。而對(duì)于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的倒塌，主要原因?yàn)闃蛄涸O(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到要求與施工不規(guī)范，如材料選擇不當(dāng)與施工工藝方法不滿足要求。另外，還有某些橋梁工程有偷工減料的問(wèn)題，對(duì)橋梁安全帶來(lái)極大的影響。

很多橋梁在遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到要求的壽命就出現(xiàn)很多可能對(duì)其正常使用造成影響的劣化和病害，尤其是某些橋梁僅使用了很短一段時(shí)間就產(chǎn)生了耐久性與安全性方面的問(wèn)題，這和施工質(zhì)量較低存在直接關(guān)系，包括鋼筋保護(hù)層的厚度偏小導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生裂縫等。以上施工缺陷盡管在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響橋梁正常使用，但會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間使用狀態(tài)下的耐久性造成危害。

2.2 設(shè)計(jì)理論與結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系方面

在確認(rèn)了橋梁施工存在一些問(wèn)題的基礎(chǔ)上，橋梁設(shè)計(jì)，尤其是和橋梁施工與使用過(guò)程中涉及到安全性方面的問(wèn)題，仍需不斷的改進(jìn)與加強(qiáng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)先制定一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理且技術(shù)可行的方案，然后做好結(jié)構(gòu)分析和對(duì)構(gòu)件及其連接進(jìn)行的設(shè)計(jì)，同時(shí)按照規(guī)范提出的安全系數(shù)從根本上保證結(jié)構(gòu)體系安全性。

絕大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都將重點(diǎn)放在滿足相關(guān)規(guī)范提出的安全度要求上，沒(méi)有從結(jié)構(gòu)與其材料及構(gòu)造等方面進(jìn)行專門(mén)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自身安全性不足，如局部受力不均、鋼筋保護(hù)層厚度不足、配筋直徑偏細(xì)等，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全性。也有一些橋梁雖然可以滿足現(xiàn)行規(guī)范提出的強(qiáng)度要求，但只使用了幾年就由于耐久性不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全?？梢?jiàn)，耐久性問(wèn)題是影響安全的關(guān)鍵因素，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要從不同的角度入手，采取有效措施對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性予以加強(qiáng)。

在不同使用條件與環(huán)境下，不同設(shè)計(jì)對(duì)象對(duì)結(jié)構(gòu)提出的要求有所不同。無(wú)論規(guī)范如何詳細(xì)，都無(wú)法包括需要由設(shè)計(jì)人員自己考慮和解決的相關(guān)問(wèn)題，而且無(wú)論規(guī)范更新的如何及時(shí)，也無(wú)法完全適應(yīng)現(xiàn)階段各種新型材料、認(rèn)識(shí)與技術(shù)?；诖耍氡ＷC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的可靠性與合理性，不僅要滿足技術(shù)規(guī)范提出的各項(xiàng)要求，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的本性作出正確的理解，然后結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

3 保證橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)耐久性與安全性的有效方法

3.1 注重結(jié)構(gòu)耐久性

橋梁工程建造與使用時(shí)，必然會(huì)受到外部環(huán)境影響，除行車荷載外，還包括風(fēng)力、地震和結(jié)構(gòu)疲勞性等，并且橋梁結(jié)構(gòu)所用材料具有的性能將隨著時(shí)間的推移不斷退化，使結(jié)構(gòu)上不同部分產(chǎn)生劣化與損壞。比如，在大跨橋方面，我國(guó)從八十年代開(kāi)始修建了很多斜拉橋，盡管現(xiàn)在并沒(méi)有產(chǎn)生很多倒塌及嚴(yán)重?fù)p壞案例，但很多都由于拉索耐久性差而反復(fù)更換，不僅對(duì)正常使用造成影響，而且造成一定經(jīng)濟(jì)損失。

應(yīng)注意，很多此方法問(wèn)題和未能實(shí)施結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)存在直接關(guān)系，促使人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)耐久性重要性。從橋梁病害實(shí)例可以看出，除工程施工與材料問(wèn)題外，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性有直接影響的主要因素為構(gòu)造上存在缺陷，也就是設(shè)計(jì)上存在缺陷。

我國(guó)從九十年代就開(kāi)始對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性給予重視，取得了一定成果。過(guò)去的研究將材料與統(tǒng)計(jì)分析作為重點(diǎn)，在怎樣從結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)兩個(gè)角度和怎樣使設(shè)計(jì)與施工人員掌握正確的操作方法方面還略顯不足。除此之外，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)相關(guān)工作人員都重視結(jié)構(gòu)計(jì)算方法方面的分析與研究，忽視了對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)造與細(xì)部處理進(jìn)行的分析，耐久性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間存在明顯區(qū)別，需要在耐久性設(shè)計(jì)方面進(jìn)一步加強(qiáng)力度。

同樣，國(guó)外橋梁也存在因耐久性較差而產(chǎn)生的各類問(wèn)題，對(duì)此，近幾年也對(duì)耐久性設(shè)計(jì)給予了高度重視，將保證結(jié)構(gòu)耐久性視作需要嚴(yán)格遵守的原則，并對(duì)結(jié)構(gòu)布局與構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一考慮，強(qiáng)調(diào)確保結(jié)構(gòu)具有可檢查性和可維修性，使橋梁得以正常和安全的使用，減少維修方面的成本，創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益。無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外相關(guān)研究與實(shí)踐成果均表明，對(duì)橋梁工程而言，其結(jié)構(gòu)耐久性在很大程度上決定了橋梁運(yùn)營(yíng)安全性與經(jīng)濟(jì)性。

3.2 加強(qiáng)疲勞損傷分析研究

橋梁結(jié)構(gòu)體系承受的荷載均為動(dòng)荷載，如風(fēng)荷載與車輛荷載等，這些動(dòng)荷載會(huì)在結(jié)構(gòu)當(dāng)中產(chǎn)生一定趨于變化的應(yīng)力，除了會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)由于振動(dòng)而產(chǎn)生疲勞性損傷。因橋梁工程所用材料并不完全是連續(xù)與均勻的，而且還有一些缺陷，所以在受到循環(huán)荷載持續(xù)作用后，這些缺陷將不斷發(fā)展，最終通過(guò)合并產(chǎn)生大的損傷，同時(shí)在材料當(dāng)中產(chǎn)生可見(jiàn)的裂縫等宏觀損傷。若這些宏觀損傷未能得到控制與解決，將導(dǎo)致材料或整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂。一般早期疲勞性損傷很難通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，但它帶來(lái)的影響與后果通常是具有災(zāi)難性的。

對(duì)于疲勞損傷，在過(guò)去始終被認(rèn)為是橋梁設(shè)計(jì)主要問(wèn)題之一，尤其是鋼橋，因鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的現(xiàn)象有很多。雖然近幾年針對(duì)疲勞損傷的進(jìn)行研究已經(jīng)延伸到混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，而對(duì)使用過(guò)程中容易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象的鋼混及純鋼結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的研究力度還不足，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性損傷進(jìn)行的研究除了對(duì)整體結(jié)構(gòu)，還和某個(gè)關(guān)鍵位置由于局部疲勞而產(chǎn)生失效有關(guān)，因?yàn)榫植渴н€會(huì)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生失效。

3.3 注重橋梁超載

對(duì)于橋梁超載，主要存在以下三種情況：第一種情況為既有橋梁超齡負(fù)載；第二種情況為橋梁上實(shí)際通行量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求；第三種情況為車輛違規(guī)超載。其中，第一種和第二種情況主要產(chǎn)生原因?yàn)樵O(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生變化及交通量大幅增加，而第三種情況產(chǎn)生原因?yàn)檐囕v的車主違規(guī)超載運(yùn)行。在我國(guó)，后兩種情況比較常見(jiàn)。

橋梁超載除了會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞，還會(huì)增大疲勞應(yīng)力，導(dǎo)致?lián)p傷加劇，甚至引起破壞事故。另外，因超載產(chǎn)生的損傷無(wú)法恢復(fù)，所以會(huì)使橋梁即便在正常情況下其工作狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生較大的變化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與安全性造成影響。基于此，一方面交通管理部門(mén)必須提高管理力度，另一方面則要在設(shè)計(jì)中充分考超載可能產(chǎn)生的后果，在設(shè)計(jì)中予以適當(dāng)?shù)姆治觥?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)構(gòu)耐久性與安全性是橋梁工程設(shè)計(jì)需要注意的要點(diǎn)問(wèn)題，但很多原因會(huì)導(dǎo)致橋梁設(shè)計(jì)的耐久性與安全性不足，對(duì)此，可通過(guò)對(duì)耐久性設(shè)計(jì)的重視、疲勞損傷分析的加強(qiáng)與橋梁超載問(wèn)題的控制來(lái)有效解決，以此從根本上提高耐久性與安全性。