橋梁結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)若干問題的思考

周金鵬

2004年以來，筆者一直在從事橋梁施工階段的監(jiān)理工作。在施工監(jiān)理過程中，發(fā)現(xiàn)影響橋梁使用安全性、耐久性方面存在著若干問題，原因涉及到設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理等方方面面。本文僅從設(shè)計(jì)方面的若干問題進(jìn)行分析，并提出一些對(duì)策措施。

一、具體細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)人員沒有結(jié)合橋梁所在地區(qū)的材料實(shí)際供應(yīng)情況。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)，優(yōu)質(zhì)的砂石子材料一般不多，如果設(shè)計(jì)高強(qiáng)度混凝土（如預(yù)應(yīng)力空心梁混凝土設(shè)計(jì)為C50），將可能給施工造成很大困難。因此，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，橋梁混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C40為妥。而在市區(qū)，預(yù)應(yīng)力空心梁混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C40或C50均可，因市區(qū)一般都有商品混凝土基地，砂石材料供應(yīng)質(zhì)量有保障。

設(shè)計(jì)人員對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)洪水位了解不詳，經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)樁基系梁位置較低，施工困難，造成系梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量不易保證。監(jiān)理單位應(yīng)該協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)單位，適當(dāng)提高系梁標(biāo)高。

構(gòu)造設(shè)計(jì)存在漏洞。典型問題是伸縮縫處僅設(shè)普通橡膠支座。應(yīng)改為橡膠活動(dòng)支座，否則在汽車荷載作用下伸縮縫處易拉裂，普通橡膠支座變形，極大地影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性。監(jiān)理人員應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，建議業(yè)主要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行支座變更。

橋面沒有設(shè)計(jì)整體鋼筋網(wǎng)，沒有考慮汽車超載問題。超載現(xiàn)象在我國(guó)公路運(yùn)輸中較為普遍，汽車超載營(yíng)運(yùn)，會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響，因此除了交管部門要加強(qiáng)管理外，設(shè)計(jì)時(shí)也需要對(duì)超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。

伸縮縫處空心梁預(yù)埋數(shù)量不足，監(jiān)理及施工單位必須事先做好復(fù)查工作。樁基主筋保護(hù)層與建筑制圖不一致，施工及監(jiān)理單位必須十分注意這一問題，否則樁基主盤保護(hù)層難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

二、結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)問題

橋梁在建造和使用過程中，一定會(huì)受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，并要承受車輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時(shí)橋梁所采用材料的自身性能也會(huì)不斷退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。

在大跨度橋梁領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代以來，建造了大量的斜拉橋。雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴(yán)重?fù)p害的例子很少，但已經(jīng)有多座橋梁因?yàn)槔鞯哪途眯詥栴}而不得不提前換索，既影響了使用，又帶來了經(jīng)濟(jì)損失。

需要指出的是，很多這類問題與沒有進(jìn)行合理的耐久安全性設(shè)計(jì)有關(guān)，這也促使人們重新認(rèn)識(shí)橋梁的耐久性問題。大量的病害實(shí)例也證明，除了施工和材料方面的原因，影響結(jié)構(gòu)耐久性的根本因素是來自構(gòu)造設(shè)計(jì)上的缺陷。

國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)90年代開始重視了對(duì)結(jié)構(gòu)耐久安全性的研究，也取得了不少成果。而這些研究大多是從材料和統(tǒng)計(jì)分析的角度進(jìn)行的，對(duì)如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的角度來改善橋梁耐久安全性卻很少有人研究。而且，長(zhǎng)期以來，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的研究，卻忽視了對(duì)總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注。因此，需要努力將耐久安全性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。

三、結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題

橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。

由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會(huì)逐漸發(fā)展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋得不到有效控制，極有可能會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測(cè)到，但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。

疲勞損傷過去一直被認(rèn)為是鋼橋設(shè)計(jì)中的核心問題，由鋼結(jié)構(gòu)疲勞引起的鋼材開裂案例較多，亦有不少因疲勞斷裂引起橋梁垮塌的例子。近20年來，疲勞損傷的研究已進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，但對(duì)于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動(dòng)態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強(qiáng)。

對(duì)疲勞損傷的研究不應(yīng)僅對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，還應(yīng)該重視某些關(guān)鍵部位的局部疲勞失效問題。

四、橋梁的超載問題

橋梁超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營(yíng)；其二是橋梁通行的實(shí)際車流量超過設(shè)計(jì)流量；另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計(jì)荷載的變化和交通量的增加，后者是車輛使用者違法超載營(yíng)運(yùn)，后兩種超載現(xiàn)象在我國(guó)公路運(yùn)輸中較為普遍。

橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性。例如，混凝土橋梁一直被認(rèn)為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形。這些都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響，因此除了交管部門要加強(qiáng)管理外，也需要對(duì)超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。

安全性不足是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)迫切需要解決的問題。我們應(yīng)該積極借鑒國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)和做法，要從橋梁構(gòu)造、結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計(jì)理念的角度做好耐久安全性的設(shè)計(jì)研究工作。