改善橋梁耐久性的措施研究

摘要 隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，對于橋梁耐久性問題應(yīng)有未雨綢繆的思考，因而對其進行研究和采取相應(yīng)的措施就應(yīng)格外予以重視。其本質(zhì)是在注意到“量”的同時，必須注意結(jié)構(gòu)物“質(zhì)”的飛躍和發(fā)展。如果在現(xiàn)在的大規(guī)模建設(shè)中，不認真考慮結(jié)構(gòu)耐久性問題，勢必給將來帶來不良的苦果。所以在這里本文針對橋梁耐久性差的產(chǎn)生原因進行了分析，并提出了今后需要改進的方向。

關(guān)鍵詞 橋梁設(shè)計；耐久性差；原因

目前的橋梁設(shè)計中，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進行專門的耐久性設(shè)計。這些傾向在一定程度上導(dǎo)致了當(dāng)前工程事故頻發(fā)、結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短的不良后果，也與國際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢相違背，也不符合結(jié)構(gòu)動態(tài)和綜合經(jīng)濟性的要求。

一、國內(nèi)橋梁設(shè)計存在的主要問題

橋梁具體的設(shè)計過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進行。前者是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能力臨界狀態(tài)時的承載能力、設(shè)計的基本原則是要求荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計值，必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計值。利用荷載安全系數(shù)，材料安全系數(shù)及工作條件系數(shù)來考慮不確定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲備，是一個半概率的極限狀態(tài)設(shè)計法?？梢哉J為是對安全性要求的保證。后者控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時應(yīng)力、裂縫和變形小于一定的限值，對應(yīng)于適用性的要求。

暫且不論這些控制方程和計算理論是否完全合理，它們至少從定性和定量的形式上保證了安全性和適用性兩項要求，而對于經(jīng)濟、美觀的要求則沒有具體的指標(biāo)進行衡量。當(dāng)然，在方案設(shè)計和評審階段會考慮到經(jīng)濟和美觀的要求(中小橋梁主要關(guān)注經(jīng)濟性，而大型和特大型橋梁對美觀問題越來越重視)；但需要指出的是該階段對經(jīng)濟性的評估往往是只注重考慮建設(shè)成本，而對于后期的養(yǎng)護、維修等的長期綜合成本缺乏考慮，因此這種評估經(jīng)常是比較片面的。

二、橋梁耐久性差的主要原因分析

1、施工和管理水平低

國內(nèi)外多座橋梁的突然破壞與倒塌，已使工程界對橋梁安全性問題倍加關(guān)注。一般的看法認為當(dāng)前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導(dǎo)致。對于短期內(nèi)發(fā)生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設(shè)計要求，典型的問題包括材料強度不足和施工工藝不合格等；也有個別橋梁存在諸如榆工減料、以次充好等嚴重的管理問題，更是對橋梁安全造成致命的損害。

而大量的橋梁在遠沒有達到預(yù)期使用壽命時，出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化；特別是一些橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴重的耐久性不足的問題，這也與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴重的構(gòu)件開裂問題(主要原因包括：水泥選用、混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護不當(dāng)及預(yù)應(yīng)力施加不合理等)。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響，但卻會對結(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。

2、設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不夠完善

在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設(shè)計領(lǐng)域，特別是關(guān)于橋梁施工和使用期安全性的問題還有許多可以改進的地方。結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是選擇經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案，其次是結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件和連接的設(shè)計，并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠性指標(biāo)以保證結(jié)構(gòu)的安全性。

許多設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性??；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構(gòu)件截面過薄；這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，會嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性。不少橋梁、雖然滿足了設(shè)計規(guī)范的強度要求，僅用了5～10年就因為耐久性出了問題影響結(jié)構(gòu)安全。結(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問題，設(shè)計時要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強結(jié)構(gòu)耐久性。

不同的環(huán)境和使用條件、不同的設(shè)計對象都會對結(jié)構(gòu)體系提出不同的布局和構(gòu)造等方面的要求。規(guī)范再詳細也不能包羅本應(yīng)由設(shè)計人員解決的各種問題、規(guī)范更新得再快也適應(yīng)不了新認識、新技術(shù)、新材料快速發(fā)展對結(jié)構(gòu)提出的各種新的要求。因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足規(guī)范的要求外，還要求設(shè)計人員具有對結(jié)構(gòu)本性的正確認識、豐富的經(jīng)驗和準(zhǔn)確的判斷。

三、橋梁設(shè)計耐久性的改進方向

1、應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題

橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環(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，同時橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域，國內(nèi)從上世紀80年代以來，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴重損害的例子很少，但已經(jīng)有多座橋梁因為拉索的耐久性問題而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟損失。

需要指出的是，很多這類問題與沒有進行合理的耐久性設(shè)計有關(guān)，這也促使人們重新認識橋梁的耐久性問題。大量的病害實例也證明，除了施工和材料方面的原因，影響結(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素是來自構(gòu)造上(也即設(shè)計上)的缺陷。

國內(nèi)從上世紀90年代開始重視了對結(jié)構(gòu)耐久性的研究，也取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統(tǒng)計分析的角度進行的，對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計的角度及如何以設(shè)計和施工人員易于接受和操作的方式來改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且，長期以來，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計算方法的研究，卻忽視了對總體構(gòu)造和細節(jié)處理方面的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著本質(zhì)的區(qū)別，目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。

2、重視對疲勞損傷的研究

橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會引起結(jié)構(gòu)的振動，還會引起結(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。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會引起材料、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為是鋼橋設(shè)計中的核心問題，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入混凝土結(jié)構(gòu)，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強。

對疲勞損傷的研究不僅僅指對整個結(jié)構(gòu)而言，事實上橋梁結(jié)構(gòu)常常由于某些關(guān)鍵部位的局部疲勞失效而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失效，例如斜拉橋拉索錨固端的疲勞損害。

3、充分重視橋梁的超載問題

汽車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計；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運，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍。

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和耐久性。

橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，要積極借鑒國外成功的經(jīng)驗和做法，除了加強施工質(zhì)量管理外，要從橋梁設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度做好耐久性的設(shè)計。同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響。