提高橋梁設(shè)計可靠性措施探討

楊 光

(大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司)

提高橋梁設(shè)計可靠性措施探討

楊 光

(大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司)

為了研究橋梁設(shè)計可靠性提高的措施，首先研究了可靠性理論在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀，接著找出了橋梁設(shè)計出現(xiàn)可靠性較低的主要原因，最后提出了提高橋梁設(shè)計的可靠性的主要措施。

橋梁設(shè)計；措施；可靠性

1 橋梁出現(xiàn)可靠性問題的主要原因

1.1 較低的橋梁設(shè)計標準

我國在上世紀60年代至70年代建設(shè)的橋梁，由于當時的社會經(jīng)濟發(fā)展水平較低，對橋梁的等級要求也較低。出于節(jié)省資源和實用的目的，橋梁的設(shè)計荷載標準也降低。但隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，社會對橋梁承壓等級越來越高，而大部分城市如今卻仍使用以前低設(shè)計標準的公路橋梁。隨著交通量的日益增多和繁重，之前所設(shè)計的橋梁已不適合現(xiàn)階段的交通需要，其本身的可靠性問題隨時可能發(fā)生，對人類的生命造成一定威脅。

1.2 較差的施工和管理水平

在建及剛建不久卻發(fā)生諸如突然破壞與倒塌事故的橋—梁，很多是因為施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設(shè)計要求，管理混亂所致。其中以材料強度不足和施工工藝不合理等原因為主，而偷工減料、以次充好等嚴重管理問題，可造成對橋梁安全性有致命的損害后果。

1.3 不合理的橋梁設(shè)計

在設(shè)計過程，設(shè)計者只考慮橋梁的結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，卻忽視從結(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)的人為因素等方面綜合計算橋梁的可靠性。設(shè)計人員的經(jīng)驗欠佳，能動性不太強。用靜態(tài)思維去解決不斷進步發(fā)展的技術(shù)問題，橋梁在不同的環(huán)境和使用條件下和不同的設(shè)計對象都會對結(jié)構(gòu)體系得出不同的布局和構(gòu)造要求，規(guī)范再詳細也不能代替應(yīng)由設(shè)計人員解決的各種問題，規(guī)范更新再快也適應(yīng)不了新技術(shù)、新材料、新工藝快速發(fā)展對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的各種新要求，目前的設(shè)計可視為靜態(tài)設(shè)計，過于偏重設(shè)計建成時期結(jié)構(gòu)的工作和服務(wù)能力而對使用期實際的性能表現(xiàn)隨時間的劣化缺乏相應(yīng)的考慮。從經(jīng)濟性上講，考慮建造成本多，而不夠重視營運的維護成本和與使用壽命相對應(yīng)的成本效益，因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足規(guī)范要求外，還要求設(shè)計人員具有對結(jié)構(gòu)本性的確認識。豐富的經(jīng)驗和準確的判斷。從而在設(shè)計時對橋梁整體結(jié)構(gòu)全壽命使用過程進行全面綜合分析和計算，提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.4 耐久性考慮不足

目前國內(nèi)的橋梁設(shè)計中有這樣的一種傾向：設(shè)計中考慮強度多而考慮耐久性少，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注而已，既沒有提出明確的使用年限要求，也沒有進行專門的耐久性設(shè)計，即從材料、結(jié)構(gòu)，環(huán)境及設(shè)計程序來保證耐久性，并確定在何種維護和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性。

2 提高橋梁可靠性的措施

2.1 加強對橋梁壽命期的理解。我國在工程建設(shè)方面，將逐步從最初的單純設(shè)計滿足載荷強度的設(shè)計原則轉(zhuǎn)變到既滿足載荷強度需求又滿足橋梁壽命需要的設(shè)計思路。符合國際上造橋?qū)勖诘囊?。加強橋梁使用壽命的理解，?yīng)首先要研究確定結(jié)構(gòu)重要性的方法。例如，一般我國橋梁設(shè)計基準期都是一百年，但在設(shè)計時很難保證設(shè)計數(shù)據(jù)的可靠性，因此通常要經(jīng)過大量的數(shù)值模擬來確定。壽命期定后橋梁建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運行(包括養(yǎng)護、維修、管理)也需要綜合考慮，以便修建的橋梁壽命在預(yù)想之中。

2.2 對橋梁結(jié)構(gòu)可靠性的設(shè)計和現(xiàn)場的施工應(yīng)減輕甚至隔絕環(huán)境因素對混凝土和鋼筋的影響。特別在靠近氯離子侵蝕嚴重的海邊，其環(huán)境因素對橋梁的影響后果更不容忽視。橋面應(yīng)有一定的坡度或設(shè)置排水管道，在混凝土橋面板與路面層之間設(shè)置可靠防水層，防止水向下滲漏，造成環(huán)境對橋梁的破壞后果。

2.3 從理論研究和規(guī)范方面應(yīng)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，會受到環(huán)境、甚至化學(xué)物質(zhì)的侵蝕并承受各種荷載及人為因素等外部作用，同時橋梁本身所采用的材料性能也會不斷疲勞、損傷、劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部分不同程度的損傷和劣化，橋梁早期開裂等，大量病害實例證明除了施工和材料方面的原因外，影響耐久性的決定性因素是結(jié)構(gòu)設(shè)計上的缺陷造成，長期以來，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計算方法研究，而忽視對總體構(gòu)造和細節(jié)處理方面的關(guān)注，對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計角度及如何以設(shè)計和施工人員易接受操作方式來改善橋梁耐久性卻很少研究。結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著本質(zhì)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方向發(fā)展。

2.4 充分重視現(xiàn)有運營環(huán)境的超載問題。橋梁的超載一方面使疲勞應(yīng)力幅度加大，損傷加劇，甚至結(jié)構(gòu)破壞。另一方面橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，使受力狀態(tài)發(fā)生變化，從而使橋梁的可靠性降低。橋梁超載主要表現(xiàn)為舊橋超齡負載運營，通行車流量超過設(shè)計預(yù)測值，車輛的違規(guī)超載，這些問題除了交管部門要加強管理外，對超載帶來的后果進行研究分析成為一種迫切需要在國內(nèi)這種特定的運輸環(huán)境中，超載已是一種社會問題，不可在短時間內(nèi)制止，設(shè)計上在考慮經(jīng)濟的情況下，應(yīng)變被動適應(yīng)改為主動適用，在荷載組合設(shè)計計算時研究分析，應(yīng)充分考慮合理的超載外力，從而有效地提高橋梁承可靠性。

2.5 加強重視疲勞損傷的研究。橋梁結(jié)構(gòu)所承受外力大部分是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力及應(yīng)變，引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。橋梁所采用的材料本身就不是均勻和連續(xù)的，實際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷逐漸發(fā)展擴大形成損傷。如在運營時得不到有效控制，會引起材料結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，帶來和后果往往是災(zāi)難性的。對疲勞損傷的研究不僅僅對整個結(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)失效。近年來，疲勞損傷的研究雖然進入混凝土結(jié)構(gòu)，但對于使用后期受腐蝕的鋼筋構(gòu)件中的動態(tài)性能和疲勞性的研究還需要加強。

2.6 借鑒國外的優(yōu)秀經(jīng)驗和成果。國內(nèi)橋梁設(shè)計存在的主要問題是結(jié)構(gòu)正常使用性能差，例如橋梁的線形不平順、振動過大、接頭易跳車、結(jié)構(gòu)開裂和變形過大等。而國內(nèi)橋梁的耐久性和安全性也比較差。對于橋梁出現(xiàn)的這些問題，我們應(yīng)認真考慮國外有關(guān)橋梁方面的技術(shù)，應(yīng)認真研究其優(yōu)秀的設(shè)計和施工經(jīng)驗。例如歐洲國家對結(jié)構(gòu)物的性能設(shè)計經(jīng)驗，包括對結(jié)構(gòu)的變形、裂縫的處理，消除或減小振動的方法等，這些設(shè)計都將加強橋梁的可靠性安全性和耐久性的設(shè)計。

2.7 橋梁附屬設(shè)備的設(shè)計

橋梁附屬設(shè)備包括伸縮縫、支座、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，這些部分雖然在工程造價中僅占很少的一部分，但也發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)已建成的大多數(shù)橋梁的排水系統(tǒng)設(shè)計相當簡單，僅僅是使用排水管將水引出橋面而已。降雨時，橋下成了“水簾洞”，這對于一些立交橋和高架橋而言更是不合理的，大量的橋面污水直接擊打著地面，污水落地后肆意流淌，有些甚至直接流入良田。這樣的設(shè)計絲毫未考慮環(huán)保的因素?，F(xiàn)在采用綠色設(shè)計對以上設(shè)計進行優(yōu)化。一是選擇排水系統(tǒng)的材料。傳統(tǒng)的材料是鑄鐵，這種材料易銹蝕且造價高，同時不利于不可再生資源的節(jié)約。有鑒于此，可考慮使用PVC管等材料，這些材料具有輕質(zhì)、節(jié)能、抗腐蝕的特點。二是設(shè)計排水系統(tǒng)的數(shù)量。由于設(shè)計人員對排水系統(tǒng)缺乏足夠的重視，往往是按大概的間距進行設(shè)置，這樣會造成排水不暢或排水系統(tǒng)過多，違反了綠色設(shè)計的原則。應(yīng)根據(jù)當?shù)氐慕邓闆r進行水力計算來準確設(shè)置足夠數(shù)量的排水系統(tǒng)。三是排水系統(tǒng)將水引離橋面后，還應(yīng)對水流進行疏導(dǎo)直至地面。為保證橋梁的美觀，在有條件的情況下可考慮將排水系統(tǒng)埋入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)，但應(yīng)確保檢修方便。另外可將若干橋面排水管通過連接管連通，再接入同一套疏導(dǎo)系統(tǒng)，并起到美觀、低能耗且形式簡潔的作用。四是引到地表的水還應(yīng)再引入合適的排水溝，最好設(shè)置沉淀池，以減少污染。

3 結(jié)語

橋梁設(shè)計中的可靠性關(guān)系到橋梁質(zhì)量好壞，有關(guān)這方面的問題應(yīng)引起橋梁設(shè)計人員的高度重視。要積極尋找解決橋梁的可靠性問題的有效方法，同時也可借鑒國外優(yōu)秀的設(shè)計經(jīng)驗和做法，同時要加強橋梁設(shè)計的施工管理和設(shè)計人才的培養(yǎng)。

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1007-6344（2015）03-0168-01