橋梁設計中耐久性存在的問題及對策研究

曹武軍

【摘 要】針對當前橋梁設計中存在的安全耐久性問題，分析出橋梁安全性、耐久性不足的危害，進而針對橋梁設計中存在的問題，提出健全規范、更新設計理念、創新設計方法等相應的改進應對措施。

【關鍵詞】橋梁設計；安全性；耐久性；規范；設計理念

中圖分類號： U442.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0200-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.088

隨著我國經濟的快速發展，跨入21世紀后興起了橋梁工程建設的新熱潮，近幾年建成了許多大橋，如青島海灣大橋、港珠澳大橋、滬通長江大橋、重慶朝天門長江大橋等。特別是隨著國際性的金融危機，我國制定了一系列的政策進行應對，其中主要的一項便是加大基礎建設的投資力度，拉動內需。有的省市每年在這方面的投資數百億人民幣。但在大量新建的同時，也已經出現了許多因安全性不夠、耐久性不良等而過早報廢的橋梁，遠沒有達到服務年限就被拆。例如北京西直門立交橋使用僅19年，就因嚴重剝蝕和鋼筋銹蝕破壞等原因不得已，于1999年報廢重建。此類事件不勝枚舉，國內外的慘重教訓應該值得我們借鑒，我們應該思考工作中的不足和采取哪些措施盡量避免發生慘劇。造成橋梁安全性不夠、耐久性不良的原因是多方面的；建設程序管理體制的問題、過程、設計、施工過程不健全；建成后的后期管理機制不健全等。涉及到工程建設的業主、設計方、承包方、施工方等各個方面。本文僅從設計方面的若干問題進行分析，并提出一些對策措施。

1 橋梁安全性、耐久性不足的危害

隨著時代經濟的高速發展，人類所建造的各種大型工程結構物，規模巨大，結構復雜，功能眾多。這些工程的特點是：投資巨大，技術復雜，環境影響嚴重，襲擊破壞機率增大（風、浪、地震、海嘯、船撞、破壞等等）和維修、養護、加固難度大，一旦出現安全耐久性問題，影響是非常大的。

1.1 巨額的經濟損失

從國外的橋梁建設經驗中發現，如果在橋梁的設計和建造時期沒有很好地考慮梁的安全與耐久性，將會在橋梁的運營和維護中付出慘重的經濟代價。如北京西直門環形立交橋，為緩解日益嚴重的交通阻塞，在上世紀末拆除重建。在拆除過程中，發現結構大量的凍融病害，橡膠支座老化結硬，致使支座承臺破裂，估計橋上的橡膠支座的使用壽命未滿10年。假定該橋的原設計壽命期為50年，那么其間的支座就需要更換4～5次。

1.2 嚴重的工程事故

國際上統計，橋梁工程事故的80%以上是由人為錯誤造成的，這些人為錯誤主要反映在結構的安全、質量和管理的每個環節上。如果對發生病變的橋梁不及時加固維修或拆除，將造成嚴重的工程或交通事故，甚至有的在使用中因意外原因導致垮塌。例如2007年6月15日，廣州九江大橋被一艘運沙船撞擊導致垮塌。被撞后九江大橋修復工程歷時2年、耗資1.4億元進行修復。

1.3 惡劣的環境社會影響

我們發現在不斷立項新建、改建橋梁的同時，由于各種原因也在不斷地加固維修甚至拆除不到使用年限的橋。如觀瀾河大橋，它是梅觀高速公路上的一座預應力連續梁橋，跨徑組成為3聯4×40m，橋梁全長495.43m，該橋因為承載能力降低，不能滿足使用要求，經專家多次論證后，需進行拆除。而且為加速路橋等公共工程建設，國家現在鼓勵投資公司出資并給以一定期限如30年的經營收入作為補償。如果沒有實施提高橋梁耐久性措施，對于設計工作壽命為100年的橋梁，很可能30年到期后國家接收的已是一個破舊待拆的工程。

2 橋梁設計中存在的問題

橋梁安全性、耐久性不足，既有內因也有外因，或是內、外因交叉影響。主要有以下幾個方面。

2.1 設計規范的先天不足

結構建設過程中的各個方面工作都需要有質量保證體系。其中最首要的即是“行為”的規范、規程、指南或標準。總而言之，要建成一項大型工程，一切工作都要有管理條例，各項工作都必須按規定執行，不能隨心所欲修改或變更，也即在過程中，一切修改和變更都要有文件規定。這些規定的選擇是業主的權限與職責。如國外的大多數的規范、規程、指南都是參考性文件。英國標準BS7543：建筑物及建筑構件、產品與組件的耐久性指南前言中注明：遵守英國標準本身，并不給予豁免法律責任。它的法律責任只在業主與設計、施工承包商簽約合同中規定的使用文件中簽約確定。而我國的國家與部級的各種規范、規程都是強制性文件，都具有法律責任。然而，我們對它的管理大約10年一貫制，大大落后于工程學科的發展水平。特別是一些跨海大橋，目前各個規范都不適用，而我們似乎并不關心約束各項工作的規范、規程和指南文件的組織與編寫。沿海地區一些橋梁不可避免地要穿飽和、過飽和的鹽田，設計環境遠遠超過現行規范中的嚴重腐蝕等級F級，如何進行高濃鹽堿環境下的橋梁結構優化設計等新問題也是規范急待解決的問題。

2.2 設計中具體細節注意不夠

具體細節方面的設計雖然繁瑣，但是保障設計的重要環節，需要設計人員不斷學習和積累經驗。如：設計人員對鄉鎮地區洪水位了解不詳，經常導致設計時樁基系梁位置較低，施工困難，造成系梁結構質量不易保證。構造設計也存在漏洞，典型問題是伸縮縫處。有的伸縮縫僅設普通橡膠支座。實際上應改為橡膠活動支座。因為在汽車荷載作用下伸縮縫處易拉裂，普通橡膠支座會變形，極大地影響結構安全和耐久性。監理人員應及時發現問題，建議業主要求設計單位進行支座變更。再有，橋面沒有設計整體鋼筋網、沒有考慮汽車超載問題等。超載現象在我國公路運輸中較為普遍，汽車超載營運，會對橋梁結構長期的使用性能和耐久性產生不利的影響，因此除了交管部門要加強管理外，設計時也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。伸縮縫處空心梁預埋數量不足、樁基主筋保護層與建筑制圖不一致等諸多問題。

2.3 設計人員學習、更新知識不夠

目前國內建設的現狀是工期緊，任務重，突擊建設。這導致設計人員整天忙于完成設計任務，無暇認真研究新規范，學習新技術、新材料，往往是工程設計圖基本照搬以前的設計，略作修改，而設計規范不斷更新，結果要么就是設計與現行規范不一致，要么就是從規范上照搬幾條，而不考慮結構所處的環境、氣候、技術水平現狀，讓后邊的施工、監理無所適從，從設計之初留下隱患。比如《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62—2004）第一次明確提出100年設計基準期的要求，2006年《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》（JTG/TB07—01—2006）頒布實施可以理解為JTGD62—2004規范的細化要求，從規范上可以看出，不管在內陸還是沿海、南方還是北方，盡管劣化模式不同，都必須考慮腐蝕因素。而一些設計單位，只簡單理解為沿海地區需要防腐，其余地區不考慮，設計圖紙上根本就不體現耐久性的要求。

3 應對措施

3.1 健全規范

要減少橋梁使用期間的工程事故，提高橋梁的安全和耐久性，首先要有不斷健全的規范、規程、指南、標準等管理體系的保證，它是避免人為錯誤的重要保證，特別是職責與權限的制定。

3.2 更新設計理念

目前在公路橋梁設計過程中，有這樣的傾向：設計中考慮強度多而考慮耐久性少；重視強度極限狀態而不重視使用極限狀態，而結構在整個生命周期中最重要的卻恰恰是使用性能表現；重視結構的建造而不重視結構的維護。所以我們應該在汲取目前經驗事故的基礎上開展新的設計理念和方法的研究。過去只限于設計、施工質量的單一層面上去尋求結構的安全性就不夠了。從上世紀70年代后，國內外專家在分析研究、認真總結經驗教訓的基礎上，除強調結構設計和建造時期的安全性、耐久性、整體牢固性的要求外，逐步討論了結構在使用期間的檢測、維修、加固的新技術，對不同工程結構物的災害和可接受的危險水平和評估進行了深入研究，提出了耐久性設計的概念。結構耐久性設計所要解決的問題也就是經濟、合理的使用年限問題，即結構壽命期問題。基于結構耐久性設計的新設計理念認為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設計、施工、運營和維護各個階段共同努力的結果。新建一座結構時，業主確定建筑用途提出耐久性要求，即結構使用壽命期。

在設計和建造階段，應該特別注意到所有與耐久性有關的問題，比如一座大型結構物要服務100年，試想近代的科學、經濟的高速發展，這100年對結構而言，內、外因變化很大，特別是外因，試問結構功能如何適應變化而改變或增強它的服務功能？推論：如結構物的設計壽命期為100年，預測100年的使用要求，定出各個標準進行設計，這很難實現。然而，工程師能使結構物適應各種變化，采取各種措施使結構獲得更強大的“體能”為交通服務。為解決這一問題，在設計和建造階段就要挑戰傳統設計理念：對設計工程師要求結構設計時應使結構具有6大特性，即可檢性、可修性、可換性、可強性、可控性及可持續性。因為如果建成的結構物，各個部件不可檢查，不可更換，無法修復，不能控制，不加強，不可持續，那么結構在內外因復合作用下，就會一天天衰退，破損，倒塌而“生命夭折”。

3.3 創新設計方法

鑒于問題的嚴重性，工程各方對耐久性都很關注。近年來一些施工方、監理方也經常和設計單位進行技術交流，宣貫耐久性技術。如嘗試與設計方一起在設計文件中對材料和防腐提出要求，把設計與研究很好地結合起來，而且針對具體工程根據其特定的環境與技術要求編制專用技術指南，這種方法反映效果很好。還有，在接手工程的技術支持工作之初，先給業主、監理、施工各方的技術人員進行培訓，對混凝土性能等基本且關鍵的技術知識深入學習，這樣事前培訓加現場指導的方式解決實際問題。還有很多諸如這些從實踐中來的寶貴經驗，我們應該多交流學習，不斷改進創新設計方法。

4 結論

安全性、耐久性是一個系統工程，試驗室內的研究成果只是基礎，最終要通過設計、施工、養護等環節形成結構本身并工作于實際環境，任何一個環節出現偏差都會影響結構的性能，而現場的問題千差萬別，本文提到的也只是冰山一角。橋梁安全性和耐久性已成為迫切需要解決的問題，我們應該積極借鑒國外成功的經驗和做法，除了加強施工質量管理外，要從橋梁設計理念和結構體系和構造的角度做好耐久性的設計，同時也需要研究疲勞和超載等因素對于橋梁結構耐久性的影響。

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