研究橋梁設計中的安全性和耐久性問題

高紅霞

(貴州智恒工程勘察設計咨詢有限公司，貴州 貴陽 550004)

1 橋梁設計現存問題

現行技術規范針對橋梁工程設計有以下基本要求：經濟適應性、安全性和美觀性，以上要求幾乎涵蓋人們關心的和橋梁有關的所有問題。在實際的設計工作中，需要按照承載力與正常使用實施，其中，前者是指對結構即將失去服務能力時對應的承載力進行控制，其設計原則為荷載效應達到不利組合條件下的設計值不能超過結構自身抗力。通過對荷載安全系數的合理應用，充分考慮各類不確定因素持續作用下的橋梁整體結構安全性儲備。以上設計方法即為極限狀態法，能保證安全性；而后者是指對結構處于正常使用狀態下對應的應力進行控制，要求裂縫與變形都不能超過限值，屬于適應性方面的要求。

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兩個方面保證橋梁設計安全性及適用性。然而，對經濟性與美觀性而言，無明確指標來衡量。雖然在橋梁的方案設計與綜合評審過程中會對經濟性與美觀性方面的要求進行考慮，但這一階段針對經濟性進行的評估通常僅重視建設成本，在后期養護與維修方面缺乏長期考慮。基于此，這項評估較為片面，其中最典型的問題就是斜拉橋拉索更換。因受到技術的影響和限制，拉索壽命不超過30年，而橋梁設計壽命可以達到100年，所以在橋梁整個服役過程中需要更換至少3次拉索，每次都要進行機械穿索，由此增加的投入是很大的。

目前，在橋梁設計工作中，有如下傾向：注重強度、忽視耐久性；注重強度極限狀態、忽視使用極限狀態。從橋梁結構角度講，在其全壽命周期中，以使用過程中的性能表現更加重要。在實際工作中，針對結構耐久性的問題，主要將其視作一種概念來考慮，不僅沒有提出使用年限方面的要求，而且也未能開展耐久性設計。以上設計傾向將引發工程事故，導致結構的性能顯著變差，縮短使用壽命。

2 橋梁結構耐久性與安全性不滿足要求的原因

2.1 施工與管理方面

國內外越來越多的橋梁突然發生倒塌使人們開始認識到保證橋梁安全性的重要作用與意義。普遍認為是由于施工與管理不到位造成的。而對于在短時間內產生的倒塌，主要原因為橋梁設計沒有達到要求與施工不規范，如材料選擇不當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題，對橋梁安全帶來極大的影響。

很多橋梁在遠遠沒有達到要求的壽命就出現很多可能對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間就產生了耐久性與安全性方面的問題，這和施工質量較低存在直接關系，包括鋼筋保護層的厚度偏小導致構件產生裂縫等。以上施工缺陷盡管在短時間內不會影響橋梁正常使用，但會對橋梁結構在長時間使用狀態下的耐久性造成危害。

2.2 設計理論與結構構造體系方面

在確認了橋梁施工存在一些問題的基礎上，橋梁設計，尤其是和橋梁施工與使用過程中涉及到安全性方面的問題，仍需不斷的改進與加強。在結構設計中，應先制定一個經濟合理且技術可行的方案，然后做好結構分析和對構件及其連接進行的設計，同時按照規范提出的安全系數從根本上保證結構體系安全性。

絕大多數設計人員都將重點放在滿足相關規范提出的安全度要求上，沒有從結構與其材料及構造等方面進行專門的設計，導致結構自身安全性不足，如局部受力不均、鋼筋保護層厚度不足、配筋直徑偏細等，對結構的耐久性造成影響，進而影響整個結構體系的安全性。也有一些橋梁雖然可以滿足現行規范提出的強度要求，但只使用了幾年就由于耐久性不足導致結構不安全。可見，耐久性問題是影響安全的關鍵因素，在設計過程中需要從不同的角度入手，采取有效措施對結構耐久性予以加強。

在不同使用條件與環境下，不同設計對象對結構提出的要求有所不同。無論規范如何詳細，都無法包括需要由設計人員自己考慮和解決的相關問題，而且無論規范更新的如何及時，也無法完全適應現階段各種新型材料、認識與技術。基于此，要想保證結構設計成果的可靠性與合理性，不僅要滿足技術規范提出的各項要求，對設計人員而言，還應對結構的本性作出正確的理解，然后結合自身經驗進行判斷。

3 保證橋梁設計結構耐久性與安全性的有效方法

3.1 注重結構耐久性

橋梁工程建造與使用時，必然會受到外部環境影響，除行車荷載外，還包括風力、地震和結構疲勞性等，并且橋梁結構所用材料具有的性能將隨著時間的推移不斷退化，使結構上不同部分產生劣化與損壞。比如，在大跨橋方面，我國從八十年代開始修建了很多斜拉橋，盡管現在并沒有產生很多倒塌及嚴重損壞案例，但很多都由于拉索耐久性差而反復更換，不僅對正常使用造成影響，而且造成一定經濟損失。

應注意，很多此方法問題和未能實施結構耐久性設計存在直接關系，促使人們開始認識到結構耐久性重要性。從橋梁病害實例可以看出，除工程施工與材料問題外，對結構耐久性有直接影響的主要因素為構造上存在缺陷，也就是設計上存在缺陷。

我國從九十年代就開始對結構耐久性給予重視，取得了一定成果。過去的研究將材料與統計分析作為重點，在怎樣從結構與設計兩個角度和怎樣使設計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，長時間以來相關工作人員都重視結構計算方法方面的分析與研究，忽視了對整個結構構造與細部處理進行的分析，耐久性設計和結構設計之間存在明顯區別，需要在耐久性設計方面進一步加強力度。

同樣，國外橋梁也存在因耐久性較差而產生的各類問題，對此，近幾年也對耐久性設計給予了高度重視，將保證結構耐久性視作需要嚴格遵守的原則，并對結構布局與構造細節進行統一考慮，強調確保結構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，創造更大經濟效益。無論國內還是國外相關研究與實踐成果均表明，對橋梁工程而言，其結構耐久性在很大程度上決定了橋梁運營安全性與經濟性。

3.2 加強疲勞損傷分析研究

橋梁結構體系承受的荷載均為動荷載，如風荷載與車輛荷載等，這些動荷載會在結構當中產生一定趨于變化的應力，除了會使結構產生振動，還會導致結構由于振動而產生疲勞性損傷。因橋梁工程所用材料并不完全是連續與均勻的，而且還有一些缺陷，所以在受到循環荷載持續作用后，這些缺陷將不斷發展，最終通過合并產生大的損傷，同時在材料當中產生可見的裂縫等宏觀損傷。若這些宏觀損傷未能得到控制與解決，將導致材料或整體結構產生斷裂。一般早期疲勞性損傷很難通過檢測發現，但它帶來的影響與后果通常是具有災難性的。

對于疲勞損傷，在過去始終被認為是橋梁設計主要問題之一，尤其是鋼橋，因鋼結構產生疲勞而導致結構開裂的現象有很多。雖然近幾年針對疲勞損傷的進行研究已經延伸到混凝土結構當中，而對使用過程中容易產生腐蝕現象的鋼混及純鋼結構，相應的研究力度還不足，仍需進一步加強。

對結構疲勞性損傷進行的研究除了對整體結構，還和某個關鍵位置由于局部疲勞而產生失效有關，因為局部失效還會造成整個結構發生失效。

3.3 注重橋梁超載

對于橋梁超載，主要存在以下三種情況：第一種情況為既有橋梁超齡負載；第二種情況為橋梁上實際通行量遠超設計要求；第三種情況為車輛違規超載。其中，第一種和第二種情況主要產生原因為設計荷載產生變化及交通量大幅增加，而第三種情況產生原因為車輛的車主違規超載運行。在我國，后兩種情況比較常見。

橋梁超載除了會使結構產生疲勞，還會增大疲勞應力，導致損傷加劇，甚至引起破壞事故。另外，因超載產生的損傷無法恢復，所以會使橋梁即便在正常情況下其工作狀態也會產生較大的變化，對橋梁結構耐久性與安全性造成影響。基于此，一方面交通管理部門必須提高管理力度，另一方面則要在設計中充分考超載可能產生的后果，在設計中予以適當的分析。

4 結束語

綜上所述，結構耐久性與安全性是橋梁工程設計需要注意的要點問題，但很多原因會導致橋梁設計的耐久性與安全性不足，對此，可通過對耐久性設計的重視、疲勞損傷分析的加強與橋梁超載問題的控制來有效解決，以此從根本上提高耐久性與安全性。