公路橋梁設計的安全性和耐久性研究

蔣仕明

（懷化市交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 懷化 418000）

國內現行相關規范針對橋梁設施的設計提出了關于適用性、經濟性、安全性與美觀性等方面的要求，幾乎涵蓋了人們真正關心的所有問題。在實際的設計工作中，主要按照承載力與正常使用這兩個狀態，其中，前者指的是對即將喪失服務能力的實際狀態下對承載能力進行控制，其設計基本原則為荷載效應對應的最不利組合不能超過結構抗力。根據荷載、材料與實際工作條件的安全系數，綜合考慮各類因素共同作用下結構體系安全儲備，屬于極限狀態法，主要保證的是設計安全性。而后者是指對正常使用狀態下的結構應力及裂縫與變形等進行控制，使其處在一定限度之內，主要保證的是設計適用性。

1.橋梁安全性及耐久性概述

無論控制及計算方法合理與否，它們都將保證設計安全性及適用性作為出發點，但對經濟性與美觀性方面的要求并沒有提出明顯指標。當然，在橋梁工程的方案設計及評審過程中勢必會對經濟性與美觀性方面的要求予以考慮，比如中小型橋梁大多關注經濟性，而大型及特大型橋梁大多關注美觀性，但有必要提出，方案設計及評審兩個階段針對經濟性進行的評估通常只考慮建設過程中的成分，未能考慮養護維修方面的成分，所以這種評估較為片面。最典型的案例就是斜拉橋換索，如圖1所示，因受到技術水平的影響與限制，拉索使用壽命一般不超過30年，而橋梁服役期限基本都超過30年，所以在斜拉橋正常服役過程中，至少需要更換一次拉索，若在橋梁建設階段就考慮這方面投入，則在跨度小于1000m的橋梁競爭當中，斜拉橋將失去經濟性優勢，和懸索橋之間的差距將被進一步拉大，懸索橋如圖2所示[1]。

圖1 斜拉橋拉索構造

圖 2 懸索橋

在當前的橋梁結構設計工作中，普遍存在這樣這一傾向：在設計過程中過多考慮強度，而沒有充分考慮耐久性；注重強度極限狀態，沒有對使用極限狀態引起足夠的重視，而對于橋梁而言，其在整個壽命周期當中最為重要和關鍵的卻是使用過程中各項性能的具體表現；注重結構施工，沒有對結構維護引起重視。事實上，當前的橋梁工程設計工作，針對耐久性的認識還停留在一種概念的層次，不僅未能提出具體的使用年限，而且沒有開展專項設計，即在材料、結構與程序上保證橋梁耐久性，同時提出在哪些條件下橋梁需要具備何種耐久性。以上傾向在很大程度上提高了事故發生概率，使建成后的結構，其使用性能變差，導致使用壽命縮短；和國際上日益追求耐久性及安全性的做法相違背；同時這樣也無法適應結構動態及綜合經濟性提出的要求。

2.橋梁安全性及耐久性較差的原因

2.1 橋梁的施工與管理水平相對較低

大量橋梁破壞實例引起了業界對橋梁工程安全性的重視。普遍認為導致事故發生的主要原因為野蠻施工與管理不當。針對短期內就產生的事故，大多是因為施工質量不合格引起的，常見問題有材料強度不滿足要求與所用施工工藝不符合要求等；還有一些橋梁工程存在偷工減料和材料以次充好等實際問題，給橋梁安全帶來很大的威脅[2]。

很多橋梁都在沒有達到預期壽命時就產生了對其正常使用有影響的病害或劣化；尤其是有些橋梁僅使用了短短幾年就產生了耐久性不足，這自然和施工質量不滿足要求存在直接關系，常見問題包括鋼筋保護層厚度較小和構件開裂等。以上施工方面的缺陷盡管在短時間內并不會影響橋梁使用，但必定會對橋梁長時間使用中耐久性造成很大影響。

2.2 相關設計理論及結構構造體系還有待于進一步完善

在認識到施工方面存在的各類問題基礎上，橋梁設計，尤其是與橋梁施工與使用過程中安全性有關的問題也存在一些亟需改進和優化的地方。對于結構設計工作，其首要任務在于選擇適宜的結構方案，然后是要做好結構分析及構件與其連接的專項設計，同時選取規范提出的安全系數確保結構安全性。大部分設計人員都通常只注意滿足相關規范針對結構強度提出的要求，并沒有充分考慮整個結構體系、構造、材料、維護、耐久性，也未能從整個過程入手分析經常產生的錯誤。某些結構缺乏整體性與彈性，在冗余性上遠遠不足；還有一些計算圖式與受力路線比較模糊，導致局部受力超出可承受的極限；以上都會影響到結構耐久性，進而對結構安全性造成威脅。很多橋梁雖然可以滿足規范及設計提出的強度要求，但只使用了不超過10年的時間就由于耐久性問題的發生而對結構安全造成影響。可見，耐久性不足是一個重要的安全問題，在設計過程中需要從不同的角度入手采取有效措施保證結構耐久性。在不同環境及使用條件下，每個對象的結構體系布局均不同，對構造也提出了完全不同的要求。即便規范詳細，也不可能涵蓋設計中發生的所有問題。因此，結構設計不僅要滿足相關規范提出的要求，而且設計人員還要對結構本性有正確的認識，具備豐富的經驗，從而做出準確判斷[3]。

3.橋梁設計中保證安全性及耐久性的建議

3.1 對橋梁結構耐久性引起高度重視

橋梁建造與使用時，必定受到各方面因素的影像，而且還要承受外來作用，橋梁建造時使用的材料不斷老化，使結構不同部分產生損傷及劣化。對于大跨橋梁，我國從八十年代開始到現在修建了很多斜拉橋，盡管截至目前并沒有出現很多倒塌的案例，但很多橋梁都由于拉索耐久性不足而提前更換，這不僅會影響到正常使用，而且還會造成一定程度的經濟損失。

應注意的是，很多此類問題都和未能做好耐久性設計存在一定關聯，這使得人們開始重視耐久性問題。另外，根據病害實例同樣可以看出，除施工與材料因素外，對結構耐久性有影響的因素還包括構造上存在缺陷，而構造上的缺陷，實際上就是設計上的缺陷[4]。

我國從九十年代就開始著手進行耐久性分析及研究，目前已經取得了很多成果。這些分析及研究都是從材料角度入手采用統計分析方法進行的，還未能從結構與設計兩個角度研討如何采用方便人員操作、便于人員理解的方法來提高結構耐久性。此外，長時間以來，人們習慣將結構計算方法作為研究的重點，未能對總體構造及細節處理引起重視。耐久性設計和常規設計存在很大區別，在今后的工作中應致力于從定性分析轉變為定量分析。

3.2 高度重視疲勞損傷方面的研究

橋梁使用時所受到的荷載均為動荷載，這些荷載會在結構當中產生處在變化狀態的應力，除了會使結構產生振動，還會導致結構產生累積疲勞損傷。因橋梁建造時使用的材料不是連續且均勻的，存在一些微小缺陷，受循環荷載作用后，再小的缺陷都會發展或合并，產生損傷，最終變成宏觀的病害。若這些宏觀的病害沒有得到有效處治與控制，將導致材料或結構產生脆性斷裂。一般情況下，早期疲勞損傷很難被檢測發現，但它造成的后果卻是十分嚴重的，甚至是災難性的。

在鋼橋設計中，疲勞損傷一直以來都是個核心問題，因鋼結構疲勞產生的開裂并不少見，也有很多由于疲勞斷裂而產生垮塌事故的案例。近幾年，對疲勞損傷開展的分析及研究已經開始進入到混凝土結構領域，而對于使用過程中受腐蝕的鋼筋混凝土構件的動態性能與疲勞性能分析還需要進一步加強。對疲勞損傷進行的分析及研究并非只針對整個結構，橋梁結構經常因為某些關鍵位置產生疲勞失效導致結構失效[5]。

3.3 提高對橋梁超載問題的關注程度

對于汽車超載，可分成以下三種情況：第一，舊橋超齡負載；第二，橋梁通行實際車流量遠超原設計；第三，違規超載。對于前兩者，其產生原因以設計荷載變化與交通量增加為主，第三種在實際的公路運輸中屬于一種十分常見的情況。橋梁超載會引發疲勞問題，導致疲勞應力大幅增加，使損傷加劇，嚴重時還會造成結構破壞。此外，超載引起的損傷往往難以恢復，導致橋梁在正常使用情況下工作狀態產生變化，對橋梁安全性及耐久性造成影響。比如，對于混凝土橋梁而言，一直被人們視作一種耐久性很好的橋梁，而在汽車超載影響下，也會產生裂縫；即便卸載卸除之后裂縫可以閉合，但因為結構已經被損壞，所以構件剛度已經明顯下降；在這種情況下，處于正常使用荷載狀態時，可能不會產生裂縫的結構也會產生裂縫或遠超規范要求的變形。顯然，這會給結構性能與耐久性造成很大影響，一方面要切實加強管理，另一方面則要加強對超載后果的分析與研究。

4.結語

橋梁安全性與耐久性不足已經成為一項必須有效解決的問題，不僅要切實加強橋梁施工過程中的控制和管理，還要從設計理念、結構體系及構造等角度入手保證橋梁結構的耐久性。除此之外，還應深入分析并明確結構疲勞及超載可能對橋梁耐久性和安全性造成的影響。