淺析路橋設(shè)計中的安全性和耐久性

 淺析路橋設(shè)計中的安全性和耐久性

　　【摘要】:我國公路橋梁正在擴(kuò)大規(guī)摸施工建設(shè)，許多情況卻面臨著嚴(yán)重的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和安全性問題，從而引發(fā)倒塌事故。這些不僅與施工不當(dāng)和管理不當(dāng)有關(guān)，也存在著設(shè)計中不關(guān)心橋梁安全性和耐久性的某些問題。本文淺析了橋梁設(shè)計中的安全性和耐久性問題，并提出改進(jìn)和努力的方向。

　　【關(guān)鍵詞】:橋梁;設(shè)計；耐久性;安全性

　　國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范對橋梁設(shè)計提出的要求是適用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀。但是設(shè)計中考慮的強(qiáng)度多而耐久性少，重視強(qiáng)度極限狀態(tài)不重視使用極限狀態(tài)，而機(jī)構(gòu)的整個使用周期中最重要的卻是使用時的性能表現(xiàn)，重視結(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護(hù)。實際上，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，既沒明確提出適用年限的要求，也沒有進(jìn)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)前工程事故的頻發(fā)、結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短的不良后果。下面從幾方面探討橋梁安全性耐久性差的原因。

　　一橋梁安全性、耐久性差的主要原因

　　1施工和管理水平低。

　　國內(nèi)外若干座橋梁的突然破壞與倒塌事故，已使工程界對橋梁耐久性、安全性問題倍加關(guān)注，施工過程中施工和管理水平欠規(guī)范(如野蠻施工和管理不當(dāng)?shù)?是造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的重要原因，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

　　施工質(zhì)量沒有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計要求，典型的問題包括原材料質(zhì)量低劣和施土工藝不合格等；個別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴(yán)重的管理問題；混凝土保護(hù)層厚度的控制不嚴(yán)，有些直接導(dǎo)致露筋；鋼筋未作防銹處理，其間距疏密不一，粗、細(xì)骨料分布不均勻，混凝土振搗不密實；施工現(xiàn)場嚴(yán)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(hù)不當(dāng)及預(yù)應(yīng)力施加不合理等;拆摸時間控制不好或支模、拆模方法不當(dāng)，也會引起早期裂縫。

　　另外，目前在市政行業(yè)的施工隊伍中很多由包工頭控制，水平普遍較低，加上低價中標(biāo)，施工質(zhì)量難以控制。這也是造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的一大原因。

　　2設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不夠完善

　　在承認(rèn)施工存在問題的同時,也不可否認(rèn)，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(jìn)的地方。結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是選擇經(jīng)濟(jì)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。

　　橋梁工程是一個由許多結(jié)構(gòu)件組成的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu),各結(jié)構(gòu)件不僅本身要有足夠強(qiáng)度和耐久性，而且組合到整個橋梁中也要滿足全橋安全性和耐久性，目前一些設(shè)計人員設(shè)計時考慮片面，結(jié)構(gòu)的整體性、安全和耐久性考慮不夠，造成有的結(jié)構(gòu)整體性延性不足，冗余度過小，有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大，強(qiáng)度要求過低，保護(hù)層厚度過小及構(gòu)件截面過薄和過大。這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性,會嚴(yán)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(qiáng)度要求,但僅用了5年～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(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。

　　有些設(shè)計人員用靜態(tài)思維去解決不斷進(jìn)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(xì)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)隨時間的劣化缺乏足夠的認(rèn)識和考慮。從經(jīng)濟(jì)性上講,考慮建造成本多,而忽觀了營運(yùn)的維護(hù)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)本性的正確認(rèn)識。豐富的經(jīng)驗和準(zhǔn)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(jìn)行全面綜合分析和計算,提高結(jié)構(gòu)的使用耐久性。

　　二需要改進(jìn)和努力的方向

　　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20世紀(jì)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(yán)重?fù)p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(jì)損失。

　　很多這類問題與沒有進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計有關(guān),這也促使人們重新認(rèn)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。

　　需要指出的是,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(xì)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。另外，除強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造時期的安全性、耐久性、整體牢固性的要求外，利用在使用期間的檢測、維修、加固的新技術(shù)，對不同工程結(jié)構(gòu)物的災(zāi)害和可接受的危險水平和評估進(jìn)行了深入研究，提出了耐久性設(shè)計的概念。結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計所要解決的問題也就是經(jīng)濟(jì)、合理的使用年限問題，即結(jié)構(gòu)壽命期問題�；�于解決夠耐久性設(shè)計的新設(shè)計理念認(rèn)為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設(shè)計、施工、運(yùn)營和維護(hù)各個階段共同努力的結(jié)果

　　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,這些微小缺陷會逐漸發(fā)展、合并形成損傷,并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋得不到有效控制,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,但其帶來的后果是災(zāi)難性的。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

　　橋梁超載主要有三種情況:(1)早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營;(2)橋梁通行的車流量超過原設(shè)計;(3)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(yùn),后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運(yùn)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)�出現(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。

　　4重視材料工藝水平設(shè)計

　　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（指與設(shè)計期望相比，可歸結(jié)為適用性能差，包括橋梁的過大振動、線形不平順、接頭跳車、結(jié)構(gòu)開裂和過大的變形等）、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護(hù)費(fèi)用高、安全事故較頻繁等）。這些問題的產(chǎn)生固然與目前國內(nèi)施工質(zhì)量和管理水平較低有關(guān)，但平心而論，既然這種現(xiàn)狀不能在短期內(nèi)得到解決，那么作為工程設(shè)計人員就應(yīng)該在正視這一問題的前提，充分考慮到現(xiàn)階段的施工和管理水平和材料工藝水平，采用適當(dāng)?shù)陌踩�度、適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法來保證橋梁使用性能的達(dá)到，這才是更為主動和有效的方法。

　　綜合上述，橋梁安全性和耐久性是一項系統(tǒng)工程，作為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，應(yīng)綜合考慮才使得設(shè)計真正的合理、經(jīng)濟(jì)、安全、耐久，這些不僅要積極借鑒國外成功的經(jīng)驗和做法,還必須認(rèn)真的總結(jié)找出更適合國情的一套設(shè)計方法和管理經(jīng)驗,從公路橋梁設(shè)計以及結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度等；做好耐久性和安全性�！　�