淺析橋梁設(shè)計(jì)中耐久性能問題及其對(duì)策

 淺析橋梁設(shè)計(jì)中耐久性能問題及其對(duì)策

　　摘要：隨著我國的橋梁事業(yè)的迅速發(fā)展，耐久性能問題已經(jīng)是橋梁設(shè)計(jì)中的一個(gè)常見問題，本文主要對(duì)影響耐久性能的因素進(jìn)行探討，提出了如何提高橋梁設(shè)計(jì)中耐久性能的措施�！�

　　關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì)，耐久性能問題，對(duì)策　

　　橋梁設(shè)計(jì)中的耐久性問題已經(jīng)是其業(yè)界的常見問題，對(duì)此，應(yīng)該引起足夠的重視。目前在國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，過多的重視強(qiáng)度而耐久性卻重視較少，重視強(qiáng)度極限狀態(tài)而忽略使用極限狀態(tài)，然而使用時(shí)的性能表現(xiàn)恰恰是結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期中最重要的，因此，重視結(jié)構(gòu)的建造的同時(shí)也要重視結(jié)構(gòu)的維護(hù)。當(dāng)前的橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)。然而正是由于這些問題，在一定程度上導(dǎo)致了當(dāng)前工程事故頻發(fā)、結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短的不良后果，也與國際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢(shì)相違背，也不符合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)和綜合經(jīng)濟(jì)性的要求。這就要求我們對(duì)橋梁設(shè)計(jì)中的問題認(rèn)真探索，找出解決問題的方法�！　�

　　1 影響耐久性能的主要因素

　　（1） 施工和管理水平低

　　橋梁的突然破壞與倒塌已經(jīng)引起工程界對(duì)橋梁安全性問題的重視。普遍認(rèn)為當(dāng)前的工程事故主要是由施工和管理水平低下所導(dǎo)致。如果施工質(zhì)量沒有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,材料強(qiáng)度不足和施工工藝不合格，偷工減料、以次充好等問題都會(huì)使工程在短期內(nèi)發(fā)生諸如突然破壞與倒塌的問題，更是對(duì)橋梁安全造成致命的損害。而大量的橋梁在遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期使用壽命時(shí),出現(xiàn)了影響正常使用的病害;特別是一些橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴(yán)重的耐久性不足的問題,典型的問題有鋼筋保護(hù)層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴(yán)重的構(gòu)件開裂問題，主要原因是水泥選用、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。這些施工上的缺陷雖然短期不會(huì)對(duì)橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響,但卻會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害。　

　�。�2）設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不夠完善

　　在橋梁設(shè)計(jì)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(jì)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)件連接的設(shè)計(jì)，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。許多設(shè)計(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性，有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性小；有的計(jì)算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄，這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，會(huì)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(jì)規(guī)范的強(qiáng)度要求，僅用了5-10年就因?yàn)槟途眯猿隽藛栴}影響結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實(shí)的一個(gè)安全問題，設(shè)計(jì)時(shí)要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。不同的環(huán)境和使用條件、不同的設(shè)計(jì)對(duì)象都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體系提出不同的布局和構(gòu)造等方面的要求。規(guī)范再詳細(xì)也不能包羅本應(yīng)由設(shè)計(jì)人員解決的各種問題，規(guī)范更新得再快也適應(yīng)不了新認(rèn)識(shí)、新技術(shù)、新材料快速發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)提出的各種新的要求，因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了滿足規(guī)范的要求外，還要求設(shè)計(jì)人員具有對(duì)結(jié)構(gòu)本性的正確認(rèn)識(shí)、豐富的經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)確的判斷。

　　（3）橋梁維護(hù)缺乏全面系統(tǒng)管理

　　橋梁維護(hù)方面沒有及時(shí)的全面系統(tǒng)管理，不能有效地對(duì)橋梁的全壽命過程進(jìn)行管理，也是影

　　響橋梁耐久性的重要因素。橋梁維修大多要到出了事故或不得不維修時(shí)才進(jìn)行，錯(cuò)過維修的最佳時(shí)間，其維修效果也不佳。應(yīng)把整個(gè)地區(qū)的橋梁作為一個(gè)系統(tǒng)工程來研究，在財(cái)力一定的前提下，統(tǒng)籌考慮、合理安排橋梁維修。

　�。�4）環(huán)境對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響

　　橋梁的施工及使用也受環(huán)境的影響，混凝土的抗拉強(qiáng)度大約只是其抗壓強(qiáng)度的10%，由于早期的水化熱影響、干縮應(yīng)變反應(yīng)強(qiáng)烈，加上環(huán)境溫度、濕度、日曬雨淋、沖擊荷載的影響，混凝土結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生裂縫。開裂后，由于水分子、氯離子的侵入，導(dǎo)致鋼筋表面的鈍化膜被破壞，從而使鋼筋腐蝕，破壞了鋼筋表面與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力，其直接后果是鋼筋與混凝土不能很好的協(xié)同工作�；炷�土構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度逐漸削弱，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性破壞。

　　2 提高耐久性性能的對(duì)策

　�。�1）必須重視對(duì)橋梁損傷

　　橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載,會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力,不但會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng),還會(huì)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(shí)際上存在許多微小的缺陷,在循環(huán)荷載作用下,這些微缺陷會(huì)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(huì)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,但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。疲勞損傷過去一直被認(rèn)為是鋼橋設(shè)計(jì)中的核心問題,由鋼結(jié)構(gòu)疲勞引起的鋼材開裂案例較多,亦有不少因疲勞斷裂引起橋梁垮塌的例子。近20年來,疲勞損傷的研究已進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu),但對(duì)于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動(dòng)態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強(qiáng)。　

　�。�2）必須重視結(jié)構(gòu)的耐久性

　　由于橋梁在建造和使用過程中會(huì)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(shí)橋梁所采用材料的自身性能也會(huì)不斷退化,因此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。近三十年以來,在大跨橋梁領(lǐng)域修建了大量的斜拉橋，雖然出現(xiàn)倒塌或嚴(yán)重?fù)p害的現(xiàn)象很少,但已經(jīng)有多座橋梁因?yàn)槔�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。類似問題很多，一方面主要是由于沒有進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計(jì),大量的病害實(shí)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設(shè)計(jì)及構(gòu)造上的缺陷。從上世紀(jì)90年代開始重視了對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的研究,也取得了不少成果。但是這些研究大多是從材料和統(tǒng)計(jì)分析的角度進(jìn)行的,很少有人對(duì)如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的角度及如何以設(shè)計(jì)和施工人員易于接受和操作的方式來改善橋梁耐久性研究。長期以來,人們又一直偏重于結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的研究,卻忽視了對(duì)總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著本質(zhì)的區(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發(fā)展。國外的橋梁設(shè)計(jì)有鑒于耐久性不足導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p失,近年來十分重視提高結(jié)構(gòu)物的耐久性并將其作為重要的設(shè)計(jì)原則,統(tǒng)一考慮合理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié),強(qiáng)調(diào)使結(jié)構(gòu)易于檢查、維修,以保證橋梁的安全使用、盡可能地減少維修費(fèi)用,取得了較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際上,國內(nèi)外的研究和實(shí)踐都表明,結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)于橋梁的安全運(yùn)營和經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用。