论公路桥梁设计中的安全性和耐久性

【摘要】

本文对公路桥梁结构的安全性和耐久性的概念做了简单介绍，对公路桥梁的缺乏安全性和耐久性的主要原因做了详细的分析．并针对这些原因作出了具体的整改方案。

【关键词】

在中国现阶段的结构设计过程中，设计人员考虑其使用性多而考虑其其安全性少，考虑其强度多而考虑耐久性少；目前，在桥梁的设计中，对于安全性和耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，并没有针对其安全性和耐久性进行专门的整改研究，这就在在一定程度上导致了工程事故频发、人们的生命安全得不到保障、结构使用性能差、使用寿命短等不良后果。

一、桥梁结构的安全性及耐久性的基本概念

桥梁结构的安全性是结构防止破坏倒塌的能力，是结构工程最重要的质量指标。结构工程的安全性主要决定于结构的设计与施工水准，也与结构的正确使用、维护、检测密切相关。

桥梁结构的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能包括结构的安全性和结构的适用性，而且更多的体现在使用性上。

二、桥梁安全性、耐久性差的主要原因

1）设计理论和结构构造体系不够完善

桥梁结构设计的首要任务就是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以确保恒结构的安全性。但在实际工作中，在桥梁设计领域特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题上存在以下问题：

（1）设计人员只满足于规范结构强度计算上的安全需要，而忽视对结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性的关注。

（2）在桥梁设计、施工到使用的全部过程中经常出现的主观意识上的错误，比较普遍的有：对结构整体性和延性把握不足，计算图式和受力路线不明确，混凝土强度等级过低、保护层厚度小、钢筋直径过细、构件截面过薄等等，这些都消弱了结构耐久性，严重影响结构的安全性。

2）施工和管理水平低

桥梁的突然破坏与倒塌，已经使工程界对桥梁安全性问题备受关注。一般认为：工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。而在短期内发生的突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求。例如：材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在偷工减料、以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。

然而桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出现了影响正常使用的病害与劣化；特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题，这也与施工质量低下有重要的关系，例如：钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题其主要原因包括：水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但是却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。

整改方案：

1）合理的选择设计方案

合理的结构设计方案，可以有效提高桥梁的安全性和耐久性。桥梁的结构设计形式主要分为大跨度桥和标准跨径桥。大跨径桥梁由于控制因素不同方案也各自不相同，具有较强的个性特征，而标准跨径桥则更多的是具有共同特征。在实际工作当中，很少采用大跨径桥梁的设计方案，标准跨径桥因为具有施工方便、造价经济的标准化、预制装配等诸多优点应用最为广泛。

2）在设计过程中，科学使用材料

钢筋混凝土的质量和合理使用对桥梁的安全性具有极其重要的作用。钢筋混凝土的质量直接影响到结构的使用性、安全性和耐久性。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成，其中水灰比、水泥用量、强度等级均对耐久性有较大影响。

提高混凝土结构耐久性最关键是以下两个方面：一是加大钢筋混凝土保护层，保护钢筋免于锈蚀；二是防止和控制混凝土的裂缝，除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝外，更重要的是要采取构造措施，从根本上控制混凝土施工及使用过程非工作裂缝的大量出现。

3）重视桥梁结构耐久性

桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀，并要承受车辆、凤、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，从而导致结构个部分不同程度的损伤和劣化。

需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。大量的病害实例也证明，除了施工和材料方面的原因，影响结构耐久性的决定性因素是在设计上的缺陷。

我国针对这些缺陷进行了不少研究，取得了良好的成果。这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度及如何设计和施工人员易于接受的操作方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。而且，长期以来，人们一直篇重于结构计算方法的研究，却忽略了对总体构造和细节处理方面的关注，结构的耐久性设计与行规的结构设计有着本质的区别，目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。

3）杜绝超载问题

汽车超载主要有三种情况：其一是早期修剪的老桥超龄负载运营；其二是桥梁通行的车流量超过原设计；其三是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量地增加；后者是车辆使用者违规超载运营，后两种超载现象在我国公路运输中较为普遍。

桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧、甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，经使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。例如，混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但是在汽车超载作用下，可能发生开裂弯距降低、刚度下降；于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形。这些都会对结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响，因此除了交管部门要加强管理外，也需要对超载带来的后果进行研究、分析。

4）积极借鉴国外的经验和成果

国内桥梁设计存在的主要问题时接否正常使用性能差、耐久性和安全性差。这些为题的产生固然与目前国内施工质量和管理水平有关，但平心而论，既然这种现状不能再短期内得到解决，那么作为工程设计人员就应该在正视这一问题的前提，充分考虑到先阶段的施工和管理水平和材料工艺水平，采用适当的安全度、适当的设计方法来保证桥梁使用性能的达到，这才是更为主动和有效的方法。特别是桥梁存在的耐久性和安全性问题很多与结构体系或使用材料选择不合理及结构细节处理不当有关。

5）重视对疲劳损伤的研究

桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环编后话的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。

由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。

在过去，疲劳损伤一直被认为是钢桥设计中的核心问题，由钢结构疲劳引起的钢材开裂案例较多，亦有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的例子。近年来，疲劳损伤的研究已进入混凝土结构，但对于使用期受腐蚀的钢筋混凝土构件的东塔性能和疲劳性能的研究还需加强。

路桥梁安全及耐久性不仅仅是一个经济问题,也是一个社会问题,更是一个严肃的政治问题。我们需要从各个环节抓起，使其与与国际结构工程界日益重视安全性、耐久性、适用性的趋势接轨，符合结构动态和综合经济性的要求。

参考文献：

【1】吴培峰;基于全寿命设计方法的梁式桥概念设计研究[D];同济大学;2007年

【2】敬大德;在役RC桥梁基于可靠度的耐久性分析[D];长安大学;2006年

【3】王春剑;;公路桥梁设计中的安全性和耐久性探讨[J];科技信息(科学教研);2007年28期

【4】钟丽清;杨占雄;;桥梁设计中存在的安全耐久性问题及对策研究[J];湖南交通科技;2010年01期