浅析桥梁工程设计中的安全性和耐久性问题

摘要：随着时代经济的高速发展， 人类所建造的各种大型工程结构物， 规模巨大， 结构复杂， 功能众多。这些工程的特点是: 投资巨大， 技术复杂， 环境影响严重， 袭击破坏机率增大和维修、养护、加固难度大， 一旦出现安全耐久性问题， 影响是非常大的。本文分析了桥梁安全性、耐久性差的主要原因，探讨了提高桥梁设计中的安全性和耐久性的措施。

关键词：桥梁设计；安全性；耐久性；原因；措施

中图分类号：U445文献标识码： A 文章编号：

近些年来， 国内发生不少桥梁倒塌的严重事故，造成很多不该有的人间悲剧。但调查分析结果表明，很多事故是因为设计不规范或施工不注意质量控制造成的。施工中的偷工减料、工程腐败，设计中的态度不严谨， 计算错误等等都是造成桥梁英年旱逝或出现安全隐患的重要因素。这些年来，桥梁的建设的情况如下:桥梁结构的安全问题虽受重视， 但各种事故依然经常发生，桥梁的耐久性常被忽视不管，隐藏着各种安全问题导火索，严重影响桥梁的寿命。

一、桥梁安全性、耐久性不足的危害

1、 巨额的经济损失。从桥梁建设经验中发现， 如果在桥梁的设计和建造时期没有很好地考虑梁的安全与耐久性， 将会在桥梁的运营和维护中付出惨重的经济代价。

2、严重的工程事故。国际上统计， 桥梁工程事故的80% 以上是由人为错误造成的， 这些人为错误主要反映在结构的安全、质量和管理的每个环节上。如果对发生病变的桥梁不及时加固维修或拆除， 将造成严重的工程或交通事故， 甚至有的在使用中因意外原因导致垮塌。

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

在承认施工存在问题的同时，也不可否认，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还有许多可以改进的地方，结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案。

2、工程施工质量管理达不到规范要求

随着多处桥梁事故的出现，桥梁安全性问题倍受人们关注，从已经发生的事故来看，多半与工程野蛮施工和管理腐败有关，同时也说明工程施工质量根本没有达到规范和设计要求，细分来说主要是工程材料选购不合格，强度不足和施工工艺不合格等，还有诸如偷工减料，以次充好等严重的管理问题，从而造成严重的桥梁安全问题。

3、施工和管理水平低

典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等，也有个别桥梁存在诸如偷工减料，以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致使的损害。而大量的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和劣化，特别是是一些桥梁在只使用了几年，甚至刚建成不久就出现了严重的构件开裂问题，这些施工牙的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。

三、提高桥梁设计中的安全性和耐久性的措施

1、应该更加重视结构的耐久性问题

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、风、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， 从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域， 国内从20世纪80年代以来， 修建了大量的斜拉桥;虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少， 但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索， 既影响了使用又增大了经济损失。

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来自构造上(也即设计上)的缺陷。国内从20世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究， 也取得了不少成果。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以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。而且， 长期以来， 人们一直偏重于结构计算方法的研究， 却忽视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常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。

国外的桥梁设计有鉴于耐久性不足导致的严重损失， 近年来十分重视提高结构物的耐久性并将其作为重要的设计原则， 统一考虑合理的结构布局和构造细节， 强调使结构易于检查、维修， 以保证桥梁的安全使用、尽可能地减少维修费用， 取得了较好的综合经济效益。实际上， 国内外的研究和实践都表明， 结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。

2、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变化的应力， 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。

疲劳损伤过去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20 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动态性能和疲劳性能的研究还需加强。对疲劳损伤的研究不仅仅指对整个结构而言， 事实上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳失效而导致整个结构的失效， 例如斜拉桥拉索锚固端的疲劳损害。

3、充分重视桥梁的超载问题

汽车超载主要有三种情况: 其一是早期修建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; 另一种是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量的增加; 后者是车辆使用者违法超载营运， 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， 将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， 但在汽车超载作用下， 可能发生开裂; 裂缝即使在荷载卸除后能够闭合， 但由于混凝土结构内部已经受到损伤， 构件的开裂弯距降低、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、创新设计方法

鉴于问题的严重性， 工程各方对耐久性都很关注。近年来一些施工方、监理方也经常和设计单位进行技术交流， 宣贯耐久性技术。如尝试与设计方一起在设计文件中对材料和防腐提出要求， 把设计与研究很好地结合起来， 而且针对具体工程根据其特定的环境与技术要求编制专用技术指南， 这种方法反映效果很好。还有， 在接手工程的技术支持工作之初， 先给业主、监理、施工各方的技术人员进行培训， 对混凝土性能等基本且关键的技术知识深入学习， 这样事前培训加现场指导的方式解决实际问题。还有很多诸如这些从实践中来的宝贵经验， 我们应该多交流学习， 不断改进创新设计方法。

总之，桥梁安全性和耐久性已成为迫切需要解决的问题， 我们应该积极借鉴国外成功的经验和做法， 除了加强施工质量管理外， 要从桥梁设计理念和结构体系和构造的角度做好耐久性的设计， 同时也需要研究疲劳和超载等因素对于桥梁结构耐久性的影响。

参考文献：

[1] 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，2007(28):376.

[2] 黄绍辉.小议路桥设计中的安全性和耐久性.四川建材，2007-04-18.