小议路桥设计中的安全性和耐久性

摘要：国内经济和交通的飞速发展,我国正处在大规模建设桥梁时期,同时我们也应该意识到影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂,贯穿设计、施工、维修保养每一个具体环节,我们作为桥梁设计人员,桥梁的安全性和耐久度问题在设计中必须加以重视,工作中应积极借鉴国外成功的经验和做法,从桥梁构造、结构体系和设计理念的角度将耐久安全性的设计研究工作做好。

关键词：路桥设计安全性耐久性原因措施

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

在桥梁具体的设计过程中, 按承载能力和正常使用两种极限状态来进行。前者是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力、设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值, 必须小于或等于结构抗力的设计值。利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备, 是一个半概率的极限状态设计法, 可以认为是对安全性要求的保证。后者控制结构在正常使用状态时应力、裂缝和变形小于一定的限值, 对应于适用性的要求。

暂且不论这些控制方程和计算理论是否完全合理, 它们至少从定性和定量的形式上保证了安全性和适用性两项要求, 而对于经济、美观的要求则没有具体的指标进行衡量。当然, 在方案设计和评审阶段会考虑到经济和美观的要求( 中小桥梁主要关注经济性, 而大型和特大型桥梁对美观问题越来越重视); 但需要指出的是该阶段对经济性的评估往往是只注重考虑建设成本, 而对于后期的养护、维修等的长期综合成本缺乏考虑, 因此这种评估经常是比较片面的。一个典型的例子是斜拉桥的换索问题。由于目前技术水平的限制, 斜拉桥拉索的平均使用寿命在20~ 30年之间, 也就是在其服役期期间至少要进行一次换索, 如果考虑到后期换索的巨大投入, 那么在跨度1 000 m 以下的桥型竞争中, 悬索桥与斜拉桥在经济性方面的差距将大大减小。

现在, 国内的结构设计过程中, 有这样的倾向: 设计中考虑强度多而考虑耐久性少; 重视强度极限状态而不重视使用极限状态, 而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现; 重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上, 目前的桥梁设计中, 对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注, 既没有明确提出使用年限的要求, 也没有进行专门的耐久性设计(从材料、结构措施及设计程序上保证耐久性, 并明确声明在何种维护和使用条件下, 桥梁具有哪种程度的耐久性) 。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果; 也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背; 也不符合结构动态和综合经济性(考虑结构建设、使用、维护等整个周期的费用)的要求。

一、路桥设计安全性、耐久性差的原因分析

1、施工和管理水平低

国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁安全性问题倍加关注。一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，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命的损害。

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关系，典型的问题有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（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，但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。

2、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，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保证结构的安全性。

许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强度要求，仅用了5～10 年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题，设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。

不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此，合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外，还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。

二、提高路桥安全性、耐久性的措施

1、加强对桥梁寿命期的理解。我国在工程建设方面, 将逐步从最初的单纯设计满足载荷强度的设计原则转变到既满足载荷强度需求又满足桥梁寿命需要的设计思路。符合国际上造桥对寿命期的要求。加强桥梁使用寿命的理解, 应首先要研究确定结构重要性的方法。例如,一般我国设计的公路桥梁若不是高速公路则只需设计50年寿命, 而高速公路或其他造价较高的桥梁设计时则需100年甚至要150年。但这些寿命来源并不可靠,需经过大量模拟实验证明。寿命期定后桥梁建设的规划、设计、施工、运行(包括养护、维修、管理)也需要综合考虑,以便修建的桥梁寿命在预想之中。

2、对桥梁结构耐久性的设计和现场的施工应减轻甚至隔绝环境因素对混凝土和钢筋的影响。特别在靠近氯离子侵蚀严重的海边, 其环境因素对桥梁的影响后果更不容忽视。桥面应有一定的坡度或设置排水管道, 在混凝土桥面板与路面层之间设置可靠防水层,防止水向下渗漏,造成环境对桥梁的破坏后果。

3、重视桥梁疲劳损伤问题的研究。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, 实际上还存在有许多微小的缺陷,在循环荷载作用下,这此微小缺陷会逐渐发展、合并形成损伤,并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果这些宏观裂纹得不到有效控制,极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。旱期疲劳损伤往往不易被检测到,但其带来的后果是灾难性的。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。

4、借鉴国外的优秀经验和成果。国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差, 例如桥梁的线形不平顺、振动过大、接头易跳车、结构开裂和变形过大等。而国内桥梁的耐久性和安全性也比较差。对于桥梁出现的这些问题, 我们应认真考虑国外有关桥梁方面的技术,应认真研究其优秀的设计和施工经验。例如欧洲国家对结构物的性能设计经验, 包括对结构的变形、裂缝的处理,消除或减小振动的方法等, 这些设计都将加强桥梁的安全性和耐久性的设计。

参考文献：

[1] 程智,陈云峰.提高公路桥梁安全性的设计方法[J]. 科技咨询导报. 2007(21)

[2] 张勤功.桥梁设计耐久性较差的原因分析[J]. 今日科苑. 2007(06)

[3] 薛贵山,王军.桥梁设计耐久性较差的原因分析[J]. 科技创新导报. 2008(17)

[4] 李青云.桥梁设计中耐久性的几点思考[J]. 中国新技术新产品. 2010(18)