改善橋梁耐久性的措施研究

摘要 隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)于橋梁耐久性問(wèn)題應(yīng)有未雨綢繆的思考，因而對(duì)其進(jìn)行研究和采取相應(yīng)的措施就應(yīng)格外予以重視。其本質(zhì)是在注意到“量”的同時(shí)，必須注意結(jié)構(gòu)物“質(zhì)”的飛躍和發(fā)展。如果在現(xiàn)在的大規(guī)模建設(shè)中，不認(rèn)真考慮結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題，勢(shì)必給將來(lái)帶來(lái)不良的苦果。所以在這里本文針對(duì)橋梁耐久性差的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并提出了今后需要改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞 橋梁設(shè)計(jì)；耐久性差；原因

目前的橋梁設(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(méi)有明確提出使用年限的要求，也沒(méi)有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)。這些傾向在一定程度上導(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(guó)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。

一、國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題

橋梁具體的設(shè)計(jì)過(guò)程按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來(lái)進(jìn)行。前者是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能力臨界狀態(tài)時(shí)的承載能力、設(shè)計(jì)的基本原則是要求荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值，必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)值。利用荷載安全系數(shù)，材料安全系數(shù)及工作條件系數(shù)來(lái)考慮不確定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲(chǔ)備，是一個(gè)半概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法?？梢哉J(rèn)為是對(duì)安全性要求的保證。后者控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時(shí)應(yīng)力、裂縫和變形小于一定的限值，對(duì)應(yīng)于適用性的要求。

暫且不論這些控制方程和計(jì)算理論是否完全合理，它們至少?gòu)亩ㄐ院投康男问缴媳ＷC了安全性和適用性兩項(xiàng)要求，而對(duì)于經(jīng)濟(jì)、美觀的要求則沒(méi)有具體的指標(biāo)進(jìn)行衡量。當(dāng)然，在方案設(shè)計(jì)和評(píng)審階段會(huì)考慮到經(jīng)濟(jì)和美觀的要求(中小橋梁主要關(guān)注經(jīng)濟(jì)性，而大型和特大型橋梁對(duì)美觀問(wèn)題越來(lái)越重視)；但需要指出的是該階段對(duì)經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估往往是只注重考慮建設(shè)成本，而對(duì)于后期的養(yǎng)護(hù)、維修等的長(zhǎng)期綜合成本缺乏考慮，因此這種評(píng)估經(jīng)常是比較片面的。

二、橋梁耐久性差的主要原因分析

1、施工和管理水平低

國(guó)內(nèi)外多座橋梁的突然破壞與倒塌，已使工程界對(duì)橋梁安全性問(wèn)題倍加關(guān)注。一般的看法認(rèn)為當(dāng)前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導(dǎo)致。對(duì)于短期內(nèi)發(fā)生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質(zhì)量沒(méi)有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，典型的問(wèn)題包括材料強(qiáng)度不足和施工工藝不合格等；也有個(gè)別橋梁存在諸如榆工減料、以次充好等嚴(yán)重的管理問(wèn)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(méi)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與劣化；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(wèn)題，這也與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問(wèn)題有鋼筋保護(hù)層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場(chǎng)的嚴(yán)重的構(gòu)件開裂問(wèn)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)。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(zhǎng)期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。

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

在承認(rèn)施工存在問(wèn)題的同時(shí)，也不可否認(rèn)，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(wèn)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)件和連接的設(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(guò)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?。挥械挠?jì)算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過(guò)大；有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過(guò)低、保護(hù)層厚度過(guò)小、鋼筋直徑過(guò)細(xì)、構(gòu)件截面過(guò)??；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?wèn)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(shí)的一個(gè)安全問(wèn)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(wèn)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。

三、橋梁設(shè)計(jì)耐久性的改進(jìn)方向

1、應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題

橋梁在建造和使用過(guò)程中，一定會(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(lái)作用，同時(shí)橋梁所采用材料的自身性能也會(huì)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(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代以來(lái)，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?yàn)槔鞯哪途眯詥?wèn)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。

需要指出的是，很多這類問(wèn)題與沒(méi)有進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計(jì)有關(guān)，這也促使人們重新認(rèn)識(shí)橋梁的耐久性問(wèn)題。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(lái)自構(gòu)造上(也即設(shè)計(jì)上)的缺陷。

國(guó)內(nèi)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。這些研究大多是從材料和統(tǒng)計(jì)分析的角度進(jìn)行的，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(lái)改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直偏重于結(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。

2、重視對(duì)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(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。如果宏觀裂紋不得到有效控制，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(cè)到，但其帶來(lái)的后果往往是災(zāi)難性的。

疲勞損傷過(guò)去一直被認(rèn)為是鋼橋設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)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(lái)，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)。

對(duì)疲勞損傷的研究不僅僅指對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，事實(shí)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(gè)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(wèn)題

汽車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營(yíng)；其二是橋梁通行的車流量超過(guò)原設(shè)計(jì)；另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計(jì)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(yíng)運(yùn)，后兩種超載現(xiàn)象在我國(guó)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(wèn)題。超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(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。

橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問(wèn)題，要積極借鑒國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)和做法，除了加強(qiáng)施工質(zhì)量管理外，要從橋梁設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度做好耐久性的設(shè)計(jì)。同時(shí)需要研究疲勞和超載對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響。