對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)安全的探討

羅昌維，楊福基

（1. 深圳高速工程顧問(wèn)有限公司，廣東 深圳 518000；2. 重慶市渝達(dá)公路橋梁有限責(zé)任公司，重慶 402160）

1 前言

近些年來(lái)，我國(guó)公路工程的建設(shè)規(guī)模不斷發(fā)展壯大，各種公路工程施工任務(wù)逐漸增多，而公路橋梁工程的建設(shè)也隨之占據(jù)越來(lái)越多的分量。橋梁工程的質(zhì)量好壞評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是：是否具有其應(yīng)有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性。而公路橋梁在建設(shè)和運(yùn)用過(guò)程中，除了受環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的破壞以外，還要承受過(guò)往車輛、風(fēng)、疲勞、超載或人為等因素的影響，同時(shí)橋梁本身采用的材料也在不斷發(fā)生退化現(xiàn)象，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生不同程度的損壞和劣化。因此橋梁的設(shè)計(jì)是決定橋梁的安全性和耐久性的重要因素。

2 橋梁設(shè)計(jì)安全的構(gòu)成

橋梁的安全性和耐久性是橋梁設(shè)計(jì)者永遠(yuǎn)追求不變的宗旨。所謂安全性是指結(jié)構(gòu)防止破壞倒塌的能力，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力和結(jié)構(gòu)的整體牢固性上。耐久性是指結(jié)構(gòu)抵抗外界環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)侵蝕的能力。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)的安全性

橋梁結(jié)構(gòu)的安全性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的整體牢固性和構(gòu)建的承載能力兩個(gè)方面：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)的整體牢固性是指結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)與其原因不相稱的破壞后果，即在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部破壞的情況下，避免發(fā)生大范圍連續(xù)破壞倒塌的能力。結(jié)構(gòu)安全性良好的橋梁，依靠結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)良的延性和必要的冗余度，在對(duì)付地震、爆炸等災(zāi)害或因人為差錯(cuò)導(dǎo)致的災(zāi)難方面，能夠發(fā)揮較大作用，有效減輕災(zāi)害損失。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力是指橋梁結(jié)構(gòu)具有的承受車輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來(lái)作用的能力。負(fù)荷超載，是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的最大威脅，主要體現(xiàn)在以下兩方面：①時(shí)間的超負(fù)荷或超載，會(huì)使橋梁應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞事故；②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。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性

在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范中，人們往往把重點(diǎn)放在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，而對(duì)環(huán)境因素作用下的耐久性要求則相對(duì)考慮較少，實(shí)際上這樣做存在很大的弊端。因?yàn)闃蛄涸诮ㄔ旌褪褂眠^(guò)程中，一定會(huì)受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕及人為因素等外來(lái)作用，加之橋梁所采用材料的自身性能不斷退化，各種因素的綜合作用最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部分不同程度的損傷和劣化，從而影響了橋梁各結(jié)構(gòu)的耐久性。因此切實(shí)改善橋梁耐久性是十分必要的，必須要對(duì)其給予高度的重視。

3 橋梁安全性、耐久性差的原因

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

橋梁結(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)，并采用規(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。但是，在實(shí)際工作中，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)題上我們還有許多可以改進(jìn)的地方，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）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，而忽視對(duì)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)耐久性的關(guān)注。

（2）在橋梁設(shè)計(jì)、施工到使用的全部過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤，比較普遍的有：對(duì)結(jié)構(gòu)整體性和延性不足；計(jì)算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過(guò)大；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)薄等，這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 施工和管理水平未達(dá)標(biāo)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外多座出現(xiàn)安全性和耐久性問(wèn)題，最終發(fā)生惡性事故的橋梁進(jìn)行認(rèn)真研究，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致事故的最主要原因是野蠻施工和管理腐敗，施工和管理水平未達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，從而對(duì)橋梁安全造成致命的損害。施工方面的問(wèn)題體現(xiàn)在材料強(qiáng)度不足和施工工藝不合格；而管理方面存在偷工減料、以次充好等問(wèn)題，性質(zhì)更為嚴(yán)重，產(chǎn)生的危害也更大。

4 提高安全性、耐久性的措施

4.1 合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可以有效提高橋梁的安全性和耐久性。橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式主要分為大跨度橋梁和標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋。大跨徑橋梁由于控制因素不同，方案也各不相同，具有較強(qiáng)的個(gè)性特征，而標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋則更多的是具有共性特征。在實(shí)際工作當(dāng)中，很少采用大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)方案，標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋因?yàn)榫哂惺┕し奖?、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

4.2 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，科學(xué)使用材料

鋼筋混凝土的質(zhì)量和合理使用對(duì)橋梁的安全性具有極其重要的作用。鋼筋混凝土的質(zhì)量直接影響到結(jié)構(gòu)的適用性、安全性和耐久性。混凝土的耐久性主要取決于混凝土的材料組成，其中水灰比、水泥用量、強(qiáng)度等級(jí)均對(duì)耐久性有較大影響。橋規(guī)JTGD62明確規(guī)定了不同使用環(huán)境下，結(jié)構(gòu)混凝土的基本要求、對(duì)影響混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低強(qiáng)度等級(jí)、最大氯離子含量和堿含量做出了限制規(guī)定，這是橋規(guī)JTGD62對(duì)公路橋涵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基本要求，設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵照?qǐng)?zhí)行。提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最關(guān)鍵的是以下兩方面：①加大鋼筋的混凝土保護(hù)層厚，保護(hù)鋼筋免于銹蝕；②防止和控制混凝土的裂縫。

除按規(guī)范要求控制正常使用極限狀態(tài)的工作裂縫以外，更重要的是要采取構(gòu)造措施，從根本上控制混凝土施工及使用過(guò)程非工作裂縫的大量出現(xiàn)。橋規(guī)JTGD62突出強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)水平防縮鋼筋和箍筋在控制裂縫中的作用，提高水平防收縮鋼筋的配筋率和箍筋間距的規(guī)定，是防止和控制收縮裂縫的重要構(gòu)造措施。

4.3 提高對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重視程度

由于橋梁在建造和使用過(guò)程中，必然會(huì)受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，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，這些因素最終將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)各部分發(fā)生不同程度的損傷和劣化。特別是在大跨徑橋梁領(lǐng)域，目前我國(guó)已有多座大跨徑斜拉橋因?yàn)槔鞯哪途眯詥?wèn)題而提前換索，不僅影響了橋梁的正常使用更造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)生這類現(xiàn)象，存在設(shè)計(jì)上的缺陷，特別是沒(méi)有進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計(jì)是重要因素。我們只有切實(shí)提高對(duì)橋梁耐久性設(shè)計(jì)的重視，才能有效避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高橋梁的使用壽命。

4.4 杜絕橋梁超載

橋梁超載主要有3種情況：一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營(yíng)；二是橋梁通行的車流量超過(guò)原設(shè)計(jì)；三是車輛違規(guī)超載。從超載的原因來(lái)看，老橋超齡負(fù)載和車流量超載主要是設(shè)計(jì)荷載的變化和交通量的增加；車輛違規(guī)超載主要是車輛使用者違法超載營(yíng)運(yùn)。在實(shí)際生活當(dāng)中，車流量超載、車輛違規(guī)超載現(xiàn)象在我國(guó)公路運(yùn)輸中較為普遍。橋梁超載危害性極大：一是引發(fā)橋梁疲勞，超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞事故；二是由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，促使橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，最終危害橋梁的安全性和耐久性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問(wèn)題，不能忽視從結(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)耐久性進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)積極借鑒國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)和做法，目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)除考慮了建造成本，注重設(shè)計(jì)建成時(shí)具有的工作能力和性能外，也應(yīng)重視營(yíng)運(yùn)期的維護(hù)成本與使用壽命相對(duì)應(yīng)的成本效益，并且加強(qiáng)從橋梁設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度做好耐久性的設(shè)計(jì)。