關于橋梁設計中安全性與耐久性的探討

于向前 李寶銀 彭璐璐

（陜西飛虹橋梁勘測設計研究有限公司，陜西 西安 710054）

前言

近些年來，國內發(fā)生不少橋梁倒塌的嚴重事故，造成很多不該有的人間悲劇。但調查分析結果表明，很多事故是因為設計不規(guī)范或施工不注意質量控制造成的。施工中的偷工減料、工程腐敗，設計中的態(tài)度不嚴謹，計算錯誤等等都是造成橋梁英年旱逝或出現(xiàn)安全隱患的重要因素。目前，橋梁設計的耐久性設計，常常只是作為一個參考價值，而不是具體計算出其應有的安全使用年限，更不會對橋梁的耐久性進行一系列的實驗研究探討。這種現(xiàn)象在一定程度上導致了橋梁事故發(fā)生頻繁、結構使用性能差、耐久性差的嚴重后果，也背離了國際上對橋梁的結構的耐久性、安全性、適用性日益重視的發(fā)展趨勢。

1 橋梁安全性、耐久性差的主要原因

1.1 施工和管理水平低

國內外多座橋梁的突然破壞與倒塌，已使工程界對橋梁安全性問題倍加關注。一般的看法認為當前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導致。對于短期內發(fā)生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質量沒有達到規(guī)范和設計要求，典型的問題包括材料強度不足和施工工藝不合格等；也有個別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴重的管理問題，更是對橋梁安全造成致命的損害。而大量的橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時，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)嚴重的耐久性不足的問題，這也與施工質量低下有重要關系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴重的構件開裂問題。

1.2 設計理論和結構構造體系不夠完善

在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設計領域，特別是關于橋梁施工和使用期安全性的問題還有許多可以改進的地方。結構設計的首要任務是選擇經(jīng)濟合理的結構方案，其次是結構分析與構件和連接的設計，并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠性指標以保證結構的安全性。許多設計人員往往只滿足于規(guī)范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性以及從設計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性。有的結構整體性和延性不足，冗余性?。挥械挠嬎銏D式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過??；這些都削弱了結構耐久性，會嚴重影響結構的安全性。

2 提高橋梁安全和耐久的兩個必要措施：

2.1 規(guī)范、規(guī)程、指南、標準

結構與安全，或曰使用功能健全需有各項內因的高質量保證，具有堅強抵抗外因的“體能”：如前所述，斜拉橋的拉索如質量獲得保證，那么結構壽命期內換索就可減少一次或二次。質量保證首先反映的是科學技術、工藝水平。如果拉索壽命可達到所要求設計壽命期的那樣長，那么就不需要換索了。如鋼橋的油漆保護能達到100年，那么鋼結構建好后，就不需要再油漆保養(yǎng)了，如果我們能制造出耐久100年的高強混凝土，那么為了保證結構使用壽命期的維修、養(yǎng)護、更換、加固都不需要了…能不能在工程結構建設中做到“一勞永逸”，目前尚不可能。因而對結構建設過程中的各個方面工作都需要有質量保證體系。其中最首要的即是“行為”的規(guī)范、規(guī)程、指南或標準。

總而言之，要建成一項大型工程，一切工作都要有管理條例，各項工作都必須按規(guī)定執(zhí)行，不能隨心所欲修改或變更，也即在過程中，一切修改和變更都要有文件規(guī)定。這些規(guī)定的選擇是業(yè)主的權限與職責。

2.2 結構設計新理念的提出

隨著時代經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類所建造的各種大型工程結構物，規(guī)模巨大，結構復雜，功能眾多。國際上稱之為“超級工程”。這些工程的特點是：投資巨大，技術復雜，環(huán)境影響嚴重，襲擊破壞機率增大(風、浪、地震、海嘯、船撞、破壞等等)和維修、養(yǎng)護、加固難度大。因而，過去只限于設計、施工質量的單一層面上去尋求結構的安全性就不夠了。從上世紀七十年代后，國內外專家在分析研究、認真總結經(jīng)驗教訓的基礎上，除強調結構設計和建造時期的安全性、耐久性、整體牢固性的要求外，逐步討論了結構在使用期間的檢測、維修、加固的新技術，對不同工程結構物的災害和可接受的危險水平和評估進行了深入研究，提出了耐久性設計的概念。結構耐久性設計所要解決的問題也就是經(jīng)濟、合理的使用年限問題，即結構壽命期問題。

但同時考慮到一座大型結構物要服務一百年，試想近代的科學、經(jīng)濟的高速發(fā)展，這一百年對結構而言，內、外因變化很大，特別是外因，試問結構功能如何適應變化而改變或增強它的服務功能?推論：如結構物的設計壽命期為一百年，預測百年的使用要求。定出各個標準進行設計，這很難實現(xiàn)。然而，工程師能使結構物適應各種變化，采取各種措施使結構獲得更強大的“體能”為交通服務。為解決這一問題，在設計和建造階段就要挑戰(zhàn)傳統(tǒng)設計理念：對設計工程師要求對結構設計時應使結構具有六大特性，即可檢性，可修性，可換性，可強性，可控性及可持續(xù)性。因為如果建成的結構物，各個部件不可檢查，不可更換，無法修復，不能控制，不能加強，不可持續(xù)，那么結構在內、外因復合作用下，就會一天天衰退，破損，倒塌而“生命夭折”。工程師必須清醒承認整體結構的壽命和各部件的壽命是不等的，如橡膠支座壽命不超過20年，拉索的壽命僅10～40年，拉索的護套壽命不超過20年，鋼結構的油漆保護最優(yōu)為20年等等。只有對這些自身壽命期低于結構設計壽命期的部件必需要在構造上保證可查、可修、可換、可加強，對結構在外因變化劇變情況下，結構的變形要在構造上“可控”，才能夠在運營階段對橋梁進行維修、加固等措施，從而保證結構的耐久性。如金門大橋在90年代加固時，在塔梁交接處增設了油泵阻尼系統(tǒng)。設計施工階段的耐久性設計要兼顧橋梁的壽命期成本和結構特性要求，它是橋梁耐久性的基礎。在橋梁運營、維護階段，對橋梁定期進行檢測與評估，從而對橋梁進行加固和維修，來進一步保證橋梁的耐久性。

3 風險評估與保險

作者在上面提出的新設計理念中的關鍵技術就是對橋梁進行風險評估。在設計施工和運營階段都要進行風險評估，但它們的含義和目的是不同的。在設計施工階段的風險評估，就應該充分考慮橋梁在整個生命周期內的風險。認識到橋梁在其生命過程的每時每刻中都面臨著風險，風險即損失的不確定性或與預期目標的差異。固然可通過一定的措施減少風險，但卻無法消除風險。風險的客觀性使得損失的可能性客觀存在。作為生命線工程之一的橋梁工程在國民經(jīng)濟的發(fā)展中和人民生活水平的提高中具有重要意義。作為交通樞紐的橋梁工程，一旦在意外事故和自然災害中破壞，會造成很大的經(jīng)濟損失和極為嚴重的后果。

為了減少這些風險，我們在設計施工階段就要正確評價這些風險，認識到這些風險和風險可能產(chǎn)生的后果以后，業(yè)主可根據(jù)自己的接受的能力來選擇能夠承受的風險和投資水平。從而確定合適的設計標準要求和施工技術。不要等災害事故發(fā)生以后(即風險發(fā)生以后)，才意識到風險的嚴重度后果，自己不能夠接受，而追悔莫及為之晚已。

4 結束語

橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，要積極借鑒國外成功的經(jīng)驗和做法，除了加強施工質量管理外，要從橋梁設計理念、結構體系和構造的角度做好耐久性的設計，同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結構耐久性的影響。

[1]陳艾榮，吳海軍.基于耐久性的橋梁設計的幾個原則[J].上海公路，2003，(S1).

[2]彭棟木，馮建華.橋梁結構耐久性設計[J].深圳土木與建筑，2006，(02).