橋梁設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性探討

張鳳琴

【摘 要】國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋梁設(shè)計(jì)提出的要求是適用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀，這些要求基本上包含了人們關(guān)心的所有重要問題。

【關(guān)鍵詞】公路橋梁；橋梁設(shè)計(jì)

1. 前言

（1）具體的設(shè)計(jì)過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進(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。

（2）暫且不論這些控制方程和計(jì)算理論是否完全合理，它們至少從定性和定量的形式上保證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)美觀問題越來越重視）；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。一個(gè)典型的例子是斜拉橋的換索問題。由于目前技術(shù)水平的限制，斜拉橋拉索的平均使用壽命在20年到30年之間，也就是在其服役期期間至少要進(jìn)行一次換索，如果考慮到后期換索的巨大投入，那么在跨度1000米以下的橋型競(jìng)爭(zhēng)中，懸索橋與斜拉橋在經(jīng)濟(jì)性方面的差距將大大減小。

（3）現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，有這樣的傾向：設(shè)計(jì)中考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少；重視強(qiáng)度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期中最重要的卻恰恰是使用時(shí)的性能表現(xiàn)；重視結(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護(hù)。實(shí)際上，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，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)（從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計(jì)程序上上保證耐久性，并明確聲明在何種維護(hù)和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性）。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（考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護(hù)等整個(gè)周期的費(fèi)用）的要求。

2. 橋梁安全性、耐久性差的主要原因

2.1 施工和管理水平低。

（1）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)量沒有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，典型的問題包括材料強(qiáng)度不足和施工工藝不合格等；也有個(gè)別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴(yán)重的管理問題，更是對(duì)橋梁安全造成致命的損害。

（2）而大量的橋梁在遠(yuǎn)沒有達(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題，這也與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問題有鋼筋保護(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。

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

（1）在承認(rèn)施工存在問題的同時(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。

（2）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，造成局部受力過大；有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過?。贿@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)槟途眯猿隽藛栴}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。

（3）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。

3. 需要改進(jìn)和努力的方向

3.1 應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題。

（1）橋梁在建造和使用過程中，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，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鞯哪途眯詥栴}而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟(jì)損失。

（2）需要指出的是，很多這類問題與沒有進(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自構(gòu)造上（也即設(shè)計(jì)上）的缺陷。

（3）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改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且，長(zhǎng)期以來，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。

（4）國(guó)外的橋梁設(shè)計(jì)有鑒于耐久性不足導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p失，近年來十分重視提高結(jié)構(gòu)物的耐久性并將其作為重要的設(shè)計(jì)原則，統(tǒng)一考慮合理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié)，強(qiáng)調(diào)使結(jié)構(gòu)易于檢查、維修，以保證橋梁的安全使用、盡可能地減少維修費(fèi)用，取得了較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)踐都表明，結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)于橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用。

3.2 重視對(duì)疲勞損傷的研究。

（1）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。

（2）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，但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。

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

（4）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。

3.3 充分重視橋梁的超載問題。

（1）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。

（2）橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。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。例如，混凝土橋梁一直被認(rèn)為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形。這些都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響，因此除了交管部門要加強(qiáng)管理外，也需要對(duì)超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。

3.4 積極借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)和成果。

（1）國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要問題是結(jié)構(gòu)正常使用性能差（指與設(shè)計(jì)期望相比，可歸結(jié)為適用性能差，包括橋梁的過大振動(dòng)、線形不平順、接頭跳車、結(jié)構(gòu)開裂和過大的變形等）、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護(hù)費(fèi)用高、安全事故較頻繁等）。這些問題的產(chǎn)生固然與目前國(guó)內(nèi)施工質(zhì)量和管理水平較低有關(guān)，但平心而論，既然這種現(xiàn)狀不能在短期內(nèi)得到解決，那么作為工程設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該在正視這一問題的前提，充分考慮到現(xiàn)階段的施工和管理水平和材料工藝水平，采用適當(dāng)?shù)陌踩取⑦m當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法來保證橋梁使用性能的達(dá)到，這才是更為主動(dòng)和有效的方法。特別是橋梁存在的耐久性和安全性問題很多與結(jié)構(gòu)體系或使用材料選擇不合理及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處理不當(dāng)有關(guān)。

（2）在歐洲國(guó)家（如德國(guó)、丹麥等），非常重視對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行性能設(shè)計(jì)（即PBD， Performance Based Design），內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動(dòng)、強(qiáng)健性、美觀、耐久性能、疲勞性等。PBD研究主要是為了使結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過程中除了保證最低的安全性要求外，尚應(yīng)有良好的使用性能（包括壽命和耐久性、抗腐蝕、耐疲勞性、美觀等）。就其本質(zhì)而言，歐洲國(guó)家的PBD理論，主要研究結(jié)構(gòu)在使用過程中表現(xiàn)出來的服務(wù)性能，分析使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機(jī)理、規(guī)律，尋求新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和方法。

（3）從歐洲人的觀點(diǎn)來看，PBD似乎是對(duì)以耐久性為核心的結(jié)構(gòu)使用性能指標(biāo)的綜合考慮。這一點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)工程界應(yīng)該是有啟示的。目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)可視為靜態(tài)的設(shè)計(jì)，它只定義了設(shè)計(jì)建成時(shí)刻結(jié)構(gòu)具有的工作能力和性能，而對(duì)營(yíng)運(yùn)期間性能隨時(shí)間的劣化及其實(shí)際的性能表現(xiàn)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和考慮；換言之，從經(jīng)濟(jì)性的角度講是只考慮了建造成本，而忽視了營(yíng)運(yùn)期的維護(hù)成本和與使用壽命相對(duì)應(yīng)的成本效益。

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(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。