路橋設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性問題

黃良繼

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步，我國的交通運(yùn)輸業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，各種公路橋梁如雨后春筍般展現(xiàn)在人們眼前，為人們提供了極大的便利。然而，我國公路橋梁設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程尚短，還存在很多不足之處，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)埋下了巨大隱患。因此，在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期下，對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行分析探究異常重要。

關(guān)鍵詞：路橋設(shè)計(jì)；安全性；耐久性

近年來我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對(duì)出行的需求越來越多，帶動(dòng)了我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，與此同時(shí)城市道路供給與運(yùn)輸需求的矛盾也日益尖銳，不少城市的道路橋梁已經(jīng)很難滿足日益增加的運(yùn)輸需求，出現(xiàn)超負(fù)荷疲勞運(yùn)作的現(xiàn)象，加之部分車輛存在超載，道路橋梁病害問題時(shí)有發(fā)生。路橋病害的發(fā)生不僅縮短了其使用壽命，給國家和人民帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還為交通運(yùn)輸安全埋下了隱患，近年來由于路橋坍塌造成的事故也時(shí)有發(fā)生。

1 路橋設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性問題

1.1 橋梁施工單位整體水平不高

隨著網(wǎng)絡(luò)和電視對(duì)橋梁事故的大量曝光，工程界對(duì)橋梁耐久性、安全性問題倍加關(guān)注，而進(jìn)行直接施工建設(shè)的施工單位整體水平不高，也是造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的重要原因。

1.1.1 隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市場競爭日益激烈，有的施工單位了能夠中標(biāo)，盡可能低的降低報(bào)價(jià)，導(dǎo)致低價(jià)中標(biāo)，很難保證自身的經(jīng)濟(jì)效益，于是就很難保證施工質(zhì)量；更多的時(shí)候，為了獲得更多利潤，一個(gè)橋梁工程分包給多個(gè)包工頭進(jìn)行控制，而各個(gè)分包的施工單位，人員素質(zhì)普遍不高，施工質(zhì)量參差不齊，相互之間的施工銜接不夠，施工質(zhì)量難以控制，這也是造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的一大原因。

1.1.2 施工單位在施工管理上，存在施工質(zhì)量沒有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，包括原材料質(zhì)量低劣和施工工藝不合格等。在對(duì)原材料的進(jìn)貨渠道方面沒有進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量把關(guān)，導(dǎo)致一些原材料存在質(zhì)量問題，更有甚者，存在諸如偷工減料、以次充好等嚴(yán)重的管理問題。而在施工工藝方面，一些施工單位在進(jìn)行混凝土施工的時(shí)候，鋼筋未作防銹處理，其間距疏密不一，粗、細(xì)骨料分布不均勻，混凝土振搗不密實(shí)；混凝土保護(hù)層厚度不均勻，容易出現(xiàn)露筋問題，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)生銹現(xiàn)象；另外在水泥標(biāo)號(hào)選用方面、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，缺乏相應(yīng)的后期維護(hù)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，這些問題都直接影響到橋梁安全性、耐久性。

1.2 橋梁的設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不完善

我們?cè)谶M(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的時(shí)候，指導(dǎo)思想就是選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，在結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件和連接的設(shè)計(jì)中，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。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)的橋梁設(shè)計(jì)中，更多的橋梁設(shè)計(jì)師更多的是滿足于規(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，會(huì)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。不同的環(huán)境，不同的使用要求，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，因此滿足規(guī)范要求是僅僅不夠的，還應(yīng)該在此基礎(chǔ)上，真正的讓設(shè)計(jì)人員具有對(duì)結(jié)構(gòu)本性的正確認(rèn)識(shí)，這樣才不會(huì)出現(xiàn)耐久性問題。

2 橋梁結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)探討

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法從可靠度理論來說，基本上可分為經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)法和概率設(shè)計(jì)法兩類。經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)法，是將影響結(jié)構(gòu)安全的各種參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取值，一般用平均值或規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，并考慮這些參數(shù)可能的變異對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，在荷載與強(qiáng)度計(jì)算中再取用安全系數(shù)x。概率設(shè)計(jì)法則是將影響結(jié)構(gòu)安全的各種參數(shù)作為隨機(jī)變量，用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)來分析全部參數(shù)或部分參數(shù)，或者用可靠度分析結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)滿足基本功能要求的概率。當(dāng)前的發(fā)展趨勢是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正逐步由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法向概率設(shè)計(jì)法轉(zhuǎn)變。在目前階段，按其發(fā)展進(jìn)程國際上通常將基于可靠度的設(shè)計(jì)劃分為3個(gè)水準(zhǔn)，即水準(zhǔn)I、水準(zhǔn)Ⅱ和水準(zhǔn)Ⅲ。

2.1 水準(zhǔn)I—半概率設(shè)計(jì)法

這一水準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)是，雖然在荷載和材料強(qiáng)度上分別考慮了概率原則，然而，它把荷載和抗力分開考慮，而不是從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性出發(fā)考慮結(jié)構(gòu)的可靠度，因而無法觸及結(jié)構(gòu)可靠度的核心—結(jié)構(gòu)的失效概率，并且各分項(xiàng)安全系數(shù)主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，所以稱其為半概率設(shè)計(jì)法。目前我國大部分現(xiàn)行公路橋梁結(jié)構(gòu)和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所采用的設(shè)計(jì)理論都屬于這一水準(zhǔn)。半概率設(shè)計(jì)法基本上分為如下3個(gè)步驟：（1）按照概率取值原則確定極限狀態(tài)函數(shù)中抗力變量值和荷載變量s的標(biāo)準(zhǔn)值；（2）半概率地（根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)）規(guī)定材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度及設(shè)計(jì)荷載；（3）由材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度值計(jì)算出截面抗力R，由設(shè)計(jì)荷載計(jì)算出荷載效應(yīng)，并進(jìn)行判斷。

2.2 水準(zhǔn)Ⅱ—近似概率設(shè)計(jì)法

這是目前在國際上已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段的概率設(shè)計(jì)法。它運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面設(shè)計(jì)的“可靠概率”，做出較為近似的相對(duì)估計(jì)。我國《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)（GB50153—2008）及《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068—2001）《鐵道工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50216—94）以及《公路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50283-1999）等采用的以概率理論為基礎(chǔ)的一次二階矩極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法就屬于這一水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法。雖然這已經(jīng)是一種概率方法，但是，由于在分析中忽略了或簡化了基本變量隨時(shí)間變化的關(guān)系；確定基本變量的分布時(shí)受現(xiàn)有信息量限制而具有相當(dāng)?shù)慕菩裕徊⑶?，為了簡化設(shè)計(jì)計(jì)算，將一些復(fù)雜的非線性極限狀態(tài)方程線性化，所以，它仍然只是一種近似的概率法。不過，在現(xiàn)階段，它確實(shí)是一種處理結(jié)構(gòu)可靠度的比較合理且可行的方法。本書第三章將對(duì)此予以詳細(xì)討論。

2.3 水準(zhǔn)Ⅲ—全概率設(shè)計(jì)法，對(duì)結(jié)構(gòu)采用較精確的概率分析

對(duì)各基本變量，如荷載、材料性能、幾何尺寸、計(jì)算精度等分別采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程概率模型描述，求得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率直接度量結(jié)構(gòu)可靠性。由于對(duì)基本變量的客觀規(guī)律了解不足，采用全概率法還存在一定困難。目前僅對(duì)某些特殊重要結(jié)構(gòu)如核電站等采用全概率法進(jìn)行研究分析。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析，許多學(xué)者對(duì)此從不同角度進(jìn)行了研究，提出了一些概念和方法。如結(jié)構(gòu)可靠度分析的一階矩概念及荷載為FerryBorgesCastanheta組合情況下的計(jì)算方法問題；利用系統(tǒng)系數(shù)，針對(duì)結(jié)構(gòu)各種破壞水平所對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)不同，計(jì)算系統(tǒng)可靠度并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽樣技術(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度等，同時(shí)，一些學(xué)者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問題?？傊?，系統(tǒng)可靠度分析研究內(nèi)容豐富，難度較大。

3 結(jié)語

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性的研究，是保障橋梁長久安全使用的保障，不僅要加大施工管理力度，保證施工原材料的質(zhì)量和施工工藝，還應(yīng)該重點(diǎn)考慮影響橋梁安全性和耐久性的各種因素。加大橋梁安全性和耐久性的重視力度，重視橋梁機(jī)構(gòu)疲勞損傷問題，和相關(guān)部分進(jìn)行合作，嚴(yán)禁超載車輛的通過，這樣才能從根本上解決存在的問題，還大眾一個(gè)安全的通行環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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