橋梁設(shè)計中的安全性與耐久性研究

應(yīng)斌權(quán) 王媛媛 馬骉

【摘要】路橋建設(shè)在設(shè)計施工過程當中通常只重視對剛度、強度、穩(wěn)定性的計算，卻總是對結(jié)構(gòu)整體的安全性和耐久性問題忽略了，從而導(dǎo)致在整個施工過程中出現(xiàn)很多的問題。針對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性進行設(shè)計，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的工作性能，確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準期內(nèi)能夠正常無憂使用。

【關(guān)鍵詞】橋梁設(shè)計；安全性；耐久性

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的交通行業(yè)的發(fā)展也是一日千里。作為公路交通線的咽喉，橋梁的重要性和安全性是非常關(guān)鍵的。但是，我國目前的橋梁設(shè)計行業(yè)通常只重視單個構(gòu)件的剛度和強度等因素，而缺乏對整體結(jié)構(gòu)的關(guān)注，這與我國現(xiàn)階段橋梁設(shè)計的基本原則相左，這就導(dǎo)致我國在橋梁設(shè)計和施工當中出現(xiàn)各種問題，甚至部分橋梁在投產(chǎn)使用后就發(fā)生安全性與耐久性嚴重退化的現(xiàn)象。根據(jù)大量的實地考察發(fā)現(xiàn)，我國橋梁在設(shè)計施工過程中，安全性和耐久性方面出現(xiàn)的問題非常嚴重，盡管沒有我國橋梁現(xiàn)狀統(tǒng)計的具體設(shè)計，但是如果按照現(xiàn)狀發(fā)展下去，會嚴重影響這些橋梁的長久使用，并會帶給子孫后代巨大的困擾。

一、我國橋梁設(shè)計中安全性和耐久性現(xiàn)狀

目前，我國的橋梁設(shè)計施工行業(yè)在對橋梁的設(shè)計施工中存在很多的問題和不足，許多建造的橋梁都未能達到設(shè)計基準期的要求，安全性無法確保，甚至部分橋梁剛建成投入使用就出現(xiàn)各種耐久性和安全性的問題，以至于必須拆除重建。這些現(xiàn)象不但與我國現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的橋梁使用壽命為100年相矛盾，而且與國際上對路橋安全性與耐久性的普遍要求相違背，問題的嚴重性使我們不得不加以重視起來[1]。對于出現(xiàn)安全性和耐久性缺陷的橋梁，主要是發(fā)生構(gòu)件開裂、變形、下?lián)?，具體表現(xiàn)為混凝土斜拉橋的橫隔板和主梁發(fā)生開裂、大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)?、正交異性鋼橋面板的疲勞裂縫等，上述問題如果不加以解決，將致使橋梁結(jié)構(gòu)受外部因素的進一步侵蝕，使橋梁結(jié)構(gòu)強度、剛度不斷降低，引起更難解決的下?lián)献冃?，惡性循環(huán)的發(fā)展，對橋梁的結(jié)構(gòu)安全帶來嚴重的威脅。

二、影響橋梁安全性和耐久性的因素分析

橋梁在使用過程中始終暴露在自然環(huán)境中，使用環(huán)境惡劣。由于受到來自內(nèi)部和外部各種因素的共同作用，橋梁的安全性和耐久性問題通常對橋梁的使用有很大的印象。經(jīng)過分析，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性產(chǎn)生影響主要有以下幾個方面的因素。

（一）橋梁設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施不完善

按照場地的不同條件和自然因素的差異來選擇合適的橋型是路橋設(shè)計的首要依據(jù)。而橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計則是選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，分析結(jié)構(gòu)受力情況和確定構(gòu)造措施。目前，我國的路橋設(shè)計行業(yè)往往在設(shè)計中對安全性和耐久性缺乏相應(yīng)的考慮，卻只重視對剛度和強度的計算，其主要表現(xiàn)為：忽視對構(gòu)件組成的整體結(jié)果的工作性能而只重視對單體構(gòu)件的設(shè)計；對結(jié)構(gòu)的整體受力圖式或傳力路線缺乏合理性的計算；使用強度等級過低的混凝土結(jié)構(gòu)；對橋梁結(jié)構(gòu)的保護層厚度小、鋼筋負荷低、截面尺寸不足。以上措施的不足，都對構(gòu)件的安全性和耐久性造成很大的影響[2]。橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計要對兩種極限狀態(tài)予以考慮，包括橋梁承載能力的極限以及正常使用的極限。一方面，足夠的強度是構(gòu)件能夠進行正常使用的前提條件，因此，在設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)的過程中對強度的計算予以重視是非常必要的，但是從另一方面來考慮，對橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐性，也必須予以重視，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的良好工作性能。

（二）橋梁施工和管理水平低

近幾年，國內(nèi)外在橋梁設(shè)計和橋梁使用上都遇到了很大的問題，橋梁的坍塌和使用年限不斷降低，使橋梁的安全性問題受到了公眾的日益重視。從各種考察中了解到，我國現(xiàn)役的許多橋梁役期未滿已經(jīng)出現(xiàn)各種問題，部分敲響甚至剛建成投入使用就已經(jīng)發(fā)生不宜使用的狀況，這些問題，都和橋梁的施工過程及管理水平有很大的關(guān)系。具體表現(xiàn)是：很多橋梁在施工過程當中，對混凝土的振搗，澆筑以及養(yǎng)護措施不當，預(yù)應(yīng)力鋼筋張合與規(guī)范不符等。這些問題盡管沒有直接影響到橋梁的承載力，但是卻會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全和耐性造成巨大的威脅。

（三）橋梁結(jié)構(gòu)后期管理養(yǎng)護不到位

對初期的建設(shè)投入足夠的重視，卻對建成投入使用后的管理不予以重視，是我國路橋建設(shè)行業(yè)中普遍存在的情況。具體表現(xiàn)為：雨雪天氣下對橋面的積水和冰雪不及時進行清除，致使水滲入橋梁結(jié)構(gòu)中，對構(gòu)件的凍融循環(huán)造成破壞；對橋梁的主要承重構(gòu)件，如支座、斜拉索護套等的后期養(yǎng)護工作不重視，不及時更換構(gòu)件，對橋梁結(jié)構(gòu)的整體工作性能造成嚴重影響，對橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性造成巨大威脅。

三、提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性措施

與步行橋只供行人和非機動車輛通行功能不同，公路橋梁所承擔的負荷不僅要考慮正常的機動車輛行駛因素，更要充分考慮機動車輛超載和其他各類沖擊的影響，另外，公路橋梁在交通運輸線中位置極其關(guān)鍵，如果安全性和耐久性功能出現(xiàn)問題，就會產(chǎn)生惡果。所以，在進行橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要注意把以下幾方面考慮在內(nèi)。

（一）完善設(shè)計規(guī)范，引入耐久性設(shè)計新概念

轉(zhuǎn)變觀念，引入全新的設(shè)計理念以及結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的因素，完善設(shè)計規(guī)范，對我國現(xiàn)行規(guī)范中強調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的安全性的內(nèi)容予以繼承，但對規(guī)范中忽略了結(jié)構(gòu)耐久性的問題要加以重視。因為當前在橋梁使用的過程中，由于結(jié)構(gòu)的耐久性而造成的安全性問題的現(xiàn)象已經(jīng)日趨嚴重，到了非重視不可的程度。什么是結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計因素？其主要是指橋梁結(jié)構(gòu)的壽命期，也就是橋梁的安全、經(jīng)濟、合理的使用年限問題。目前，許多歐美國家都已經(jīng)開始投入人力物力著手去制定并計劃全力推廣使用的基于性能的設(shè)計規(guī)范（performance-based design code），從理論上來看，這種基于耐久性要求、全壽命設(shè)計和可持續(xù)發(fā)展理念的設(shè)計規(guī)范是一次設(shè)計規(guī)范上的革命，對我國橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來很多新的理念和沖擊。

（二）保證結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計、整體性、連續(xù)性

在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中要注意對結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計，只有冗余設(shè)計更完善，結(jié)構(gòu)才能用擁有更多的安全邊際，橋梁才能更好的應(yīng)對各種各樣的可能性，尤其是對于像我國這樣交通擁擠，超載現(xiàn)象嚴重的國家，只有結(jié)構(gòu)的安全邊際增大了，橋梁對局部的損傷和變形才有更好的抵抗力。另外，結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計可以使橋梁在應(yīng)對某些偶然性的強大沖擊時，如地震、爆炸等，有更優(yōu)良的抗倒塌性。另一方面，我們也要注意保證橋梁結(jié)構(gòu)的的整體性和延續(xù)性，因為大部分橋梁都是桿系結(jié)構(gòu)，使構(gòu)件的截面變化更均勻、更平順，既符合美觀性的要求，也可以增加結(jié)構(gòu)的剛度、強度以及穩(wěn)定性。

（三）加強橋梁的細節(jié)設(shè)計

細節(jié)設(shè)計對整座橋梁設(shè)計的作用是不言而喻的。由于橋梁結(jié)構(gòu)直接顯露在外，細節(jié)設(shè)計越完善，越能有效避免讓橋梁結(jié)構(gòu)受到外界腐蝕性因素的侵蝕，也就越能有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。比如，增加構(gòu)件的保護層厚度，能令鋼筋得到有效保護而不受侵蝕；可以有效保護鋼筋不受侵蝕；對橋面的排水和防水功能加以設(shè)計，能夠避免結(jié)構(gòu)受到水的破壞。

四、結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性既是現(xiàn)在工程界研究的熱點，也是迫切需要改善的難點。不但要在施工過程中選擇合理的工法和加強管理外，還要著重考慮橋梁的設(shè)計方案，這就要求設(shè)計人員除了在設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)體系以及構(gòu)造措施等方面加強認識，還應(yīng)主動學習借鑒國內(nèi)外的經(jīng)驗和成果，提高我國公路橋梁安全性與耐久性設(shè)計水平。

參考文獻

[1] 李敏，吳堅彬，李燕.公路橋梁設(shè)計中的安全性及橋梁耐久性的分析探討[J]. 中國水運（下半月）.2013（11）

[2] 許建榮，馬兆勝.步行橋設(shè)計中需要考慮的安全性與耐久性問題——從北京順義懸索步行橋事故說起[J].重慶建筑.2007（12）