橋梁設(shè)計中的安全性和耐久性

邰堃

國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范對橋梁設(shè)計提出的要求是適用、經(jīng)濟、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。

具體的設(shè)計過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進行。前者是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務能力臨界狀態(tài)時的承載能力、設(shè)計的基本原則是要求荷載效應不利組合的設(shè)計值，必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計值。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)總體的安全儲備，是一個半概率的極限狀態(tài)設(shè)計法?？梢哉J為是對安全性要求的保證。后者控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時應力、裂縫和變形小于一定的限值，對應于適用性的要求。

暫且不論這些控制方程和計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要求，而對于經(jīng)濟、美觀的要求則沒有具體的指標進行衡量。當然，在方案設(shè)計和評審階段會考慮到經(jīng)濟和美觀的要求（中小橋梁主要關(guān)注經(jīng)濟性，而大型和特大型橋梁對美觀問題越來越重視）；但需要指出的是該階段對經(jīng)濟性的評估往往是只注重考慮建設(shè)成本，而對于后期的養(yǎng)護、維修等的長期綜合成本缺乏考慮，因此這種評估經(jīng)常是比較片面的。一個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米以下的橋型競爭中，懸索橋與斜拉橋在經(jīng)濟性方面的差距將大大減小。

現(xiàn)在，國內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有這樣的傾向：設(shè)計中考慮強度多而考慮耐久性少；重視強度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)在整個生命周期中最重要的卻恰恰是使用時的性能表現(xiàn)；重視結(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護。實際上，目前的橋梁設(shè)計中，對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，也沒有進行專門的耐久性設(shè)計（從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計程序上上保證耐久性，并明確聲明在何種維護和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性）。這些傾向在一定程度上導致了當前工程事故頻發(fā)、結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短的不良后果；也與國際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢相違背；也不符合結(jié)構(gòu)動態(tài)和綜合經(jīng)濟性（考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護等整個周期的費用）的要求。

橋梁安全性、耐久性差的主要原因

1）施工和管理水平低

國內(nèi)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(guān)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疏漏所導致。對于短期內(nèi)發(fā)生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設(shè)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(zhì)量低下有重要關(guān)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(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)護不當及預應力施加不合理等）。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響，但卻會對結(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。

2）設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)計領(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的地方。結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務是選擇經(jīng)濟合理的結(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，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(jié)構(gòu)的安全性。

需要改進和努力的方向

1）應該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題

橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環(huán)境、有害化學物質(zhì)的侵蝕，并要承受車輛、風、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而導致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域，國內(nèi)從上世紀80年代以來，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴重損害的例子很少，但已經(jīng)有多座橋梁因為拉索的耐久性問題而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟損失。

需要指出的是，很多這類問題與沒有進行合理的耐久性設(shè)計有關(guān)，這也促使人們重新認識橋梁的耐久性問題。大量的病害實例也證明，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)計上）的缺陷。

從上世紀90年代開始重視了對結(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)計分析的角度進行的，對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計的角度及如何以設(shè)計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，長期以來，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計算方法的研究，卻忽視了對總體構(gòu)造和細節(jié)處理方面的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著本質(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。

2）重視對疲勞損傷的研究

橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應力，不但會引起結(jié)構(gòu)的振動，還會引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。

由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實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到，但其帶來的后果往往是災難性的。

疲勞損傷過去一直被認為是鋼橋設(shè)計中的核心問題，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入混凝土結(jié)構(gòu)，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強。

對疲勞損傷的研究不僅僅指對整個結(jié)構(gòu)而言，事實上橋梁結(jié)構(gòu)常常由于某些關(guān)鍵部位的局部疲勞失效而導致整個結(jié)構(gòu)的失效，例如斜拉橋拉索錨固端的疲勞損害。

3）充分重視橋梁的超載問題

汽車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計；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運，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍。 橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現(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，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。這些都會對結(jié)構(gòu)長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管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。

4）積極借鑒國外的經(jīng)驗和成果

國內(nèi)橋梁設(shè)計存在的主要問題是結(jié)構(gòu)正常使用性能差（指與設(shè)計期望相比，可歸結(jié)為適用性能差，包括橋梁的過大振動、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、維護費用高、安全事故較頻繁等）。這些問題的產(chǎn)生固然與目前國內(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)計人員就應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?shù)陌踩取⑦m當?shù)脑O(shè)計方法來保證橋梁使用性能的達到，這才是更為主動和有效的方法。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)細節(jié)處理不當有關(guān)。

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(zhì)量管理外，要從橋梁設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度做好耐久性的設(shè)計。同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響。