楊 光

(大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司)

提高橋梁設(shè)計(jì)可靠性措施探討

楊 光

(大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司)

為了研究橋梁設(shè)計(jì)可靠性提高的措施，首先研究了可靠性理論在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，接著找出了橋梁設(shè)計(jì)出現(xiàn)可靠性較低的主要原因，最后提出了提高橋梁設(shè)計(jì)的可靠性的主要措施。

橋梁設(shè)計(jì)；措施；可靠性

1 橋梁出現(xiàn)可靠性問(wèn)題的主要原因

1.1 較低的橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)在上世紀(jì)60年代至70年代建設(shè)的橋梁，由于當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，對(duì)橋梁的等級(jí)要求也較低。出于節(jié)省資源和實(shí)用的目的，橋梁的設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)也降低。但隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)橋梁承壓等級(jí)越來(lái)越高，而大部分城市如今卻仍使用以前低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的公路橋梁。隨著交通量的日益增多和繁重，之前所設(shè)計(jì)的橋梁已不適合現(xiàn)階段的交通需要，其本身的可靠性問(wèn)題隨時(shí)可能發(fā)生，對(duì)人類的生命造成一定威脅。

1.2 較差的施工和管理水平

在建及剛建不久卻發(fā)生諸如突然破壞與倒塌事故的橋—梁，很多是因?yàn)槭┕べ|(zhì)量沒(méi)有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，管理混亂所致。其中以材料強(qiáng)度不足和施工工藝不合理等原因?yàn)橹?，而偷工減料、以次充好等嚴(yán)重管理問(wèn)題，可造成對(duì)橋梁安全性有致命的損害后果。

1.3 不合理的橋梁設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)者只考慮橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，卻忽視從結(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(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為因素等方面綜合計(jì)算橋梁的可靠性。設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)欠佳，能動(dòng)性不太強(qiáng)。用靜態(tài)思維去解決不斷進(jìn)步發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題，橋梁在不同的環(huán)境和使用條件下和不同的設(shè)計(jì)對(duì)象都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體系得出不同的布局和構(gòu)造要求，規(guī)范再詳細(xì)也不能代替應(yīng)由設(shè)計(jì)人員解決的各種問(wèn)題，規(guī)范更新再快也適應(yīng)不了新技術(shù)、新材料、新工藝快速發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的各種新要求，目前的設(shè)計(jì)可視為靜態(tài)設(shè)計(jì)，過(guò)于偏重設(shè)計(jì)建成時(shí)期結(jié)構(gòu)的工作和服務(wù)能力而對(duì)使用期實(shí)際的性能表現(xiàn)隨時(shí)間的劣化缺乏相應(yīng)的考慮。從經(jīng)濟(jì)性上講，考慮建造成本多，而不夠重視營(yíng)運(yùn)的維護(hù)成本和與使用壽命相對(duì)應(yīng)的成本效益，因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了滿足規(guī)范要求外，還要求設(shè)計(jì)人員具有對(duì)結(jié)構(gòu)本性的確認(rèn)識(shí)。豐富的經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)確的判斷。從而在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)全壽命使用過(guò)程進(jìn)行全面綜合分析和計(jì)算，提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.4 耐久性考慮不足

目前國(guó)內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)中有這樣的一種傾向：設(shè)計(jì)中考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少，對(duì)于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注而已，既沒(méi)有提出明確的使用年限要求，也沒(méi)有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)，即從材料、結(jié)構(gòu)，環(huán)境及設(shè)計(jì)程序來(lái)保證耐久性，并確定在何種維護(hù)和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性。

2 提高橋梁可靠性的措施

2.1 加強(qiáng)對(duì)橋梁壽命期的理解。我國(guó)在工程建設(shè)方面，將逐步從最初的單純?cè)O(shè)計(jì)滿足載荷強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則轉(zhuǎn)變到既滿足載荷強(qiáng)度需求又滿足橋梁壽命需要的設(shè)計(jì)思路。符合國(guó)際上造橋?qū)勖诘囊?。加?qiáng)橋梁使用壽命的理解，應(yīng)首先要研究確定結(jié)構(gòu)重要性的方法。例如，一般我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期都是一百年，但在設(shè)計(jì)時(shí)很難保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性，因此通常要經(jīng)過(guò)大量的數(shù)值模擬來(lái)確定。壽命期定后橋梁建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行(包括養(yǎng)護(hù)、維修、管理)也需要綜合考慮，以便修建的橋梁壽命在預(yù)想之中。

2.2 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)可靠性的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的施工應(yīng)減輕甚至隔絕環(huán)境因素對(duì)混凝土和鋼筋的影響。特別在靠近氯離子侵蝕嚴(yán)重的海邊，其環(huán)境因素對(duì)橋梁的影響后果更不容忽視。橋面應(yīng)有一定的坡度或設(shè)置排水管道，在混凝土橋面板與路面層之間設(shè)置可靠防水層，防止水向下滲漏，造成環(huán)境對(duì)橋梁的破壞后果。

2.3 從理論研究和規(guī)范方面應(yīng)更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題。橋梁在建造和使用過(guò)程中，會(huì)受到環(huán)境、甚至化學(xué)物質(zhì)的侵蝕并承受各種荷載及人為因素等外部作用，同時(shí)橋梁本身所采用的材料性能也會(huì)不斷疲勞、損傷、劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部分不同程度的損傷和劣化，橋梁早期開(kāi)裂等，大量病害實(shí)例證明除了施工和材料方面的原因外，影響耐久性的決定性因素是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷造成，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究，而忽視對(duì)總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注，對(duì)如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)角度及如何以設(shè)計(jì)和施工人員易接受操作方式來(lái)改善橋梁耐久性卻很少研究。結(jié)構(gòu)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)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方向發(fā)展。

2.4 充分重視現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)環(huán)境的超載問(wèn)題。橋梁的超載一方面使疲勞應(yīng)力幅度加大，損傷加劇，甚至結(jié)構(gòu)破壞。另一方面橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，使受力狀態(tài)發(fā)生變化，從而使橋梁的可靠性降低。橋梁超載主要表現(xiàn)為舊橋超齡負(fù)載運(yùn)營(yíng)，通行車流量超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)值，車輛的違規(guī)超載，這些問(wèn)題除了交管部門要加強(qiáng)管理外，對(duì)超載帶來(lái)的后果進(jìn)行研究分析成為一種迫切需要在國(guó)內(nèi)這種特定的運(yùn)輸環(huán)境中，超載已是一種社會(huì)問(wèn)題，不可在短時(shí)間內(nèi)制止，設(shè)計(jì)上在考慮經(jīng)濟(jì)的情況下，應(yīng)變被動(dòng)適應(yīng)改為主動(dòng)適用，在荷載組合設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)研究分析，應(yīng)充分考慮合理的超載外力，從而有效地提高橋梁承可靠性。

2.5 加強(qiáng)重視疲勞損傷的研究。橋梁結(jié)構(gòu)所承受外力大部分是動(dòng)荷載，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力及應(yīng)變，引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。橋梁所采用的材料本身就不是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷逐漸發(fā)展擴(kuò)大形成損傷。如在運(yùn)營(yíng)時(shí)得不到有效控制，會(huì)引起材料結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，帶來(lái)和后果往往是災(zāi)難性的。對(duì)疲勞損傷的研究不僅僅對(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)失效。近年來(lái)，疲勞損傷的研究雖然進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，但對(duì)于使用后期受腐蝕的鋼筋構(gòu)件中的動(dòng)態(tài)性能和疲勞性的研究還需要加強(qiáng)。

2.6 借鑒國(guó)外的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)和成果。國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題是結(jié)構(gòu)正常使用性能差，例如橋梁的線形不平順、振動(dòng)過(guò)大、接頭易跳車、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和變形過(guò)大等。而國(guó)內(nèi)橋梁的耐久性和安全性也比較差。對(duì)于橋梁出現(xiàn)的這些問(wèn)題，我們應(yīng)認(rèn)真考慮國(guó)外有關(guān)橋梁方面的技術(shù)，應(yīng)認(rèn)真研究其優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。例如歐洲國(guó)家對(duì)結(jié)構(gòu)物的性能設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，包括對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、裂縫的處理，消除或減小振動(dòng)的方法等，這些設(shè)計(jì)都將加強(qiáng)橋梁的可靠性安全性和耐久性的設(shè)計(jì)。

2.7 橋梁附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)

橋梁附屬設(shè)備包括伸縮縫、支座、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，這些部分雖然在工程造價(jià)中僅占很少的一部分，但也發(fā)揮著重要的作用。現(xiàn)已建成的大多數(shù)橋梁的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅僅是使用排水管將水引出橋面而已。降雨時(shí)，橋下成了“水簾洞”，這對(duì)于一些立交橋和高架橋而言更是不合理的，大量的橋面污水直接擊打著地面，污水落地后肆意流淌，有些甚至直接流入良田。這樣的設(shè)計(jì)絲毫未考慮環(huán)保的因素。現(xiàn)在采用綠色設(shè)計(jì)對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。一是選擇排水系統(tǒng)的材料。傳統(tǒng)的材料是鑄鐵，這種材料易銹蝕且造價(jià)高，同時(shí)不利于不可再生資源的節(jié)約。有鑒于此，可考慮使用PVC管等材料，這些材料具有輕質(zhì)、節(jié)能、抗腐蝕的特點(diǎn)。二是設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的數(shù)量。由于設(shè)計(jì)人員對(duì)排水系統(tǒng)缺乏足夠的重視，往往是按大概的間距進(jìn)行設(shè)置，這樣會(huì)造成排水不暢或排水系統(tǒng)過(guò)多，違反了綠色設(shè)計(jì)的原則。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕邓闆r進(jìn)行水力計(jì)算來(lái)準(zhǔn)確設(shè)置足夠數(shù)量的排水系統(tǒng)。三是排水系統(tǒng)將水引離橋面后，還應(yīng)對(duì)水流進(jìn)行疏導(dǎo)直至地面。為保證橋梁的美觀，在有條件的情況下可考慮將排水系統(tǒng)埋入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)，但應(yīng)確保檢修方便。另外可將若干橋面排水管通過(guò)連接管連通，再接入同一套疏導(dǎo)系統(tǒng)，并起到美觀、低能耗且形式簡(jiǎn)潔的作用。四是引到地表的水還應(yīng)再引入合適的排水溝，最好設(shè)置沉淀池，以減少污染。

3 結(jié)語(yǔ)

橋梁設(shè)計(jì)中的可靠性關(guān)系到橋梁質(zhì)量好壞，有關(guān)這方面的問(wèn)題應(yīng)引起橋梁設(shè)計(jì)人員的高度重視。要積極尋找解決橋梁的可靠性問(wèn)題的有效方法，同時(shí)也可借鑒國(guó)外優(yōu)秀的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和做法，同時(shí)要加強(qiáng)橋梁設(shè)計(jì)的施工管理和設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)。

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1007-6344（2015）03-0168-01