蔣仕明

（懷化市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 懷化 418000）

國內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范針對橋梁設(shè)施的設(shè)計提出了關(guān)于適用性、經(jīng)濟性、安全性與美觀性等方面的要求，幾乎涵蓋了人們真正關(guān)心的所有問題。在實際的設(shè)計工作中，主要按照承載力與正常使用這兩個狀態(tài)，其中，前者指的是對即將喪失服務(wù)能力的實際狀態(tài)下對承載能力進行控制，其設(shè)計基本原則為荷載效應(yīng)對應(yīng)的最不利組合不能超過結(jié)構(gòu)抗力。根據(jù)荷載、材料與實際工作條件的安全系數(shù)，綜合考慮各類因素共同作用下結(jié)構(gòu)體系安全儲備，屬于極限狀態(tài)法，主要保證的是設(shè)計安全性。而后者是指對正常使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及裂縫與變形等進行控制，使其處在一定限度之內(nèi)，主要保證的是設(shè)計適用性。

1.橋梁安全性及耐久性概述

無論控制及計算方法合理與否，它們都將保證設(shè)計安全性及適用性作為出發(fā)點，但對經(jīng)濟性與美觀性方面的要求并沒有提出明顯指標。當然，在橋梁工程的方案設(shè)計及評審過程中勢必會對經(jīng)濟性與美觀性方面的要求予以考慮，比如中小型橋梁大多關(guān)注經(jīng)濟性，而大型及特大型橋梁大多關(guān)注美觀性，但有必要提出，方案設(shè)計及評審兩個階段針對經(jīng)濟性進行的評估通常只考慮建設(shè)過程中的成分，未能考慮養(yǎng)護維修方面的成分，所以這種評估較為片面。最典型的案例就是斜拉橋換索，如圖1所示，因受到技術(shù)水平的影響與限制，拉索使用壽命一般不超過30年，而橋梁服役期限基本都超過30年，所以在斜拉橋正常服役過程中，至少需要更換一次拉索，若在橋梁建設(shè)階段就考慮這方面投入，則在跨度小于1000m的橋梁競爭當中，斜拉橋?qū)⑹ソ?jīng)濟性優(yōu)勢，和懸索橋之間的差距將被進一步拉大，懸索橋如圖2所示[1]。

圖1 斜拉橋拉索構(gòu)造

圖 2 懸索橋

在當前的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，普遍存在這樣這一傾向：在設(shè)計過程中過多考慮強度，而沒有充分考慮耐久性；注重強度極限狀態(tài)，沒有對使用極限狀態(tài)引起足夠的重視，而對于橋梁而言，其在整個壽命周期當中最為重要和關(guān)鍵的卻是使用過程中各項性能的具體表現(xiàn)；注重結(jié)構(gòu)施工，沒有對結(jié)構(gòu)維護引起重視。事實上，當前的橋梁工程設(shè)計工作，針對耐久性的認識還停留在一種概念的層次，不僅未能提出具體的使用年限，而且沒有開展專項設(shè)計，即在材料、結(jié)構(gòu)與程序上保證橋梁耐久性，同時提出在哪些條件下橋梁需要具備何種耐久性。以上傾向在很大程度上提高了事故發(fā)生概率，使建成后的結(jié)構(gòu)，其使用性能變差，導致使用壽命縮短；和國際上日益追求耐久性及安全性的做法相違背；同時這樣也無法適應(yīng)結(jié)構(gòu)動態(tài)及綜合經(jīng)濟性提出的要求。

2.橋梁安全性及耐久性較差的原因

2.1 橋梁的施工與管理水平相對較低

大量橋梁破壞實例引起了業(yè)界對橋梁工程安全性的重視。普遍認為導致事故發(fā)生的主要原因為野蠻施工與管理不當。針對短期內(nèi)就產(chǎn)生的事故，大多是因為施工質(zhì)量不合格引起的，常見問題有材料強度不滿足要求與所用施工工藝不符合要求等；還有一些橋梁工程存在偷工減料和材料以次充好等實際問題，給橋梁安全帶來很大的威脅[2]。

很多橋梁都在沒有達到預期壽命時就產(chǎn)生了對其正常使用有影響的病害或劣化；尤其是有些橋梁僅使用了短短幾年就產(chǎn)生了耐久性不足，這自然和施工質(zhì)量不滿足要求存在直接關(guān)系，常見問題包括鋼筋保護層厚度較小和構(gòu)件開裂等。以上施工方面的缺陷盡管在短時間內(nèi)并不會影響橋梁使用，但必定會對橋梁長時間使用中耐久性造成很大影響。

2.2 相關(guān)設(shè)計理論及結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系還有待于進一步完善

在認識到施工方面存在的各類問題基礎(chǔ)上，橋梁設(shè)計，尤其是與橋梁施工與使用過程中安全性有關(guān)的問題也存在一些亟需改進和優(yōu)化的地方。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，其首要任務(wù)在于選擇適宜的結(jié)構(gòu)方案，然后是要做好結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)件與其連接的專項設(shè)計，同時選取規(guī)范提出的安全系數(shù)確保結(jié)構(gòu)安全性。大部分設(shè)計人員都通常只注意滿足相關(guān)規(guī)范針對結(jié)構(gòu)強度提出的要求，并沒有充分考慮整個結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造、材料、維護、耐久性，也未能從整個過程入手分析經(jīng)常產(chǎn)生的錯誤。某些結(jié)構(gòu)缺乏整體性與彈性，在冗余性上遠遠不足；還有一些計算圖式與受力路線比較模糊，導致局部受力超出可承受的極限；以上都會影響到結(jié)構(gòu)耐久性，進而對結(jié)構(gòu)安全性造成威脅。很多橋梁雖然可以滿足規(guī)范及設(shè)計提出的強度要求，但只使用了不超過10年的時間就由于耐久性問題的發(fā)生而對結(jié)構(gòu)安全造成影響?？梢?，耐久性不足是一個重要的安全問題，在設(shè)計過程中需要從不同的角度入手采取有效措施保證結(jié)構(gòu)耐久性。在不同環(huán)境及使用條件下，每個對象的結(jié)構(gòu)體系布局均不同，對構(gòu)造也提出了完全不同的要求。即便規(guī)范詳細，也不可能涵蓋設(shè)計中發(fā)生的所有問題。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足相關(guān)規(guī)范提出的要求，而且設(shè)計人員還要對結(jié)構(gòu)本性有正確的認識，具備豐富的經(jīng)驗，從而做出準確判斷[3]。

3.橋梁設(shè)計中保證安全性及耐久性的建議

3.1 對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性引起高度重視

橋梁建造與使用時，必定受到各方面因素的影像，而且還要承受外來作用，橋梁建造時使用的材料不斷老化，使結(jié)構(gòu)不同部分產(chǎn)生損傷及劣化。對于大跨橋梁，我國從八十年代開始到現(xiàn)在修建了很多斜拉橋，盡管截至目前并沒有出現(xiàn)很多倒塌的案例，但很多橋梁都由于拉索耐久性不足而提前更換，這不僅會影響到正常使用，而且還會造成一定程度的經(jīng)濟損失。

應(yīng)注意的是，很多此類問題都和未能做好耐久性設(shè)計存在一定關(guān)聯(lián)，這使得人們開始重視耐久性問題。另外，根據(jù)病害實例同樣可以看出，除施工與材料因素外，對結(jié)構(gòu)耐久性有影響的因素還包括構(gòu)造上存在缺陷，而構(gòu)造上的缺陷，實際上就是設(shè)計上的缺陷[4]。

我國從九十年代就開始著手進行耐久性分析及研究，目前已經(jīng)取得了很多成果。這些分析及研究都是從材料角度入手采用統(tǒng)計分析方法進行的，還未能從結(jié)構(gòu)與設(shè)計兩個角度研討如何采用方便人員操作、便于人員理解的方法來提高結(jié)構(gòu)耐久性。此外，長時間以來，人們習慣將結(jié)構(gòu)計算方法作為研究的重點，未能對總體構(gòu)造及細節(jié)處理引起重視。耐久性設(shè)計和常規(guī)設(shè)計存在很大區(qū)別，在今后的工作中應(yīng)致力于從定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治觥?/p>

3.2 高度重視疲勞損傷方面的研究

橋梁使用時所受到的荷載均為動荷載，這些荷載會在結(jié)構(gòu)當中產(chǎn)生處在變化狀態(tài)的應(yīng)力，除了會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，還會導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生累積疲勞損傷。因橋梁建造時使用的材料不是連續(xù)且均勻的，存在一些微小缺陷，受循環(huán)荷載作用后，再小的缺陷都會發(fā)展或合并，產(chǎn)生損傷，最終變成宏觀的病害。若這些宏觀的病害沒有得到有效處治與控制，將導致材料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂。一般情況下，早期疲勞損傷很難被檢測發(fā)現(xiàn)，但它造成的后果卻是十分嚴重的，甚至是災(zāi)難性的。

在鋼橋設(shè)計中，疲勞損傷一直以來都是個核心問題，因鋼結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生的開裂并不少見，也有很多由于疲勞斷裂而產(chǎn)生垮塌事故的案例。近幾年，對疲勞損傷開展的分析及研究已經(jīng)開始進入到混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，而對于使用過程中受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動態(tài)性能與疲勞性能分析還需要進一步加強。對疲勞損傷進行的分析及研究并非只針對整個結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)常因為某些關(guān)鍵位置產(chǎn)生疲勞失效導致結(jié)構(gòu)失效[5]。

3.3 提高對橋梁超載問題的關(guān)注程度

對于汽車超載，可分成以下三種情況：第一，舊橋超齡負載；第二，橋梁通行實際車流量遠超原設(shè)計；第三，違規(guī)超載。對于前兩者，其產(chǎn)生原因以設(shè)計荷載變化與交通量增加為主，第三種在實際的公路運輸中屬于一種十分常見的情況。橋梁超載會引發(fā)疲勞問題，導致疲勞應(yīng)力大幅增加，使損傷加劇，嚴重時還會造成結(jié)構(gòu)破壞。此外，超載引起的損傷往往難以恢復，導致橋梁在正常使用情況下工作狀態(tài)產(chǎn)生變化，對橋梁安全性及耐久性造成影響。比如，對于混凝土橋梁而言，一直被人們視作一種耐久性很好的橋梁，而在汽車超載影響下，也會產(chǎn)生裂縫；即便卸載卸除之后裂縫可以閉合，但因為結(jié)構(gòu)已經(jīng)被損壞，所以構(gòu)件剛度已經(jīng)明顯下降；在這種情況下，處于正常使用荷載狀態(tài)時，可能不會產(chǎn)生裂縫的結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生裂縫或遠超規(guī)范要求的變形。顯然，這會給結(jié)構(gòu)性能與耐久性造成很大影響，一方面要切實加強管理，另一方面則要加強對超載后果的分析與研究。

4.結(jié)語

橋梁安全性與耐久性不足已經(jīng)成為一項必須有效解決的問題，不僅要切實加強橋梁施工過程中的控制和管理，還要從設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造等角度入手保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。除此之外，還應(yīng)深入分析并明確結(jié)構(gòu)疲勞及超載可能對橋梁耐久性和安全性造成的影響。