关于桥梁设计中安全性与耐久性的探讨

于向前 李宝银 彭璐璐

（陕西飞虹桥梁勘测设计研究有限公司，陕西 西安 710054）

前言

近些年来，国内发生不少桥梁倒塌的严重事故，造成很多不该有的人间悲剧。但调查分析结果表明，很多事故是因为设计不规范或施工不注意质量控制造成的。施工中的偷工减料、工程腐败，设计中的态度不严谨，计算错误等等都是造成桥梁英年旱逝或出现安全隐患的重要因素。目前，桥梁设计的耐久性设计，常常只是作为一个参考价值，而不是具体计算出其应有的安全使用年限，更不会对桥梁的耐久性进行一系列的实验研究探讨。这种现象在一定程度上导致了桥梁事故发生频繁、结构使用性能差、耐久性差的严重后果，也背离了国际上对桥梁的结构的耐久性、安全性、适用性日益重视的发展趋势。

1 桥梁安全性、耐久性差的主要原因

1.1 施工和管理水平低

国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁安全性问题倍加关注。一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。而大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出现了影响正常使用的病害与劣化；特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题，这也与施工质量低下有重要关系，典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题。

1.2 设计理论和结构构造体系不够完善

在承认施工存在问题的同时，也不可否认，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。

2 提高桥梁安全和耐久的两个必要措施：

2.1 规范、规程、指南、标准

结构与安全，或曰使用功能健全需有各项内因的高质量保证，具有坚强抵抗外因的“体能”：如前所述，斜拉桥的拉索如质量获得保证，那么结构寿命期内换索就可减少一次或二次。质量保证首先反映的是科学技术、工艺水平。如果拉索寿命可达到所要求设计寿命期的那样长，那么就不需要换索了。如钢桥的油漆保护能达到100年，那么钢结构建好后，就不需要再油漆保养了，如果我们能制造出耐久100年的高强混凝土，那么为了保证结构使用寿命期的维修、养护、更换、加固都不需要了…能不能在工程结构建设中做到“一劳永逸”，目前尚不可能。因而对结构建设过程中的各个方面工作都需要有质量保证体系。其中最首要的即是“行为”的规范、规程、指南或标准。

总而言之，要建成一项大型工程，一切工作都要有管理条例，各项工作都必须按规定执行，不能随心所欲修改或变更，也即在过程中，一切修改和变更都要有文件规定。这些规定的选择是业主的权限与职责。

2.2 结构设计新理念的提出

随着时代经济的高速发展，人类所建造的各种大型工程结构物，规模巨大，结构复杂，功能众多。国际上称之为“超级工程”。这些工程的特点是：投资巨大，技术复杂，环境影响严重，袭击破坏机率增大(风、浪、地震、海啸、船撞、破坏等等)和维修、养护、加固难度大。因而，过去只限于设计、施工质量的单一层面上去寻求结构的安全性就不够了。从上世纪七十年代后，国内外专家在分析研究、认真总结经验教训的基础上，除强调结构设计和建造时期的安全性、耐久性、整体牢固性的要求外，逐步讨论了结构在使用期间的检测、维修、加固的新技术，对不同工程结构物的灾害和可接受的危险水平和评估进行了深入研究，提出了耐久性设计的概念。结构耐久性设计所要解决的问题也就是经济、合理的使用年限问题，即结构寿命期问题。

但同时考虑到一座大型结构物要服务一百年，试想近代的科学、经济的高速发展，这一百年对结构而言，内、外因变化很大，特别是外因，试问结构功能如何适应变化而改变或增强它的服务功能?推论：如结构物的设计寿命期为一百年，预测百年的使用要求。定出各个标准进行设计，这很难实现。然而，工程师能使结构物适应各种变化，采取各种措施使结构获得更强大的“体能”为交通服务。为解决这一问题，在设计和建造阶段就要挑战传统设计理念：对设计工程师要求对结构设计时应使结构具有六大特性，即可检性，可修性，可换性，可强性，可控性及可持续性。因为如果建成的结构物，各个部件不可检查，不可更换，无法修复，不能控制，不能加强，不可持续，那么结构在内、外因复合作用下，就会一天天衰退，破损，倒塌而“生命夭折”。工程师必须清醒承认整体结构的寿命和各部件的寿命是不等的，如橡胶支座寿命不超过20年，拉索的寿命仅10～40年，拉索的护套寿命不超过20年，钢结构的油漆保护最优为20年等等。只有对这些自身寿命期低于结构设计寿命期的部件必需要在构造上保证可查、可修、可换、可加强，对结构在外因变化剧变情况下，结构的变形要在构造上“可控”，才能够在运营阶段对桥梁进行维修、加固等措施，从而保证结构的耐久性。如金门大桥在90年代加固时，在塔梁交接处增设了油泵阻尼系统。设计施工阶段的耐久性设计要兼顾桥梁的寿命期成本和结构特性要求，它是桥梁耐久性的基础。在桥梁运营、维护阶段，对桥梁定期进行检测与评估，从而对桥梁进行加固和维修，来进一步保证桥梁的耐久性。

3 风险评估与保险

作者在上面提出的新设计理念中的关键技术就是对桥梁进行风险评估。在设计施工和运营阶段都要进行风险评估，但它们的含义和目的是不同的。在设计施工阶段的风险评估，就应该充分考虑桥梁在整个生命周期内的风险。认识到桥梁在其生命过程的每时每刻中都面临着风险，风险即损失的不确定性或与预期目标的差异。固然可通过一定的措施减少风险，但却无法消除风险。风险的客观性使得损失的可能性客观存在。作为生命线工程之一的桥梁工程在国民经济的发展中和人民生活水平的提高中具有重要意义。作为交通枢纽的桥梁工程，一旦在意外事故和自然灾害中破坏，会造成很大的经济损失和极为严重的后果。

为了减少这些风险，我们在设计施工阶段就要正确评价这些风险，认识到这些风险和风险可能产生的后果以后，业主可根据自己的接受的能力来选择能够承受的风险和投资水平。从而确定合适的设计标准要求和施工技术。不要等灾害事故发生以后(即风险发生以后)，才意识到风险的严重度后果，自己不能够接受，而追悔莫及为之晚已。

4 结束语

桥梁安全性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题，要积极借鉴国外成功的经验和做法，除了加强施工质量管理外，要从桥梁设计理念、结构体系和构造的角度做好耐久性的设计，同时需要研究疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响。

[1]陈艾荣，吴海军.基于耐久性的桥梁设计的几个原则[J].上海公路，2003，(S1).

[2]彭栋木，冯建华.桥梁结构耐久性设计[J].深圳土木与建筑，2006，(02).