研究桥梁设计中的安全性和耐久性问题

高红霞

(贵州智恒工程勘察设计咨询有限公司，贵州 贵阳 550004)

1 桥梁设计现存问题

现行技术规范针对桥梁工程设计有以下基本要求：经济适应性、安全性和美观性，以上要求几乎涵盖人们关心的和桥梁有关的所有问题。在实际的设计工作中，需要按照承载力与正常使用实施，其中，前者是指对结构即将失去服务能力时对应的承载力进行控制，其设计原则为荷载效应达到不利组合条件下的设计值不能超过结构自身抗力。通过对荷载安全系数的合理应用，充分考虑各类不确定因素持续作用下的桥梁整体结构安全性储备。以上设计方法即为极限状态法，能保证安全性；而后者是指对结构处于正常使用状态下对应的应力进行控制，要求裂缝与变形都不能超过限值，属于适应性方面的要求。

先不考虑以上理论能否做到安全合理，以上理论都能从定性与定量两个方面保证桥梁设计安全性及适用性。然而，对经济性与美观性而言，无明确指标来衡量。虽然在桥梁的方案设计与综合评审过程中会对经济性与美观性方面的要求进行考虑，但这一阶段针对经济性进行的评估通常仅重视建设成本，在后期养护与维修方面缺乏长期考虑。基于此，这项评估较为片面，其中最典型的问题就是斜拉桥拉索更换。因受到技术的影响和限制，拉索寿命不超过30年，而桥梁设计寿命可以达到100年，所以在桥梁整个服役过程中需要更换至少3次拉索，每次都要进行机械穿索，由此增加的投入是很大的。

目前，在桥梁设计工作中，有如下倾向：注重强度、忽视耐久性；注重强度极限状态、忽视使用极限状态。从桥梁结构角度讲，在其全寿命周期中，以使用过程中的性能表现更加重要。在实际工作中，针对结构耐久性的问题，主要将其视作一种概念来考虑，不仅没有提出使用年限方面的要求，而且也未能开展耐久性设计。以上设计倾向将引发工程事故，导致结构的性能显著变差，缩短使用寿命。

2 桥梁结构耐久性与安全性不满足要求的原因

2.1 施工与管理方面

国内外越来越多的桥梁突然发生倒塌使人们开始认识到保证桥梁安全性的重要作用与意义。普遍认为是由于施工与管理不到位造成的。而对于在短时间内产生的倒塌，主要原因为桥梁设计没有达到要求与施工不规范，如材料选择不当与施工工艺方法不满足要求。另外，还有某些桥梁工程有偷工减料的问题，对桥梁安全带来极大的影响。

很多桥梁在远远没有达到要求的寿命就出现很多可能对其正常使用造成影响的劣化和病害，尤其是某些桥梁仅使用了很短一段时间就产生了耐久性与安全性方面的问题，这和施工质量较低存在直接关系，包括钢筋保护层的厚度偏小导致构件产生裂缝等。以上施工缺陷尽管在短时间内不会影响桥梁正常使用，但会对桥梁结构在长时间使用状态下的耐久性造成危害。

2.2 设计理论与结构构造体系方面

在确认了桥梁施工存在一些问题的基础上，桥梁设计，尤其是和桥梁施工与使用过程中涉及到安全性方面的问题，仍需不断的改进与加强。在结构设计中，应先制定一个经济合理且技术可行的方案，然后做好结构分析和对构件及其连接进行的设计，同时按照规范提出的安全系数从根本上保证结构体系安全性。

绝大多数设计人员都将重点放在满足相关规范提出的安全度要求上，没有从结构与其材料及构造等方面进行专门的设计，导致结构自身安全性不足，如局部受力不均、钢筋保护层厚度不足、配筋直径偏细等，对结构的耐久性造成影响，进而影响整个结构体系的安全性。也有一些桥梁虽然可以满足现行规范提出的强度要求，但只使用了几年就由于耐久性不足导致结构不安全。可见，耐久性问题是影响安全的关键因素，在设计过程中需要从不同的角度入手，采取有效措施对结构耐久性予以加强。

在不同使用条件与环境下，不同设计对象对结构提出的要求有所不同。无论规范如何详细，都无法包括需要由设计人员自己考虑和解决的相关问题，而且无论规范更新的如何及时，也无法完全适应现阶段各种新型材料、认识与技术。基于此，要想保证结构设计成果的可靠性与合理性，不仅要满足技术规范提出的各项要求，对设计人员而言，还应对结构的本性作出正确的理解，然后结合自身经验进行判断。

3 保证桥梁设计结构耐久性与安全性的有效方法

3.1 注重结构耐久性

桥梁工程建造与使用时，必然会受到外部环境影响，除行车荷载外，还包括风力、地震和结构疲劳性等，并且桥梁结构所用材料具有的性能将随着时间的推移不断退化，使结构上不同部分产生劣化与损坏。比如，在大跨桥方面，我国从八十年代开始修建了很多斜拉桥，尽管现在并没有产生很多倒塌及严重损坏案例，但很多都由于拉索耐久性差而反复更换，不仅对正常使用造成影响，而且造成一定经济损失。

应注意，很多此方法问题和未能实施结构耐久性设计存在直接关系，促使人们开始认识到结构耐久性重要性。从桥梁病害实例可以看出，除工程施工与材料问题外，对结构耐久性有直接影响的主要因素为构造上存在缺陷，也就是设计上存在缺陷。

我国从九十年代就开始对结构耐久性给予重视，取得了一定成果。过去的研究将材料与统计分析作为重点，在怎样从结构与设计两个角度和怎样使设计与施工人员掌握正确的操作方法方面还略显不足。除此之外，长时间以来相关工作人员都重视结构计算方法方面的分析与研究，忽视了对整个结构构造与细部处理进行的分析，耐久性设计和结构设计之间存在明显区别，需要在耐久性设计方面进一步加强力度。

同样，国外桥梁也存在因耐久性较差而产生的各类问题，对此，近几年也对耐久性设计给予了高度重视，将保证结构耐久性视作需要严格遵守的原则，并对结构布局与构造细节进行统一考虑，强调确保结构具有可检查性和可维修性，使桥梁得以正常和安全的使用，减少维修方面的成本，创造更大经济效益。无论国内还是国外相关研究与实践成果均表明，对桥梁工程而言，其结构耐久性在很大程度上决定了桥梁运营安全性与经济性。

3.2 加强疲劳损伤分析研究

桥梁结构体系承受的荷载均为动荷载，如风荷载与车辆荷载等，这些动荷载会在结构当中产生一定趋于变化的应力，除了会使结构产生振动，还会导致结构由于振动而产生疲劳性损伤。因桥梁工程所用材料并不完全是连续与均匀的，而且还有一些缺陷，所以在受到循环荷载持续作用后，这些缺陷将不断发展，最终通过合并产生大的损伤，同时在材料当中产生可见的裂缝等宏观损伤。若这些宏观损伤未能得到控制与解决，将导致材料或整体结构产生断裂。一般早期疲劳性损伤很难通过检测发现，但它带来的影响与后果通常是具有灾难性的。

对于疲劳损伤，在过去始终被认为是桥梁设计主要问题之一，尤其是钢桥，因钢结构产生疲劳而导致结构开裂的现象有很多。虽然近几年针对疲劳损伤的进行研究已经延伸到混凝土结构当中，而对使用过程中容易产生腐蚀现象的钢混及纯钢结构，相应的研究力度还不足，仍需进一步加强。

对结构疲劳性损伤进行的研究除了对整体结构，还和某个关键位置由于局部疲劳而产生失效有关，因为局部失效还会造成整个结构发生失效。

3.3 注重桥梁超载

对于桥梁超载，主要存在以下三种情况：第一种情况为既有桥梁超龄负载；第二种情况为桥梁上实际通行量远超设计要求；第三种情况为车辆违规超载。其中，第一种和第二种情况主要产生原因为设计荷载产生变化及交通量大幅增加，而第三种情况产生原因为车辆的车主违规超载运行。在我国，后两种情况比较常见。

桥梁超载除了会使结构产生疲劳，还会增大疲劳应力，导致损伤加剧，甚至引起破坏事故。另外，因超载产生的损伤无法恢复，所以会使桥梁即便在正常情况下其工作状态也会产生较大的变化，对桥梁结构耐久性与安全性造成影响。基于此，一方面交通管理部门必须提高管理力度，另一方面则要在设计中充分考超载可能产生的后果，在设计中予以适当的分析。

4 结束语

综上所述，结构耐久性与安全性是桥梁工程设计需要注意的要点问题，但很多原因会导致桥梁设计的耐久性与安全性不足，对此，可通过对耐久性设计的重视、疲劳损伤分析的加强与桥梁超载问题的控制来有效解决，以此从根本上提高耐久性与安全性。