公路桥梁设计的安全性和耐久性研究

蒋仕明

（怀化市交通规划勘察设计院有限公司，湖南 怀化 418000）

国内现行相关规范针对桥梁设施的设计提出了关于适用性、经济性、安全性与美观性等方面的要求，几乎涵盖了人们真正关心的所有问题。在实际的设计工作中，主要按照承载力与正常使用这两个状态，其中，前者指的是对即将丧失服务能力的实际状态下对承载能力进行控制，其设计基本原则为荷载效应对应的最不利组合不能超过结构抗力。根据荷载、材料与实际工作条件的安全系数，综合考虑各类因素共同作用下结构体系安全储备，属于极限状态法，主要保证的是设计安全性。而后者是指对正常使用状态下的结构应力及裂缝与变形等进行控制，使其处在一定限度之内，主要保证的是设计适用性。

1.桥梁安全性及耐久性概述

无论控制及计算方法合理与否，它们都将保证设计安全性及适用性作为出发点，但对经济性与美观性方面的要求并没有提出明显指标。当然，在桥梁工程的方案设计及评审过程中势必会对经济性与美观性方面的要求予以考虑，比如中小型桥梁大多关注经济性，而大型及特大型桥梁大多关注美观性，但有必要提出，方案设计及评审两个阶段针对经济性进行的评估通常只考虑建设过程中的成分，未能考虑养护维修方面的成分，所以这种评估较为片面。最典型的案例就是斜拉桥换索，如图1所示，因受到技术水平的影响与限制，拉索使用寿命一般不超过30年，而桥梁服役期限基本都超过30年，所以在斜拉桥正常服役过程中，至少需要更换一次拉索，若在桥梁建设阶段就考虑这方面投入，则在跨度小于1000m的桥梁竞争当中，斜拉桥将失去经济性优势，和悬索桥之间的差距将被进一步拉大，悬索桥如图2所示[1]。

图1 斜拉桥拉索构造

图 2 悬索桥

在当前的桥梁结构设计工作中，普遍存在这样这一倾向：在设计过程中过多考虑强度，而没有充分考虑耐久性；注重强度极限状态，没有对使用极限状态引起足够的重视，而对于桥梁而言，其在整个寿命周期当中最为重要和关键的却是使用过程中各项性能的具体表现；注重结构施工，没有对结构维护引起重视。事实上，当前的桥梁工程设计工作，针对耐久性的认识还停留在一种概念的层次，不仅未能提出具体的使用年限，而且没有开展专项设计，即在材料、结构与程序上保证桥梁耐久性，同时提出在哪些条件下桥梁需要具备何种耐久性。以上倾向在很大程度上提高了事故发生概率，使建成后的结构，其使用性能变差，导致使用寿命缩短；和国际上日益追求耐久性及安全性的做法相违背；同时这样也无法适应结构动态及综合经济性提出的要求。

2.桥梁安全性及耐久性较差的原因

2.1 桥梁的施工与管理水平相对较低

大量桥梁破坏实例引起了业界对桥梁工程安全性的重视。普遍认为导致事故发生的主要原因为野蛮施工与管理不当。针对短期内就产生的事故，大多是因为施工质量不合格引起的，常见问题有材料强度不满足要求与所用施工工艺不符合要求等；还有一些桥梁工程存在偷工减料和材料以次充好等实际问题，给桥梁安全带来很大的威胁[2]。

很多桥梁都在没有达到预期寿命时就产生了对其正常使用有影响的病害或劣化；尤其是有些桥梁仅使用了短短几年就产生了耐久性不足，这自然和施工质量不满足要求存在直接关系，常见问题包括钢筋保护层厚度较小和构件开裂等。以上施工方面的缺陷尽管在短时间内并不会影响桥梁使用，但必定会对桥梁长时间使用中耐久性造成很大影响。

2.2 相关设计理论及结构构造体系还有待于进一步完善

在认识到施工方面存在的各类问题基础上，桥梁设计，尤其是与桥梁施工与使用过程中安全性有关的问题也存在一些亟需改进和优化的地方。对于结构设计工作，其首要任务在于选择适宜的结构方案，然后是要做好结构分析及构件与其连接的专项设计，同时选取规范提出的安全系数确保结构安全性。大部分设计人员都通常只注意满足相关规范针对结构强度提出的要求，并没有充分考虑整个结构体系、构造、材料、维护、耐久性，也未能从整个过程入手分析经常产生的错误。某些结构缺乏整体性与弹性，在冗余性上远远不足；还有一些计算图式与受力路线比较模糊，导致局部受力超出可承受的极限；以上都会影响到结构耐久性，进而对结构安全性造成威胁。很多桥梁虽然可以满足规范及设计提出的强度要求，但只使用了不超过10年的时间就由于耐久性问题的发生而对结构安全造成影响。可见，耐久性不足是一个重要的安全问题，在设计过程中需要从不同的角度入手采取有效措施保证结构耐久性。在不同环境及使用条件下，每个对象的结构体系布局均不同，对构造也提出了完全不同的要求。即便规范详细，也不可能涵盖设计中发生的所有问题。因此，结构设计不仅要满足相关规范提出的要求，而且设计人员还要对结构本性有正确的认识，具备丰富的经验，从而做出准确判断[3]。

3.桥梁设计中保证安全性及耐久性的建议

3.1 对桥梁结构耐久性引起高度重视

桥梁建造与使用时，必定受到各方面因素的影像，而且还要承受外来作用，桥梁建造时使用的材料不断老化，使结构不同部分产生损伤及劣化。对于大跨桥梁，我国从八十年代开始到现在修建了很多斜拉桥，尽管截至目前并没有出现很多倒塌的案例，但很多桥梁都由于拉索耐久性不足而提前更换，这不仅会影响到正常使用，而且还会造成一定程度的经济损失。

应注意的是，很多此类问题都和未能做好耐久性设计存在一定关联，这使得人们开始重视耐久性问题。另外，根据病害实例同样可以看出，除施工与材料因素外，对结构耐久性有影响的因素还包括构造上存在缺陷，而构造上的缺陷，实际上就是设计上的缺陷[4]。

我国从九十年代就开始着手进行耐久性分析及研究，目前已经取得了很多成果。这些分析及研究都是从材料角度入手采用统计分析方法进行的，还未能从结构与设计两个角度研讨如何采用方便人员操作、便于人员理解的方法来提高结构耐久性。此外，长时间以来，人们习惯将结构计算方法作为研究的重点，未能对总体构造及细节处理引起重视。耐久性设计和常规设计存在很大区别，在今后的工作中应致力于从定性分析转变为定量分析。

3.2 高度重视疲劳损伤方面的研究

桥梁使用时所受到的荷载均为动荷载，这些荷载会在结构当中产生处在变化状态的应力，除了会使结构产生振动，还会导致结构产生累积疲劳损伤。因桥梁建造时使用的材料不是连续且均匀的，存在一些微小缺陷，受循环荷载作用后，再小的缺陷都会发展或合并，产生损伤，最终变成宏观的病害。若这些宏观的病害没有得到有效处治与控制，将导致材料或结构产生脆性断裂。一般情况下，早期疲劳损伤很难被检测发现，但它造成的后果却是十分严重的，甚至是灾难性的。

在钢桥设计中，疲劳损伤一直以来都是个核心问题，因钢结构疲劳产生的开裂并不少见，也有很多由于疲劳断裂而产生垮塌事故的案例。近几年，对疲劳损伤开展的分析及研究已经开始进入到混凝土结构领域，而对于使用过程中受腐蚀的钢筋混凝土构件的动态性能与疲劳性能分析还需要进一步加强。对疲劳损伤进行的分析及研究并非只针对整个结构，桥梁结构经常因为某些关键位置产生疲劳失效导致结构失效[5]。

3.3 提高对桥梁超载问题的关注程度

对于汽车超载，可分成以下三种情况：第一，旧桥超龄负载；第二，桥梁通行实际车流量远超原设计；第三，违规超载。对于前两者，其产生原因以设计荷载变化与交通量增加为主，第三种在实际的公路运输中属于一种十分常见的情况。桥梁超载会引发疲劳问题，导致疲劳应力大幅增加，使损伤加剧，严重时还会造成结构破坏。此外，超载引起的损伤往往难以恢复，导致桥梁在正常使用情况下工作状态产生变化，对桥梁安全性及耐久性造成影响。比如，对于混凝土桥梁而言，一直被人们视作一种耐久性很好的桥梁，而在汽车超载影响下，也会产生裂缝；即便卸载卸除之后裂缝可以闭合，但因为结构已经被损坏，所以构件刚度已经明显下降；在这种情况下，处于正常使用荷载状态时，可能不会产生裂缝的结构也会产生裂缝或远超规范要求的变形。显然，这会给结构性能与耐久性造成很大影响，一方面要切实加强管理，另一方面则要加强对超载后果的分析与研究。

4.结语

桥梁安全性与耐久性不足已经成为一项必须有效解决的问题，不仅要切实加强桥梁施工过程中的控制和管理，还要从设计理念、结构体系及构造等角度入手保证桥梁结构的耐久性。除此之外，还应深入分析并明确结构疲劳及超载可能对桥梁耐久性和安全性造成的影响。