關(guān)于道路橋梁的設(shè)計(jì)探析

張海濤

（山東省威海市公路勘察設(shè)計(jì)院）

關(guān)于道路橋梁的設(shè)計(jì)探析

張海濤

（山東省威海市公路勘察設(shè)計(jì)院）

本文就當(dāng)前橋梁建筑出現(xiàn)耐用性、安全性能差的問題展開討論，研究分析在橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)和今后發(fā)展的方向。

橋梁建筑；設(shè)計(jì)；耐用性；安全性；注意事項(xiàng)

1 引言

當(dāng)前，我國在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在很大的弊端：設(shè)計(jì)中主要考慮強(qiáng)度問題而忽視耐用性問題；重視強(qiáng)度極限狀態(tài)忽略極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)是在一個(gè)完整的生命周期最核心的也是最能在使用中表現(xiàn)出來的；偏重結(jié)構(gòu)的建設(shè)忽視后期的維護(hù)。

1.1 道路橋梁工程在設(shè)計(jì)階段存在問題是長期積累的

我國部分橋梁工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)進(jìn)程中，都把重點(diǎn)放到了橋梁的堅(jiān)固程度能否滿足要求，忽略了建筑投入使用后的后續(xù)問題，橋梁在使用后會有結(jié)構(gòu)體系、原材料、耐用性、抗腐蝕性等多種問題產(chǎn)生，并且在施工階段會因?yàn)槿藶樵颉h(huán)境限制等，使項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段和使用過程出現(xiàn)問題，不但給橋梁的結(jié)構(gòu)受力造成困擾，還會使保護(hù)層厚度不達(dá)標(biāo)、混凝土強(qiáng)度不夠、鋼筋規(guī)格不符合要求等問題層出不窮。

1.2 設(shè)計(jì)方案與橋梁實(shí)際建設(shè)不同步

在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，部分設(shè)計(jì)方案沿襲的還是舊時(shí)期計(jì)劃，沒有考慮到現(xiàn)代化建設(shè)要求，埋下安全隱患。設(shè)計(jì)方案是對施工的理論指導(dǎo)，設(shè)計(jì)水平的高低直接決定橋梁的質(zhì)量，在我國現(xiàn)階段的橋梁建設(shè)中，新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝并未完全被采納吸收，主要原因是由于工期緊迫，承包單位為了按期完成一味地追求利益，降低成本，分配給設(shè)計(jì)單位的時(shí)間少之又少，導(dǎo)致設(shè)計(jì)部門難以考慮其他綜合因素，更加無法進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)重者會出現(xiàn)照抄他人方案等現(xiàn)象。

2 橋梁缺乏安全性和耐久性的產(chǎn)生因素

2.1 施工和管理水平不過關(guān)

經(jīng)常出現(xiàn)國內(nèi)外許多橋梁無故轟然倒塌的新聞，表面都認(rèn)為是施工質(zhì)量不過關(guān)或者缺乏監(jiān)督管理導(dǎo)致的。短期內(nèi)的突然損壞或者倒塌，其中很大一部分原因都是施工管理的不嚴(yán)格，沒有達(dá)到相關(guān)規(guī)定的要求，常見的問題出自于原材料的選擇失誤、偷工減料等。

還有一種情況，許多橋梁在未到使用日期以前，就出現(xiàn)了大范圍的損壞和坍塌，嚴(yán)重者更是使用壽命僅幾年或者新建不久就出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p壞的問題，這就與施工質(zhì)量有著不可分割的關(guān)系，更甚者就是鋼筋保護(hù)層不足和施工現(xiàn)場構(gòu)件嚴(yán)重開裂的問題，這些問題雖然不會明顯的給橋梁造表面上的傷害，但是都是橋梁中的潛在隱患。

2.2 設(shè)計(jì)理論缺少指導(dǎo)性，結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系缺少實(shí)施性

在橋梁設(shè)計(jì)階段存在的問題同樣也不可忽視。尤其是在關(guān)于橋梁施工和使用期安全性領(lǐng)域還有很大的進(jìn)步空間。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)就是篩選出實(shí)際可行的方案，再次就是結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的分析和連接的關(guān)系，采用科學(xué)可靠的安全系數(shù)或可靠性指標(biāo)來確保結(jié)構(gòu)的安全。大多設(shè)計(jì)人員的重點(diǎn)都放在強(qiáng)度計(jì)算能否符合標(biāo)準(zhǔn)，忽略了從結(jié)構(gòu)體系到結(jié)構(gòu)材料的選擇，再到結(jié)構(gòu)維護(hù)，最后到結(jié)構(gòu)耐久性，并且忽視在實(shí)際設(shè)計(jì)、施工過程中因?yàn)槿藶樵驅(qū)е碌氖杪Ｓ械慕Y(jié)構(gòu)缺少整體性和延性，冗余性??；有的計(jì)劃圖示和受力路線不明確，導(dǎo)致橋梁受力不均勻；有的混凝土強(qiáng)度低，鋼筋過細(xì)，導(dǎo)致保護(hù)度和支撐度不夠；這些因素都對橋梁的耐用性和安全性產(chǎn)生了影響。有的橋梁設(shè)計(jì)時(shí)雖然符合了相關(guān)要求，但是橋梁的使用壽命平均不到十年就會出現(xiàn)問題，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性差已經(jīng)成為讓社會足夠重視的一個(gè)問題，需要在設(shè)計(jì)時(shí)期從施工、材料選擇等多方面因素來改善。

3 道路橋梁設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)和發(fā)展的前景

3.1 結(jié)構(gòu)的耐久性問題不容忽視

橋梁無論是在建設(shè)或者使用的過程中，都會受到自然環(huán)境的侵害，化學(xué)生物的腐蝕或人為原因的傷害，與此同時(shí)，構(gòu)成橋梁原材料的性能也會逐漸降低，就會出現(xiàn)各部分有不同情況的損壞。相對于大跨橋梁來說，從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，斜拉橋的數(shù)量也在不斷上漲，盡管倒塌的實(shí)例很少，但是實(shí)際損害情況也是比較嚴(yán)重的，多座橋梁由于拉索性能的降低必須提前換拉索，不但影響了正常的使用秩序還增加了開支。

需要注意的是，諸如此類問題的發(fā)生大多數(shù)因?yàn)樵O(shè)計(jì)中缺乏耐久性的考慮，人們對橋梁的耐久性也有了新的認(rèn)識。許多實(shí)例說明，影響結(jié)構(gòu)耐久性的核心因素是構(gòu)造上的缺失，也就是設(shè)計(jì)時(shí)期的錯(cuò)漏，其他因素是由于施工和材料方面的原因。我國從20世紀(jì)90年代逐漸開始深入了對結(jié)構(gòu)耐久性的分析，到目前也有不少的科研成果。這些研究大部分是從材料和統(tǒng)計(jì)分析方面進(jìn)行總結(jié)的，對于實(shí)際中如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)性能的問題缺乏理論指導(dǎo)意義，讓人們難以輕易接受。并且，近幾年來，研究大多數(shù)是偏向結(jié)構(gòu)計(jì)算方法方向，忽視了對整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造和細(xì)節(jié)解決的辦法。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的差別，現(xiàn)階段的主要任務(wù)就是深入耐久性的分析向定量分析發(fā)展。

許多國外的橋梁設(shè)計(jì)都是缺乏耐久性，近年來耐久性作為橋梁設(shè)計(jì)的重要因素靠考慮，科學(xué)規(guī)劃結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié)，便于結(jié)構(gòu)容易檢查和維修，確保橋梁的正常使用，減少橋梁的維修費(fèi)，提供綜合效益。研究表明，國內(nèi)外所有橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性對橋梁的安全使用和經(jīng)濟(jì)使用有著舉足輕重的作用。

3.2 強(qiáng)調(diào)疲勞損傷對橋梁的傷害

橋梁結(jié)構(gòu)所承受的都是動荷載，包括車輛荷載和風(fēng)荷載。動荷載都會在結(jié)構(gòu)內(nèi)生出循環(huán)變化的能力，會加速結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，還會積累嚴(yán)重的疲勞傷害。

因?yàn)榻ㄖ蛄菏褂玫牟牧喜皇沁B續(xù)的、密度相同的，其中有很多細(xì)小的缺陷，會合并或張開，形成裂縫還有材料的分離，最終就變成了宏觀裂紋，如果不及時(shí)地加以控制，為之后的橋梁使用埋下隱患。以前疲勞損傷大多數(shù)歸咎為鋼橋設(shè)計(jì)中的重要問題，因?yàn)橛射摻Y(jié)構(gòu)疲勞而引發(fā)的鋼材破損例子居多，也有許多因?yàn)榘雌跀嗔褜?dǎo)致的橋梁傾塌的實(shí)例。近20年來，混凝土結(jié)構(gòu)的研究中已經(jīng)開始注意疲勞損傷，但是對于在使用時(shí)期受到侵害的鋼筋混凝土構(gòu)件的動態(tài)性能還有疲勞性能的研究仍然缺乏。

3.3 超載問題對橋梁的傷害

汽車超載主要分以下三種情況：第一，舊時(shí)期修建的橋梁老齡化嚴(yán)重；第二，橋梁實(shí)際的通行流量大于原設(shè)定的；第三，就是車輛違規(guī)超載。第一和第二產(chǎn)生的主要原因是設(shè)計(jì)荷載的變化以及交通運(yùn)行量的增大；第三是車輛使用者違法超載，后兩者的現(xiàn)象在實(shí)際中比較常見。

橋梁的超載在一定程度上會誘發(fā)橋梁的疲勞問題。超載會加大橋梁的承重力，加速橋梁損壞程度，其次，橋梁由于超載原因造成的損傷不能自動修復(fù)，使得橋梁在正常運(yùn)行狀態(tài)下的工作狀態(tài)發(fā)生改變，在一定程度上加速橋梁的耐久性和安全性。比如：混凝土橋梁是被公認(rèn)的耐用橋梁，但是經(jīng)過長期的汽車超載，會導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)；裂縫雖然在荷載卸除能夠自動修復(fù)，但是因?yàn)榛炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到傷害，致使內(nèi)部開裂彎距降低、承受力降低；在橋梁正常使用的狀態(tài)下，原本閉合的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了細(xì)小的裂縫，細(xì)小的裂縫因?yàn)閺埩Φ淖饔米兊脑絹碓酱?，發(fā)生大程度的變形。這些因素都會對橋梁的使用性能和耐久性產(chǎn)生影響，所以不但交管部門要加強(qiáng)管理的力度，還要對超載結(jié)果分析研究和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

3.4 取其精華，借鑒吸收先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)

國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)有的主要問題在于是結(jié)構(gòu)正常使用性能差、耐用性和安全性差。表面上看，這些問題產(chǎn)生的主要原因是施工質(zhì)量低和管理力度不足有關(guān)，但是實(shí)際上是長期形成的，工程的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該重視這一問題，全面研究并分析現(xiàn)階段的施工質(zhì)量和管理水平以及材料工藝水準(zhǔn)，選用科學(xué)的、合理的安全設(shè)計(jì)方案提高橋梁的使用質(zhì)量，這是最直接的辦法。尤其是橋梁耐久性和安全性問題的出現(xiàn)大多數(shù)與結(jié)構(gòu)體系遭到破壞或者或原材料選擇不當(dāng)以及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處理不當(dāng)有關(guān)。

4 結(jié)語

在橋梁實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，分為兩種情況來進(jìn)行的，承載能力和正常使用這兩種極限狀態(tài)。承載能力是指控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能力臨界狀態(tài)時(shí)的承載能力，設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是要求荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值，必須大于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)值。運(yùn)用荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)和工作條件系數(shù)綜合思考多種不確定因素的推動下的結(jié)構(gòu)整體的安全儲備，是一種半概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的方法，也可以說是安全性要求需要的保障。后者控制結(jié)構(gòu)指在正常使用狀態(tài)下，承受能力、裂縫程度以及變形都要小于一定的限值，以求符合適用性的發(fā)展。