市政公路橋梁設(shè)計中的安全性和耐久設(shè)計探討

馮泰鵬

【摘要】在國內(nèi)的市政公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有這樣的傾向：設(shè)計中考慮強度多而考慮耐久性少；重視強度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)在整個生命周期中最重要的卻恰恰是使用時的性能表現(xiàn)；重視結(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護。這些傾向在一定程度上導(dǎo)致了當(dāng)前工程事故頻發(fā)、結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短的不良后果；也不符合結(jié)構(gòu)動態(tài)和綜合經(jīng)濟性（考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護等整個周期的費用）的要求。所以，在我們對市政公路橋梁的安全性和耐久性性設(shè)計很難找到一個標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)。本文就針市政公路橋梁設(shè)計的安全性和耐久性問題進行了探討研究。

【關(guān)鍵詞】市政公路橋梁；市政公路橋梁設(shè)計；安全性；耐久性

引言

目前在國內(nèi)的市政公路橋梁設(shè)計中，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進行專門的耐久性設(shè)計，比如從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計程序上保證耐久性，并明確聲明在何種維護和使用條件下，市政公路橋梁具有哪種程度的耐久性等。

1 市政公路橋梁安全性、耐久性差的主要原因

1.1 施工和管理水平低

國內(nèi)外多座市政公路橋梁的突然破壞與倒塌，已使工程界對市政公路橋梁安全性問題倍加關(guān)注。一般的看法認(rèn)為當(dāng)前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導(dǎo)致。對于短期內(nèi)發(fā)生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設(shè)計要求，典型的問題包括材料強度不足和施工工藝不合格等；也有個別市政公路橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴(yán)重的管理問題，更是對市政公路橋梁安全造成致命的損害。

而大量的市政公路橋梁在遠沒有達到預(yù)期使用壽命時，出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化；特別是一些市政公路橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴(yán)重的耐久性不足的問題，這也與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴(yán)重的構(gòu)件開裂問題（主要原因包括：水泥選用、混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護不當(dāng)及預(yù)應(yīng)力施加不合理等）。這些施工上的缺陷雖然短期不會對市政公路橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響，但卻會對結(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。

1.2 設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不夠完善

結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是選擇經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案，其次是結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件和連接的設(shè)計，并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠性指標(biāo)以保證結(jié)構(gòu)的安全性。 許多設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過?。贿@些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問題，設(shè)計時要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強結(jié)構(gòu)耐久性。

不同的環(huán)境和使用條件、不同的設(shè)計對象都會對結(jié)構(gòu)體系提出不同的布局和構(gòu)造等方面的要求。規(guī)范再詳細(xì)也不能包羅本應(yīng)由設(shè)計人員解決的各種問題、規(guī)范更新得再快也適應(yīng)不了新認(rèn)識、新技術(shù)、新材料快速發(fā)展對結(jié)構(gòu)提出的各種新的要求。因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足規(guī)范的要求外，還要求設(shè)計人員具有對結(jié)構(gòu)本性的正確認(rèn)識、豐富的經(jīng)驗和準(zhǔn)確的判斷。

2 針對上述原因今后需要改進和努力的方向

2.1 應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題

市政公路橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，并要承受車輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時市政公路橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨市政公路橋梁領(lǐng)域，國內(nèi)從上世紀(jì)80年代以來，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴(yán)重?fù)p害的例子很少，但已經(jīng)有多座市政公路橋梁因為拉索的耐久性問題而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟損失。需要指出的是，很多這類問題與沒有進行合理的耐久性設(shè)計有關(guān)，這也促使人們重新認(rèn)識市政公路橋梁的耐久性問題。大量的病害實例也證明，除了施工和材料方面的原因，影響結(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素是來自構(gòu)造上（也即設(shè)計上）的缺陷。

國內(nèi)從上世紀(jì)90年代開始重視了對結(jié)構(gòu)耐久性的研究，也取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統(tǒng)計分析的角度進行的，對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計的角度及如何以設(shè)計和施工人員易于接受和操作的方式來改善市政公路橋梁耐久性卻很少有人研究。而且，長期以來，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計算方法的研究，卻忽視了對總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著本質(zhì)的區(qū)別，目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。

2.2 重視對疲勞損傷的研究

市政公路橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會引起結(jié)構(gòu)的振動，還會引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。由于市政公路橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會逐漸發(fā)展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測到，但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。

2.3 充分重視市政公路橋梁的超載問題

超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運營；其二是市政公路橋梁通行的車流量超過原設(shè)計；另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計荷載的變化和交通量的增加；后者是車輛使用者違法超載營運，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍。

市政公路橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。超載會使市政公路橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超載造成的市政公路橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使得市政公路橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害市政公路橋梁的安全性和耐久性。例如，混凝土市政公路橋梁一直被認(rèn)為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形。這些都會對結(jié)構(gòu)長期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響，因此除了交管部門要加強管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。

2.4 積極借鑒國外的經(jīng)驗和成果提高橋梁使用壽命

在國外，非常重視對結(jié)構(gòu)物進行性能設(shè)計（即PBD，Performance Based Design），內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動、強健性、美觀、耐久性能、疲勞性等。PBD研究主要是使結(jié)構(gòu)在運營過程中除了保證最低的安全性要求外，尚應(yīng)有良好的使用性能（包括壽命和耐久性、抗腐蝕、耐疲勞性、美觀等）。就本質(zhì)而言，國外的PBD理論，主要研究結(jié)構(gòu)在使用過程中表現(xiàn)出來的服務(wù)性能，分析使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機理、規(guī)律，尋求新的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和方法。

3 結(jié)語

市政公路橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，要積極借鑒國外成功的經(jīng)驗和做法，除了加強施工質(zhì)量管理外，要從市政公路橋梁設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度做好耐久性的設(shè)計。同時，需要研究疲勞和超載對于市政公路橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

參考文獻：

[1]張樹仁、王宗林.市政公路橋梁病害診斷與改造加固設(shè)計[M].人民交通出版社. 2008

[2]劉秉京，混凝土技術(shù)[M].人民交通出版社. 2009