橋梁設(shè)計中耐久性存在的問題及對策研究

曹武軍

【摘 要】針對當(dāng)前橋梁設(shè)計中存在的安全耐久性問題，分析出橋梁安全性、耐久性不足的危害，進(jìn)而針對橋梁設(shè)計中存在的問題，提出健全規(guī)范、更新設(shè)計理念、創(chuàng)新設(shè)計方法等相應(yīng)的改進(jìn)應(yīng)對措施。

【關(guān)鍵詞】橋梁設(shè)計；安全性；耐久性；規(guī)范；設(shè)計理念

中圖分類號： U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0200-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.088

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，跨入21世紀(jì)后興起了橋梁工程建設(shè)的新熱潮，近幾年建成了許多大橋，如青島海灣大橋、港珠澳大橋、滬通長江大橋、重慶朝天門長江大橋等。特別是隨著國際性的金融危機(jī)，我國制定了一系列的政策進(jìn)行應(yīng)對，其中主要的一項便是加大基礎(chǔ)建設(shè)的投資力度，拉動內(nèi)需。有的省市每年在這方面的投資數(shù)百億人民幣。但在大量新建的同時，也已經(jīng)出現(xiàn)了許多因安全性不夠、耐久性不良等而過早報廢的橋梁，遠(yuǎn)沒有達(dá)到服務(wù)年限就被拆。例如北京西直門立交橋使用僅19年，就因嚴(yán)重剝蝕和鋼筋銹蝕破壞等原因不得已，于1999年報廢重建。此類事件不勝枚舉，國內(nèi)外的慘重教訓(xùn)應(yīng)該值得我們借鑒，我們應(yīng)該思考工作中的不足和采取哪些措施盡量避免發(fā)生慘劇。造成橋梁安全性不夠、耐久性不良的原因是多方面的；建設(shè)程序管理體制的問題、過程、設(shè)計、施工過程不健全；建成后的后期管理機(jī)制不健全等。涉及到工程建設(shè)的業(yè)主、設(shè)計方、承包方、施工方等各個方面。本文僅從設(shè)計方面的若干問題進(jìn)行分析，并提出一些對策措施。

1 橋梁安全性、耐久性不足的危害

隨著時代經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類所建造的各種大型工程結(jié)構(gòu)物，規(guī)模巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能眾多。這些工程的特點是：投資巨大，技術(shù)復(fù)雜，環(huán)境影響嚴(yán)重，襲擊破壞機(jī)率增大（風(fēng)、浪、地震、海嘯、船撞、破壞等等）和維修、養(yǎng)護(hù)、加固難度大，一旦出現(xiàn)安全耐久性問題，影響是非常大的。

1.1 巨額的經(jīng)濟(jì)損失

從國外的橋梁建設(shè)經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，如果在橋梁的設(shè)計和建造時期沒有很好地考慮梁的安全與耐久性，將會在橋梁的運營和維護(hù)中付出慘重的經(jīng)濟(jì)代價。如北京西直門環(huán)形立交橋，為緩解日益嚴(yán)重的交通阻塞，在上世紀(jì)末拆除重建。在拆除過程中，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)大量的凍融病害，橡膠支座老化結(jié)硬，致使支座承臺破裂，估計橋上的橡膠支座的使用壽命未滿10年。假定該橋的原設(shè)計壽命期為50年，那么其間的支座就需要更換4～5次。

1.2 嚴(yán)重的工程事故

國際上統(tǒng)計，橋梁工程事故的80%以上是由人為錯誤造成的，這些人為錯誤主要反映在結(jié)構(gòu)的安全、質(zhì)量和管理的每個環(huán)節(jié)上。如果對發(fā)生病變的橋梁不及時加固維修或拆除，將造成嚴(yán)重的工程或交通事故，甚至有的在使用中因意外原因?qū)е驴逅?。例?007年6月15日，廣州九江大橋被一艘運沙船撞擊導(dǎo)致垮塌。被撞后九江大橋修復(fù)工程歷時2年、耗資1.4億元進(jìn)行修復(fù)。

1.3 惡劣的環(huán)境社會影響

我們發(fā)現(xiàn)在不斷立項新建、改建橋梁的同時，由于各種原因也在不斷地加固維修甚至拆除不到使用年限的橋。如觀瀾河大橋，它是梅觀高速公路上的一座預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，跨徑組成為3聯(lián)4×40m，橋梁全長495.43m，該橋因為承載能力降低，不能滿足使用要求，經(jīng)專家多次論證后，需進(jìn)行拆除。而且為加速路橋等公共工程建設(shè)，國家現(xiàn)在鼓勵投資公司出資并給以一定期限如30年的經(jīng)營收入作為補(bǔ)償。如果沒有實施提高橋梁耐久性措施，對于設(shè)計工作壽命為100年的橋梁，很可能30年到期后國家接收的已是一個破舊待拆的工程。

2 橋梁設(shè)計中存在的問題

橋梁安全性、耐久性不足，既有內(nèi)因也有外因，或是內(nèi)、外因交叉影響。主要有以下幾個方面。

2.1 設(shè)計規(guī)范的先天不足

結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中的各個方面工作都需要有質(zhì)量保證體系。其中最首要的即是“行為”的規(guī)范、規(guī)程、指南或標(biāo)準(zhǔn)?？偠灾?，要建成一項大型工程，一切工作都要有管理條例，各項工作都必須按規(guī)定執(zhí)行，不能隨心所欲修改或變更，也即在過程中，一切修改和變更都要有文件規(guī)定。這些規(guī)定的選擇是業(yè)主的權(quán)限與職責(zé)。如國外的大多數(shù)的規(guī)范、規(guī)程、指南都是參考性文件。英國標(biāo)準(zhǔn)BS7543：建筑物及建筑構(gòu)件、產(chǎn)品與組件的耐久性指南前言中注明：遵守英國標(biāo)準(zhǔn)本身，并不給予豁免法律責(zé)任。它的法律責(zé)任只在業(yè)主與設(shè)計、施工承包商簽約合同中規(guī)定的使用文件中簽約確定。而我國的國家與部級的各種規(guī)范、規(guī)程都是強(qiáng)制性文件，都具有法律責(zé)任。然而，我們對它的管理大約10年一貫制，大大落后于工程學(xué)科的發(fā)展水平。特別是一些跨海大橋，目前各個規(guī)范都不適用，而我們似乎并不關(guān)心約束各項工作的規(guī)范、規(guī)程和指南文件的組織與編寫。沿海地區(qū)一些橋梁不可避免地要穿飽和、過飽和的鹽田，設(shè)計環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)行規(guī)范中的嚴(yán)重腐蝕等級F級，如何進(jìn)行高濃鹽堿環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等新問題也是規(guī)范急待解決的問題。

2.2 設(shè)計中具體細(xì)節(jié)注意不夠

具體細(xì)節(jié)方面的設(shè)計雖然繁瑣，但是保障設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，需要設(shè)計人員不斷學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗。如：設(shè)計人員對鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)洪水位了解不詳，經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計時樁基系梁位置較低，施工困難，造成系梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量不易保證。構(gòu)造設(shè)計也存在漏洞，典型問題是伸縮縫處。有的伸縮縫僅設(shè)普通橡膠支座。實際上應(yīng)改為橡膠活動支座。因為在汽車荷載作用下伸縮縫處易拉裂，普通橡膠支座會變形，極大地影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性。監(jiān)理人員應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)問題，建議業(yè)主要求設(shè)計單位進(jìn)行支座變更。再有，橋面沒有設(shè)計整體鋼筋網(wǎng)、沒有考慮汽車超載問題等。超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍，汽車超載營運，會對橋梁結(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(qiáng)管理外，設(shè)計時也需要對超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。伸縮縫處空心梁預(yù)埋數(shù)量不足、樁基主筋保護(hù)層與建筑制圖不一致等諸多問題。

2.3 設(shè)計人員學(xué)習(xí)、更新知識不夠

目前國內(nèi)建設(shè)的現(xiàn)狀是工期緊，任務(wù)重，突擊建設(shè)。這導(dǎo)致設(shè)計人員整天忙于完成設(shè)計任務(wù)，無暇認(rèn)真研究新規(guī)范，學(xué)習(xí)新技術(shù)、新材料，往往是工程設(shè)計圖基本照搬以前的設(shè)計，略作修改，而設(shè)計規(guī)范不斷更新，結(jié)果要么就是設(shè)計與現(xiàn)行規(guī)范不一致，要么就是從規(guī)范上照搬幾條，而不考慮結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境、氣候、技術(shù)水平現(xiàn)狀，讓后邊的施工、監(jiān)理無所適從，從設(shè)計之初留下隱患。比如《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62—2004）第一次明確提出100年設(shè)計基準(zhǔn)期的要求，2006年《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTG/TB07—01—2006）頒布實施可以理解為JTGD62—2004規(guī)范的細(xì)化要求，從規(guī)范上可以看出，不管在內(nèi)陸還是沿海、南方還是北方，盡管劣化模式不同，都必須考慮腐蝕因素。而一些設(shè)計單位，只簡單理解為沿海地區(qū)需要防腐，其余地區(qū)不考慮，設(shè)計圖紙上根本就不體現(xiàn)耐久性的要求。

3 應(yīng)對措施

3.1 健全規(guī)范

要減少橋梁使用期間的工程事故，提高橋梁的安全和耐久性，首先要有不斷健全的規(guī)范、規(guī)程、指南、標(biāo)準(zhǔn)等管理體系的保證，它是避免人為錯誤的重要保證，特別是職責(zé)與權(quán)限的制定。

3.2 更新設(shè)計理念

目前在公路橋梁設(shè)計過程中，有這樣的傾向：設(shè)計中考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少；重視強(qiáng)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(hù)。所以我們應(yīng)該在汲取目前經(jīng)驗事故的基礎(chǔ)上開展新的設(shè)計理念和方法的研究。過去只限于設(shè)計、施工質(zhì)量的單一層面上去尋求結(jié)構(gòu)的安全性就不夠了。從上世紀(jì)70年代后，國內(nèi)外專家在分析研究、認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，除強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造時期的安全性、耐久性、整體牢固性的要求外，逐步討論了結(jié)構(gòu)在使用期間的檢測、維修、加固的新技術(shù)，對不同工程結(jié)構(gòu)物的災(zāi)害和可接受的危險水平和評估進(jìn)行了深入研究，提出了耐久性設(shè)計的概念。結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計所要解決的問題也就是經(jīng)濟(jì)、合理的使用年限問題，即結(jié)構(gòu)壽命期問題。基于結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的新設(shè)計理念認(rèn)為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設(shè)計、施工、運營和維護(hù)各個階段共同努力的結(jié)果。新建一座結(jié)構(gòu)時，業(yè)主確定建筑用途提出耐久性要求，即結(jié)構(gòu)使用壽命期。

在設(shè)計和建造階段，應(yīng)該特別注意到所有與耐久性有關(guān)的問題，比如一座大型結(jié)構(gòu)物要服務(wù)100年，試想近代的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，這100年對結(jié)構(gòu)而言，內(nèi)、外因變化很大，特別是外因，試問結(jié)構(gòu)功能如何適應(yīng)變化而改變或增強(qiáng)它的服務(wù)功能？推論：如結(jié)構(gòu)物的設(shè)計壽命期為100年，預(yù)測100年的使用要求，定出各個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，這很難實現(xiàn)。然而，工程師能使結(jié)構(gòu)物適應(yīng)各種變化，采取各種措施使結(jié)構(gòu)獲得更強(qiáng)大的“體能”為交通服務(wù)。為解決這一問題，在設(shè)計和建造階段就要挑戰(zhàn)傳統(tǒng)設(shè)計理念：對設(shè)計工程師要求結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有6大特性，即可檢性、可修性、可換性、可強(qiáng)性、可控性及可持續(xù)性。因為如果建成的結(jié)構(gòu)物，各個部件不可檢查，不可更換，無法修復(fù)，不能控制，不加強(qiáng)，不可持續(xù)，那么結(jié)構(gòu)在內(nèi)外因復(fù)合作用下，就會一天天衰退，破損，倒塌而“生命夭折”。

3.3 創(chuàng)新設(shè)計方法

鑒于問題的嚴(yán)重性，工程各方對耐久性都很關(guān)注。近年來一些施工方、監(jiān)理方也經(jīng)常和設(shè)計單位進(jìn)行技術(shù)交流，宣貫?zāi)途眯约夹g(shù)。如嘗試與設(shè)計方一起在設(shè)計文件中對材料和防腐提出要求，把設(shè)計與研究很好地結(jié)合起來，而且針對具體工程根據(jù)其特定的環(huán)境與技術(shù)要求編制專用技術(shù)指南，這種方法反映效果很好。還有，在接手工程的技術(shù)支持工作之初，先給業(yè)主、監(jiān)理、施工各方的技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，對混凝土性能等基本且關(guān)鍵的技術(shù)知識深入學(xué)習(xí)，這樣事前培訓(xùn)加現(xiàn)場指導(dǎo)的方式解決實際問題。還有很多諸如這些從實踐中來的寶貴經(jīng)驗，我們應(yīng)該多交流學(xué)習(xí)，不斷改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計方法。

4 結(jié)論

安全性、耐久性是一個系統(tǒng)工程，試驗室內(nèi)的研究成果只是基礎(chǔ)，最終要通過設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)形成結(jié)構(gòu)本身并工作于實際環(huán)境，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差都會影響結(jié)構(gòu)的性能，而現(xiàn)場的問題千差萬別，本文提到的也只是冰山一角。橋梁安全性和耐久性已成為迫切需要解決的問題，我們應(yīng)該積極借鑒國外成功的經(jīng)驗和做法，除了加強(qiáng)施工質(zhì)量管理外，要從橋梁設(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，同時也需要研究疲勞和超載等因素對于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

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