对桥梁结构耐久性设计的探讨

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　　摘要:随着我国经济的快速发展,跨入21世纪后兴起了桥梁工程建设的新热潮,但在大量新建的同时,也已经出现了许多因安全性不够、耐久性不良等而过早报废的桥梁,远没有达到服务年限就被拆。造成桥梁安全性不够、耐久性不良的原因存在多方面。笔者仅围绕桥梁安全性、耐久性进行了探析，仅供参考。
　　前言
　　从国外的桥梁建设经验中发现,如果在桥梁的设计和建造时期没有很好地考虑桥梁的安全与耐久性,将会在桥梁的运营和维护中付出惨重的经济代价。一旦出现安全耐久性问题,影响是非常大的。国际上统计,桥梁工程事故的80%以上是由人为错误造成的,这些人为错误主要反映在结构的安全、质量和管理的每个环节上。如果对发生病变的桥梁不及时加固维修或拆除,将造成严重的工程或交通事故,甚至有的在使用中因意外原因导致垮塌。
　　一、桥梁设计中存在的问题
　　桥梁安全性、耐久性不足,既有内因也有外因,或是内、外因交叉影响。主要有以下几个方面。
　　（1）设计规范的先天不足
　　结构建设过程中的各个方面工作都需要有质量保证体系。其中最首要的即是/行为0的规范、规程、指南或标准。总而言之,要建成一项大型工程,一切工作都要有管理条例,各项工作都必须按规定执行,不能随心所欲修改或变更,也即在过程中,一切修改和变更都要有文件规定。这些规定的选择是业主的权限与职责。如国外的大多数的规范、规程、指南都是参考性文件。还有,我们一般是根据规范、按规范给定的级配曲线进行集料的搭配,这是毫无疑问的。但问题是,有的规范竟然是错的!我国以前的规范都使用圆孔筛,而国际上一些先进国家,如美国、日本、英国、欧盟等的骨料试验均采用方孔筛。由于一些规范性的文件都以此为参考引用,导致谬种流传,很多不明就里的技术人员不知所措,一头雾水,影响了正常的工作。
　　（2）设计中具体细节注意不够
　　具体细节方面的设计虽然繁琐,但是保障设计的重要环节,需要设计人员不断学习和积累经验。如:设计人员应结合桥梁所在地区的材料实际供应情况进行结构设计。在乡镇,优质的砂石子材料一般不多,如果设计高强度混凝土(如预应力空心梁混凝土设计为C50),将可能给施工造成很大困难。因此,在乡镇地区,桥梁混凝土抗压强度设计为C40为妥。而在市区,预应力空心梁混凝土抗压强度设计为C40或C50均可,因市区一般都有商品混凝土基地,砂石材料供应质量有保障。还有,设计人员对乡镇地区洪水位了解不详,经常导致设计时桩基系梁位置较低,施工困难,造成系梁结构质量不易保证。构造设计也存在漏洞,典型问题是伸缩缝处。有的伸缩缝仅设普通橡胶支座。实际上应改为橡胶活动支座。因为在汽车荷载作用下伸缩缝处易拉裂,普通橡胶支座会变形,极大地影响结构安全和耐久性。监理人员应及时发现问题,建议业主要求设计单位进行支座变更。再有,桥面没有设计整体钢筋网、没有考虑汽车超载问题等。超载现象在我国公路运输中较为普遍,汽车超载营运,会对桥梁结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响,因此除了交管部门要加强管理外,设计时也需要对超载带来的后果进行研究、分析。伸缩缝处空心梁预埋数量不足、桩基主筋保护层与建筑制图不一致等诸多问题。
　　（3）设计人员学习、更新知识不够
　　目前国内建设的现状是工期紧,任务重,突击建设。这导致设计人员整天忙于完成设计任务,无暇认真研究新规范,学习新技术、新材料,往往是工程设计图基本照搬以前的设计,略作修改,而设计规范不断更新,结果要么就是设计与现行规范不一致,要么就是从规范上照搬几条,而不考虑结构所处的环境、气候、技术水平现状,让后边的施工、监理无所适从,从设计之初留下隐患。另外,许多设计人员对土壤腐蚀作用,还在沿用三级、四级防腐表示。对腐蚀性等级的划分,标准GB50021定为强、中、弱三级;标准GB50046定为强、中、弱、无四级,2本标准对腐蚀性等级的评定规定大同小异。腐蚀性等级的概念可理解为:等级为强时,材料腐蚀速度较快,基础构配件必须采取表面隔离性防护,防止与腐蚀介质直接接触;等级为中时,材料有一定的腐蚀,可采用提高构配件自身质量措施(如混凝土提高密实性,钢筋加厚混凝土保护层,石砌体提高砂浆强度等级等)或采用简单的表面防护;等级为弱时,材料腐蚀较慢,但还需采取一些措施,一般采用提高自身质量等。但这些要求还是定性的,已经远不能满足桥梁耐久性。
　　二、设计理念的规范
　　（1）健全规范
　　要减少桥梁使用期间的工程事故,提高桥梁的安全和耐久性,首先要有不断健全的规范、规程、指南、标准等管理体系的保证,它是避免人为错误的重要保证,特别是职责与权限的制定。
　　（2）更新设计理念
　　目前在公路桥梁设计过程中,有这样的倾向:设计中考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态而不重视使用极限状态,而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用性能表现;重视结构的建造而不重视结构的维护。所以我们应该在汲取目前经验事故的基础上开展新的设计理念和方法的研究。过去只限于设计、施工质量的单一层面上去寻求结构的安全性就不够了。从上世纪70年代后,国内外专家在分析研究、认真总结经验教训的基础上,除强调结构设计和建造时期的安全性、耐久性、整体牢固性的要求外,逐步讨论了结构在使用期间的检测、维修、加固的新技术,对不同工程结构物的灾害和可接受的危险水平和评估进行了深入研究,提出了耐久性设计的概念。结构耐久性设计所要解决的问题也就是经济、合理的使用年限问题,即结构寿命期问题。基于结构耐久性设计的新设计理念认为桥梁耐久性的保证是需要桥梁设计、施工、运营和维护各个阶段共同努力的结果。新建一座结构时,业主确定建筑用途提出耐久性要求,即结构使用寿命期。在设计和建造阶段,应该特别注意到所有与耐久性有关的问题,比如材料的选择、施工的方便与否、使用和维护、功能过时、寿命期费用等,就耐久性要求与业主充分协商,根据业主的要求确定建筑物及其构件的设计使用寿命,确定设计方案(荷载、结构等),指定或选择材料、构件、组件和施工方案,设计和施工方法选取的依据基点不能离开投资成本的经济效益问题。但同时考虑到一座大型结构物要服务100a,试想近代的科学、经济的高速发展,这100a对结构而言,内、外因变化很大,特别是外因,试问结构功能如何适应变化而改变或增强它的服务功能?推论:如结构物的设计寿命期为100a,预测100a的使用要求,定出各个标准进行设计,这很难实现。然而,工程师能使结构物适应各种变化,采取各种措施使结构获得更强大的/体能0为交通服务。为解决这一问题,在设计和建造阶段就要挑战传统设计理念:对设计工程师要求结构设计时应使结构具有6大特性,即可检性(Examinability),可修性(Repair2ability),可换性(Replaeeabilit
　　y),可强性(Retrofitta2bility),可控性(Controllability)及可持续性(Sustain2ability)。因为如果建成的结构物,各个部件不可检查,不可更换,无法修复,不能控制,不加强,不可持续,那么结构在内、外因复合作用下,就会一天天衰退,破损,倒塌而/生命夭折0。工程师必须清醒承认整体结构的寿命和各部件的寿命是不等的,如橡胶支座寿命不超过20a,拉索的寿命仅40a,拉索的护套寿命不超过20a,钢结构的油漆保护最优为20a等等。只有对这些自身寿命期低于结构设计寿命期的部件必须要在构造上保证可查、可修、可换、可加强,对结构在外因变化剧变情况下,结构的变形要在构造上/可控0,才能够在运营阶段对桥梁进行维修、加固等措施,从而保证结构的耐久性。
　　（3）创新设计方法
　　鉴于问题的严重性,工程各方对耐久性都很关注。近年来一些施工方、监理方也经常和设计单位进行技术交流,宣贯耐久性技术。如尝试与设计方一起在设计文件中对材料和防腐提出要求,把设计与研究很好地结合起来,而且针对具体工程根据其特定的环境与技术要求编制专用技术指南,这种方法反映效果很好。还有,在接手工程的技术支持工作之初,先给业主、监理、施工各方的技术人员进行培训,对混凝土性能等基本且关键的技术知识深入学习,这样事前培训加现场指导的方式解决实际问题。还有很多诸如这些从实践中来的宝贵经验,我们应该多交流学习,不断改进创新设计方法。
　　三、结语
　　综上所述，桥梁建设的安全性、耐久性是一个系统工程,试验室内的研究成果只是基础,最终要通过设计、施工、养护等环节形成结构本身并工作于实际环境,任何一个环节出现偏差都会影响结构的性能。总之，桥梁安全性和耐久性已成为迫切需要解决的问题,我们应该积极借鉴国外成功的经验和做法,除了加强施工质量管理外,要从桥梁设计理念和结构体系和构造的角度做好耐久性的设计,同时也需要研究疲劳和超载等因素对于桥梁结构耐久性的影响。

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