浅析路桥设计中的安全性和耐久性
【摘要】:我国公路桥梁正在扩大规摸施工建设，许多情况却面临着严重的桥梁混凝土结构耐久性和安全性问题，从而引发倒塌事故。这些不仅与施工不当和管理不当有关，也存在着设计中不关心桥梁安全性和耐久性的某些问题。本文浅析了桥梁设计中的安全性和耐久性问题，并提出改进和努力的方向。
【关键词】:桥梁;设计；耐久性;安全性
国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、安全、美观。但是设计中考虑的强度多而耐久性少，重视强度极限状态不重视使用极限状态，而机构的整个使用周期中最重要的却是使用时的性能表现，重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没明确提出适用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设计。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故的频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果。下面从几方面探讨桥梁安全性耐久性差的原因。
一桥梁安全性、耐久性差的主要原因
1施工和管理水平低。
国内外若干座桥梁的突然破坏与倒塌事故，已使工程界对桥梁耐久性、安全性问题倍加关注，施工过程中施工和管理水平欠规范(如野蛮施工和管理不当等)是造成桥梁结构耐久性不足的重要原因，其主要表现在以下几个方面:
施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括原材料质量低劣和施土工艺不合格等；个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题；混凝土保护层厚度的控制不严，有些直接导致露筋；钢筋未作防锈处理，其间距疏密不一，粗、细骨料分布不均匀，混凝土振捣不密实；施工现场严重的构件开裂问题，主要原因包括:水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等;拆摸时间控制不好或支模、拆模方法不当，也会引起早期裂缝。
另外，目前在市政行业的施工队伍中很多由包工头控制，水平普遍较低，加上低价中标，施工质量难以控制。这也是造成桥梁结构耐久性不足的一大原因。
2设计理论和结构构造体系不够完善
在承认施工存在问题的同时,也不可否认，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。
桥梁工程是一个由许多结构件组成的一个系统结构,各结构件不仅本身要有足够强度和耐久性，而且组合到整个桥梁中也要满足全桥安全性和耐久性，目前一些设计人员设计时考虑片面，结构的整体性、安全和耐久性考虑不够，造成有的结构整体性延性不足，冗余度过小，有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大，强度要求过低，保护层厚度过小及构件截面过薄和过大。这些都削弱了结构耐久性,会严重影响结构的安全性。不少桥梁虽然满足了设计规范的强度要求,但仅用了5年～10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题,设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。
有些设计人员用静态思维去解决不断进步发展的技术问题,桥梁在不同的环境和使用条件下和不同的设计对象都会对结构体系得出不同的布局和构造要求,规范再详细也不能代替应由设计人员解决的各种问题,规范更新再快也适应不了新技术、新材料、新工艺快速发展对结构设计提出的各种新要求,目前的设计可视为静态设计,过于偏重设计建成时期结构的工作和服务能力而对使用期实际的性能表现随时间的劣化缺乏足够的认识和考虑。从经济性上讲,考虑建造成本多,而忽观了营运的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益,因此,合理可靠的结构设计除了满足规范要求外,还要求设计人员具有对结构本性的正确认识。丰富的经验和准确的判断。从而在设计时对桥梁整体结构全寿命使用过程进行全面综合分析和计算,提高结构的使用耐久性。
二需要改进和努力的方向
1应该更加重视结构的耐久性问题
桥梁在建造和使用过程中,一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀,并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用,同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化,从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域,国内从20世纪80年代以来,修建了大量的斜拉桥;虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少,但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索,既影响了使用又增大了经济损失。
很多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关,这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。大量的病害实例也证明,除了施工和材料方面的原因,影响结构耐久性的决定性因素是来自构造上(也即设计上)的缺陷。
需要指出的是,长期以来,人们一直偏重于结构计算方法研究,而忽视对总体构造和细节处理方面的关注,对如何从结构和设计角度及如何以设计和施工人员易接受操作方式来改善桥梁耐久性却很少研究。结构耐久性设计与常规的结构设计有着本质区别,目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析方向发展。另外，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，利用在使用期间的检测、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。基于解决够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
2重视对疲劳损伤的研究
桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载,会在结构内产生循环变化的应力,不但会引起结构的振动,还会引起结构的累积疲劳损伤。由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的,实际上存在许多微小的缺陷,在循环荷载作用下,这些微小缺陷会逐渐发展、合并形成损伤,并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹得不到有效控制,极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到,但其带来的后果是灾难性的。对疲劳损伤的研究不仅仅指对整个结构而言,事实上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳失效而导致整个结构的失效,例如斜拉桥拉索锚固端的疲劳损害。
3充分重视桥梁的超载问题
桥梁超载主要有三种情况:(1)早期修建的老桥超龄负载运营;(2)桥梁通行的车流量超过原设计;(3)车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量的增加;后者是车辆使用者违法超载营运,后两种超载现象在我国公路运输中较为普遍桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧,甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面,由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复,将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化,从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。
4重视材料工艺水平设计
国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差（指与设计期望相比，可归结为适用性能差，包括桥梁的过大振动、线形不平顺、接头跳车、结构开裂和过大的变形等）、耐久性和安全性差（包括使用寿命短、维护费用高、安全事故较频繁等）。这些问题的产生固然与目前国内施工质量和管理水平较低有关，但平心而论，既然这种现状不能在短期内得到解决，那么作为工程设计人员就应该在正视这一问题的前提，充分考虑到现阶段的施工和管理水平和材料工艺水平，采用适当的安全度、适当的设计方法来保证桥梁使用性能的达到，这才是更为主动和有效的方法。
综合上述，桥梁安全性和耐久性是一项系统工程，作为桥梁结构设计人员，应综合考虑才使得设计真正的合理、经济、安全、耐久，这些不仅要积极借鉴国外成功的经验和做法,还必须认真的总结找出更适合国情的一套设计方法和管理经验,从公路桥梁设计以及结构体系和构造的角度等；做好耐久性和安全性。
