橋梁結構安全性設計若干問題的思考

周金鵬

2004年以來，筆者一直在從事橋梁施工階段的監理工作。在施工監理過程中，發現影響橋梁使用安全性、耐久性方面存在著若干問題，原因涉及到設計、施工和監理等方方面面。本文僅從設計方面的若干問題進行分析，并提出一些對策措施。

一、具體細節的設計方面

設計人員沒有結合橋梁所在地區的材料實際供應情況。在鄉鎮，優質的砂石子材料一般不多，如果設計高強度混凝土（如預應力空心梁混凝土設計為C50），將可能給施工造成很大困難。因此，在鄉鎮地區，橋梁混凝土抗壓強度設計為C40為妥。而在市區，預應力空心梁混凝土抗壓強度設計為C40或C50均可，因市區一般都有商品混凝土基地，砂石材料供應質量有保障。

設計人員對鄉鎮地區洪水位了解不詳，經常導致設計時樁基系梁位置較低，施工困難，造成系梁結構質量不易保證。監理單位應該協調設計單位，適當提高系梁標高。

構造設計存在漏洞。典型問題是伸縮縫處僅設普通橡膠支座。應改為橡膠活動支座，否則在汽車荷載作用下伸縮縫處易拉裂，普通橡膠支座變形，極大地影響結構安全和耐久性。監理人員應及時發現問題，建議業主要求設計單位進行支座變更。

橋面沒有設計整體鋼筋網，沒有考慮汽車超載問題。超載現象在我國公路運輸中較為普遍，汽車超載營運，會對橋梁結構長期的使用性能和耐久性產生不利的影響，因此除了交管部門要加強管理外，設計時也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。

伸縮縫處空心梁預埋數量不足，監理及施工單位必須事先做好復查工作。樁基主筋保護層與建筑制圖不一致，施工及監理單位必須十分注意這一問題，否則樁基主盤保護層難以達到設計要求。

二、結構的耐久性設計問題

橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環境、有害化學物質的侵蝕，并要承受車輛、風、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而導致結構各部分不同程度的損傷和劣化。

在大跨度橋梁領域，國內從上世紀80年代以來，建造了大量的斜拉橋。雖然迄今為止出現倒塌或嚴重損害的例子很少，但已經有多座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，又帶來了經濟損失。

需要指出的是，很多這類問題與沒有進行合理的耐久安全性設計有關，這也促使人們重新認識橋梁的耐久性問題。大量的病害實例也證明，除了施工和材料方面的原因，影響結構耐久性的根本因素是來自構造設計上的缺陷。

國內從上世紀90年代開始重視了對結構耐久安全性的研究，也取得了不少成果。而這些研究大多是從材料和統計分析的角度進行的，對如何從結構和設計的角度來改善橋梁耐久安全性卻很少有人研究。而且，長期以來，人們一直偏重于結構計算方法的研究，卻忽視了對總體構造和細節處理方面的關注。因此，需要努力將耐久安全性的研究從定性分析向定量分析發展。

三、結構的疲勞損傷問題

橋梁結構所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結構內產生循環變化的應力，不但會引起結構的振動，還會引起結構的累積疲勞損傷。

由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續的，實際上存在許多微小的缺陷，在循環荷載作用下，這些微缺陷會逐漸發展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋得不到有效控制，極有可能會引起材料、結構的脆性斷裂。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難性的。

疲勞損傷過去一直被認為是鋼橋設計中的核心問題，由鋼結構疲勞引起的鋼材開裂案例較多，亦有不少因疲勞斷裂引起橋梁垮塌的例子。近20年來，疲勞損傷的研究已進入混凝土結構，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構件的動態性能和疲勞性能的研究還需加強。

對疲勞損傷的研究不應僅對整個結構而言，還應該重視某些關鍵部位的局部疲勞失效問題。

四、橋梁的超載問題

橋梁超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負載運營；其二是橋梁通行的實際車流量超過設計流量；另一種是車輛違規超載。前兩種產生的原因主要是設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，后兩種超載現象在我國公路運輸中較為普遍。

橋梁的超載一方面可能引發疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現一些超載引發的結構破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態發生變化，從而可能危害橋梁的安全性。例如，混凝土橋梁一直被認為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結構內部已經受到損傷，構件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結構產生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規范允許的裂縫或產生較大的變形。這些都會對結構長期的使用性能和耐久性產生不利的影響，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。

安全性不足是橋梁結構設計迫切需要解決的問題。我們應該積極借鑒國外成功的經驗和做法，要從橋梁構造、結構體系和設計理念的角度做好耐久安全性的設計研究工作。