道路橋梁結構耐久性設計方法研究

【摘要】橋梁耐久性設計中存在的問題將會造成惡劣的社會影響和巨大的經(jīng)濟損失，所以必須重視橋梁的耐久性設計。在設計的過程中，要采用科學的設計理念和設計方法，重視每一個環(huán)節(jié)的設計。本文探討了道路橋梁結構耐久性設計方法策略。

【關鍵詞】道路橋梁；結構；耐久性；設計方法

道路橋梁的耐久性指的是在正常的設計、施工和使用情況下，橋梁能承受各種突發(fā)偶然事件的能力，并且在這之后仍能保持一定的整體穩(wěn)定性。另一方面，橋梁耐久性又被稱為橋梁的使用周期，它是指正常的使用和維護情況下，橋梁能隨時間延續(xù)而保持功能的能力。

一、橋梁設計的基本原則

橋梁是鐵路、公路或城市道路的重要組成部分，特別是大、中橋梁的建設對當?shù)卣巍⒔?jīng)濟、國防等都具有重要意義。因此，公路橋梁應根據(jù)所在公路的作用、性質(zhì)和將來發(fā)展的需要，除應符合技術先進、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟合理的要求外，還應按照美觀和有利環(huán)保的原則進行設計，并考慮因地制宜、就地取材、便于施工和養(yǎng)護等因素。

首先，從安全耐久來看。所設計的橋梁結構在強度、穩(wěn)定和耐久性方面應有足夠的安全儲備；對于通行大噸位船舶的河道，除按規(guī)定加大橋孔跨徑外，必要時設置防撞構筑物等；對修建在地震區(qū)的橋梁，應按抗震要求采取防震措施；對于大跨柔性橋梁，尚應考慮風振效應。橋面寬度能滿足當前以及今后規(guī)劃年限內(nèi)的交通流量（包括行人通道）；橋梁結構在通過設計荷載時不出現(xiàn)過大的變形和過寬的裂縫；橋跨結構的下方要有利于泄洪、通航（跨河橋）或車輛（立交橋）和行人的通行（早橋）；橋梁的兩端要便于車輛的進入和疏散，而不致產(chǎn)生交通堵塞現(xiàn)象等；考慮綜合利用，方便各種管線（水、電氣、通信等）的搭載。

另外，要做到經(jīng)濟合理、技術先進。橋梁設計應遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原則；經(jīng)濟的橋型應該是造價和養(yǎng)護費用綜合最省的橋型。設計中應充分考慮維修的方便和維修費用少，維修時盡可能不中斷交通，或使中斷交通的時間最短。橋梁設計應在因地制宜的前提下，盡可能采用成熟的新結構、新設備、新材料和新工藝。在注意認真學習國內(nèi)外的先進技術、充分利用最新科學技術成就的同時，努力創(chuàng)新，淘汰和摒棄原來落后和不合理的設計思想。

二、道路橋梁耐久性較差的主要原因

1、施工管理水平較低

當前公路橋梁突然損壞和坍塌問題已經(jīng)備受社會的關注，從實際的事故來看，主要的原因是由于施工過程以及管理過程中的腐敗、野蠻施工等造成的，而那些突發(fā)性的公路橋梁損壞和坍塌事故主要是由于施工的質(zhì)量與設計的標準之間存在較大差異造成的，施工過程中各種偷工減料、以次充好的現(xiàn)象以及施工材料和工藝沒有達到相關要求等問題，是對公路橋梁安全性和耐久性造成影響的主要因素。很多公路橋梁無法達到設計的使用壽命，有的甚至在建成后的短時間內(nèi)就出現(xiàn)嚴重的質(zhì)量問題，這與施工質(zhì)量有著非常緊密的聯(lián)系，比方說鋼筋的保護層不足，施工中使用的水泥、混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護等存在不當?shù)膯栴}，雖然對公路橋梁的短期使用不會造成太大的影響，但是對公路橋梁的耐久性會造成深遠的影響。

2、公路橋梁的設計理念和結構構造體系不完善

除了施工管理方面的原因外，公路橋梁的設計方面也存在一定的問題。公路橋梁的結構設計除了要選擇經(jīng)濟合理的結構類型外，還需要對公路橋梁的結構以及構件連接等進行仔細的分析和設計，選擇相關規(guī)定的相應安全系數(shù)及可靠性指標，從而使公路橋梁的結構安全性達到相關的規(guī)定要求。此外，很多的公路橋梁設計人員在設計過程中，只是簡單的重視相關規(guī)范對結構強度的要求，對于橋梁結構體系、構造、材料、維護耐久性以及設計施工過程中出現(xiàn)的一些人為的失誤引起的橋梁安全性問題重視程度不夠。另外，施工過程中所使用的混凝土強度不夠、保護層厚度過小、鋼筋過細等問題都會對公路橋梁的耐久性產(chǎn)生影響。

三、橋梁耐久性設計的對策

1、總體設計

橋梁結構的總體設計，應主要考慮以下幾點：

（1）在橋梁方案擬定中，為獲得比國內(nèi)更高的可靠度系數(shù)，應用香港規(guī)范對結構承載力進行結構可靠性設計，同時為保證大橋的耐久性，采用易于保證施工質(zhì)量的方案，采用高標號高性能耐久性混凝土，加大鋼筋保護層，對鋼筋及體外預應力鋼束采取環(huán)氧涂層防腐處理。

（2）結構可靠度、耐久性是時間的函數(shù)，這是由于荷載是時間的函數(shù)，材料性能也是如此。例如，使用期分別為30、50、100、120年的橋梁結構，若要保證到使用期末都具有相同的可靠概率，則所選擇的截面尺寸或所用的材料強度必然是使用期長者大于使用期短者。同時，要求采用變異系數(shù)較小的高性能鋼材和高性能混凝土，以提高相應的可靠度指標和耐久性。

（3）橋梁病害分析（Hazard Study）是全壽命管理中的一個必要環(huán)節(jié)。人為因素也是一個必須考慮的因素，例如，一個工人不小心丟了一顆煙頭，很可能這個小病害引起一場大火，導致橋梁結構的破壞。病害分析之后，在全壽命管理中，盡量消除橋梁病害，以達到提高結構耐久性的可能。所設計的結構在設計基準期內(nèi)，應經(jīng)濟合理地滿足下列功能要求：在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，能保持必要的結構穩(wěn)定性和耐久性。

2、結構設計

具體涉及到橋梁結構設計中的耐久性設計，可從以下幾個方面著手：

（1）正確認識和掌握結構本質(zhì)和結構構造措施對構件耐久性的影響。

（2）優(yōu)先選用高性能鋼材（HPS：High-Performance Steel）：高屈服強度，高水平的斷裂韌性、焊接性能好、耐腐蝕；

（3）優(yōu)先高性能混凝土（HPC：High-Performance Concrete）：耐磨的HPC可以使橋面有更好的耐久性；一般來說，HPC能減少結構的尺寸，增加結構的使用壽命和耐久性。對重要的水中下部結構（如樁基、承臺、墩柱及帽梁），建議用高性能混凝土取代普通混凝土，以滿足《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規(guī)定》的相應技術指標的要求。

3、橋梁耐久性監(jiān)控監(jiān)測設計

橋梁耐久性自動化監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，是針對橋梁的振動位移、速度、加速度、應力、應變、頻率、振型、阻尼、裂縫、強度、剛度等技術參數(shù)進行采集、處理，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，計算出位移、振動幅度、裂縫、應力等橋梁耐久性數(shù)據(jù)，既可以為橋梁的在線分析提供決策依據(jù)，也可以提交給有關的橋梁結構耐久性軟件做進一步的分析處理，從而及時掌握橋梁的即時結構狀態(tài)，全面了解橋梁的運營條件及質(zhì)量退化狀況，為橋梁的運營管理、養(yǎng)護維修、可靠性評估以及科學研究提供依據(jù)，為監(jiān)測對象提供早期安全預警報告。

4、重視對路橋疲勞損傷問題的研究

路橋所受的荷載都是動荷載，會在結構內(nèi)部產(chǎn)生變化，會引起結構的振動，還會引起結構的疲勞損傷。由于路橋建設采用的材料并不是均勻和連續(xù)的，會存在很多微小的缺陷，在荷載作用下，這些缺陷就會逐漸發(fā)展成損傷，就會出現(xiàn)裂紋，如果這些裂紋得不到有效的控制，就可能會引起路橋的斷裂。對路橋疲勞損傷的研究不只是針對整個結構，某些關鍵部位的疲勞實效也會影響整個工程結構。

綜上所述， 橋梁建設工程在耐久性方面設計的欠缺， 已經(jīng)成為橋梁設計人員必須正視并急需解決的一個重大問題， 這不僅需要立足于國內(nèi)大量的公路橋梁工程實例所積累起來的經(jīng)驗與教訓，還需要能夠積極而又謙虛地對國際上的成功經(jīng)驗和與慣例做法進行良好的借鑒。最終將我國的公路橋梁設計提升到一個新的臺階。

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