道路橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法研究

【摘要】橋梁耐久性設(shè)計(jì)中存在的問題將會造成惡劣的社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以必須重視橋梁的耐久性設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，要采用科學(xué)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，重視每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。本文探討了道路橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法策略。

【關(guān)鍵詞】道路橋梁；結(jié)構(gòu)；耐久性；設(shè)計(jì)方法

道路橋梁的耐久性指的是在正常的設(shè)計(jì)、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(hù)情況下，橋梁能隨時(shí)間延續(xù)而保持功能的能力。

一、橋梁設(shè)計(jì)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(shè)對當(dāng)?shù)卣巍⒔?jīng)濟(jì)、國防等都具有重要意義。因此，公路橋梁應(yīng)根據(jù)所在公路的作用、性質(zhì)和將來發(fā)展的需要，除應(yīng)符合技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理的要求外，還應(yīng)按照美觀和有利環(huán)保的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮因地制宜、就地取材、便于施工和養(yǎng)護(hù)等因素。

首先，從安全耐久來看。所設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、穩(wěn)定和耐久性方面應(yīng)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(shí)設(shè)置防撞構(gòu)筑物等；對修建在地震區(qū)的橋梁，應(yīng)按抗震要求采取防震措施；對于大跨柔性橋梁，尚應(yīng)考慮風(fēng)振效應(yīng)。橋面寬度能滿足當(dāng)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(jié)構(gòu)在通過設(shè)計(jì)荷載時(shí)不出現(xiàn)過大的變形和過寬的裂縫；橋跨結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)。橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原則；經(jīng)濟(jì)的橋型應(yīng)該是造價(jià)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用綜合最省的橋型。設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮維修的方便和維修費(fèi)用少，維修時(shí)盡可能不中斷交通，或使中斷交通的時(shí)間最短。橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)在因地制宜的前提下，盡可能采用成熟的新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備、新材料和新工藝。在注意認(rèn)真學(xué)習(xí)國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)、充分利用最新科學(xué)技術(shù)成就的同時(shí)，努力創(chuàng)新，淘汰和摒棄原來落后和不合理的設(shè)計(jì)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(dāng)前公路橋梁突然損壞和坍塌問題已經(jīng)備受社會的關(guān)注，從實(shí)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(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到相關(guān)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(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命，有的甚至在建成后的短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)嚴(yán)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(hù)層不足，施工中使用的水泥、混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護(hù)等存在不當(dāng)?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(yuǎn)的影響。

2、公路橋梁的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不完善

除了施工管理方面的原因外，公路橋梁的設(shè)計(jì)方面也存在一定的問題。公路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了要選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)類型外，還需要對公路橋梁的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件連接等進(jìn)行仔細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，選擇相關(guān)規(guī)定的相應(yīng)安全系數(shù)及可靠性指標(biāo)，從而使公路橋梁的結(jié)構(gòu)安全性達(dá)到相關(guān)的規(guī)定要求。此外，很多的公路橋梁設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，只是簡單的重視相關(guān)規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，對于橋梁結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造、材料、維護(hù)耐久性以及設(shè)計(jì)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(qiáng)度不夠、保護(hù)層厚度過小、鋼筋過細(xì)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(shè)計(jì)的對策

1、總體設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)：

（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(yīng)用香港規(guī)范對結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)，同時(shí)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(biāo)號高性能耐久性混凝土，加大鋼筋保護(hù)層，對鋼筋及體外預(yù)應(yīng)力鋼束采取環(huán)氧涂層防腐處理。

（2）結(jié)構(gòu)可靠度、耐久性是時(shí)間的函數(shù)，這是由于荷載是時(shí)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度必然是使用期長者大于使用期短者。同時(shí)，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(yīng)的可靠度指標(biāo)和耐久性。

（3）橋梁病害分析（Hazard Study）是全壽命管理中的一個(gè)必要環(huán)節(jié)。人為因素也是一個(gè)必須考慮的因素，例如，一個(gè)工人不小心丟了一顆煙頭，很可能這個(gè)小病害引起一場大火，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)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(dá)到提高結(jié)構(gòu)耐久性的可能。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理地滿足下列功能要求：在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，能保持必要的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具體涉及到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的耐久性設(shè)計(jì)，可從以下幾個(gè)方面著手：

（1）正確認(rèn)識和掌握結(jié)構(gòu)本質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施對構(gòu)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(qiáng)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(jié)構(gòu)的尺寸，增加結(jié)構(gòu)的使用壽命和耐久性。對重要的水中下部結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的要求。

3、橋梁耐久性監(jiān)控監(jiān)測設(shè)計(jì)

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(yīng)力、應(yīng)變、頻率、振型、阻尼、裂縫、強(qiáng)度、剛度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行采集、處理，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，計(jì)算出位移、振動幅度、裂縫、應(yīng)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(guān)的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性軟件做進(jìn)一步的分析處理，從而及時(shí)掌握橋梁的即時(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，全面了解橋梁的運(yùn)營條件及質(zhì)量退化狀況，為橋梁的運(yùn)營管理、養(yǎng)護(hù)維修、可靠性評估以及科學(xué)研究提供依據(jù)，為監(jiān)測對象提供早期安全預(yù)警報(bào)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(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生變化，會引起結(jié)構(gòu)的振動，還會引起結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。由于路橋建設(shè)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(gè)結(jié)構(gòu)，某些關(guān)鍵部位的疲勞實(shí)效也會影響整個(gè)工程結(jié)構(gòu)。

綜上所述， 橋梁建設(shè)工程在耐久性方面設(shè)計(jì)的欠缺， 已經(jīng)成為橋梁設(shè)計(jì)人員必須正視并急需解決的一個(gè)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(shí)例所積累起來的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，還需要能夠積極而又謙虛地對國際上的成功經(jīng)驗(yàn)和與慣例做法進(jìn)行良好的借鑒。最終將我國的公路橋梁設(shè)計(jì)提升到一個(gè)新的臺階。

參考文獻(xiàn)

[1] 李青云. 橋梁設(shè)計(jì)中耐久性的幾點(diǎn)思考[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品. 2010（18）

[2] 薛貴山，王軍. 橋梁設(shè)計(jì)耐久性較差的原因分析[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào). 2008（17）