桥梁设计的安全性和耐久性分析 林 文 （贵州省松桃苗族自治县公路管理所摘松桃５５４１ ００） 要：随着我国经济建设的发展，修建的农村公路越来越多，不断出现地形地质复杂，构遗物多，桥梁隧 道比例大等快捷公路，所以要设计安全系数高，经久耐用的公路，结构设计就显得十分重要。文章 针对影响桥梁安全性、耐久性的原因进行了分析，并提出提高安全性，耐久性的措施。 关键词：桥梁设计桥梁结构安全性耐久性 近些年来，我国公路工程的建设规模不断发展壮大，各种公路工程施工任务逐渐增多，公路桥梁工程的建 设也随之占据越来越多的分量。但是，国内发生不少桥梁倒塌的严重事故，造成很多不该有的人间悲剧。桥梁 工程的质量好坏评判标准是：是否具有其应有的结构强度、刚度、稳定性和耐久性。目前，桥梁设计的耐久性 设计，常常只是作为一个参考价值，而不是具体计算出其应有的安全使用年限，更不会对桥梁的耐久性进行一 系列的实验研究探讨。这种现象在一定程度上导致了桥梁事故发生频繁、结构使用性能差、耐久性差的严重后 果，也背离了国际上对桥梁的结构的耐久性、安全性、适用性日益重视的发展趋势。因此，桥梁的设计是决定 桥梁的安全性和耐久性的重要因素。 １对结构的耐久性问题分析 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。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。许多桥梁设计大多是从材料和统计分析的 角度进行的，对如何从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却 很少有人研究。往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，忽视对结构体系、结构构造、结构材料、 结构维护及结构耐久性等方面问题的考虑。有的结构整体性和延性不足，冗余性小：有的计算简图和传力路线 不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级偏低、钢筋保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过 薄。以上问题的存在削弱了结构的耐久性及安全性。长期以来，人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视 了对总体构造和细节处理方面的关注，不少桥梁从规范上来讲已经满足了强度要求，但却在使用５年～１０年后 耐久性就出现问题。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。结构的耐久性设计与常规的结构设计有着本质的区别。目前需要努力将耐久性的研究从定性分 析向定量分析发展。国外的桥梁设计有鉴于耐久性不足导致的严重损失，近年来十分重视提高结构物的耐久性 并将其作为重要的设计原则，统一考虑合理的结构布局和构造细节，强调使结构易于检查、维修，以保证桥梁 的安全使用、尽可能地减少维修费用，取得了较好的综合经济效益。实际上，国内外的研究和实践都表明，结 构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。 １６４∥ ２对疲劳损伤的分析 由于桥梁结构在使用过程中所承受的车辆荷载、人群荷载、风荷载以及地震荷载都是不断变化的，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。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。 由于构造细节不合理，在重复重载交通、风或是地震等交变荷载的作用下，钢结构由此产生疲劳裂纹，疲劳裂 纹不断开裂，直至影响钢桥的使用，甚至断裂破坏。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是 灾难性的。疲劳损伤过去一直被认为是钢桥设计中的核心问题，由钢结构疲劳引起的钢材开裂案例较多，亦有 不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的例子，为了避免钢结构桥梁发生疲劳破坏，必须在设计阶段就考虑疲劳问题。 特别是一些新型结构型式和制造工艺不断出现在现代钢桥中，疲劳是导致钢桥使用寿命缩短的主要因素之一， 在设计、制造、架设及后期维护中需特别注意钢桥构造细节的疲劳问题。近２０年来，疲劳损伤的研究已进入混 凝土结构，但对于使用期受腐蚀的钢筋混凝土构件的动态性能和疲劳性能的研究还需加强。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对桥梁的超载问题分析 近年来，随着交通量的增加特别是超载车辆的大幅增加，使国省干线公路、桥梁不胜重荷，超限运输是破坏公 路和桥梁的“杀手”，每年因超限运输造成的公路损坏维修费用达几十亿元，因超限运输造成的车毁人亡的交通事 故更是不胜枚举。交通运输部公路局有关负责人说，超限超载运输对公路、桥梁造成的损坏是毁灭性的，它是掠夺 性使用公路的一种短期行为，是承运人以牺牲国家利益为代价获取高额收入的一种暴利行为。汽车超载主要有三 种情况：其一是早期修建的老桥超龄负载运营；其二是桥梁通行的车流量超过原设计；另一种是车辆违规超载。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。例如，混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久Ｉ陛， 但在汽车超载作用下，可能发生开裂；裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土结构内部已经受到损伤，构 件的开裂弯距降低、刚度下降；于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为 超出规范允许的裂缝或产生较大的变形。这些都会对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，也需要对超载带来的后果进行研究、分析。 ４对国外的经验和成果分析 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。特别是桥梁存在的耐久性和安全性问题很多与结构体系或使用材料选择不 合理及结构细节处理不当有关。在欧洲国家（如德国、丹麦等），非常重视对结构物进行性能设计（［１ＮＰＢＤ， Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｂａｓｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ），内容包括结构的变形、裂缝、振动、强健性、美观、耐久性能、疲劳性等。 ＰＢＤ研究主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外，尚应有良好的使用性能（包括寿命和 １６５ 耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等）。就其本质而言，欧洲国家的ＰＢＤ理论，主要研究结构在使用过程中表 现出来的服务性能，分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律，寻求新的结构设计理念和方法。从欧 洲人的观点来看，ＰＢＤ｛￣Ｊ，乎是对以耐久性为核心的结构使用性能指标的综合考虑。这一点对国内工程界应该是 有启示的。目前国内的设计可视为静态的设计，它只定义了设计建成时刻结构具有的工作能力和性能，而对营 运期间性能随时间的劣化及其实际的性能表现缺乏足够的认识和考虑；换言之，从经济性的角度讲是只考虑了 建造成本，而忽视了营运期的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益。 ５总结 耐久性问题的严重性和迫切性在于我们许多正在建设的工程仍未吸取国际和国内的大量惨痛教训，还沿着 老路重蹈覆辙。一些北方城市新建成的立交桥和高速公路桥，仍没有在材料性能和结构构造等方面采取必要的 综合措施。一些工程的正常使用功能和安全性将得不到有效保证，我国的现代化建设和国民经济会蒙受巨大损 失，并将给生产和公众生活带来长期困扰。随着更多的桥梁工程事故的，对于桥梁设计提高安全性和耐久性已 经越发为业内人士所重视。只要能够有足够的重视，采取一些必要的措施，完全可以把这些细节问题通过代价 并不高的方式加以解决。在工程实践中要不断进行总结，吸取经验教训，作为设计工作者应结合已有的设计经 验和当地工程建设实践认真进行结构的耐久性设计。我们不仅要广泛借鉴国外成功的经验和做法，还要加强施 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。同时需要研究疲劳和超载对于 桥梁结构耐久性的影响。 １６６
