浅析桥梁设计中耐久性能问题及其对策

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桥梁设计中的耐久性问题已经是其业界的常见问题，对此，应该引起足够的重视。目前在国内的桥梁结构设计过程中，过多的重视强度而耐久性却重视较少，重视强度极限状态而忽略使用极限状态，然而使用时的性能表现恰恰是结构在整个生命周期中最重要的，因此，重视结构的建造的同时也要重视结构的维护。当前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设计。然而正是由于这些问题，在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果，也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背，也不符合结构动态和综合经济性的要求。这就要求我们对桥梁设计中的问题认真探索，找出解决问题的方法。

1 影响耐久性能的主要因素
（1）施工和管理水平低
桥梁的突然破坏与倒塌已经引起工程界对桥梁安全性问题的重视。普遍认为当前的工程事故主要是由施工和管理水平低下所导致。如果施工质量没有达到规范和设计要求,材料强度不足和施工工艺不合格，偷工减料、以次充好等问题都会使工程在短期内发生诸如突然破坏与倒塌的问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。而大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时,出现了影响正常使用的病害;特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题 ,典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题，主要原因是水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响,但却会对结构的长期耐久性产生非常严重的危害。

（2）设计理论和结构构造体系不够完善
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。许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性，有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄，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，仅用了5-10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。不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题，规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求，因此，合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外，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。
（3）桥梁维护缺乏全面系统管理
桥梁维护方面没有及时的全面系统管理，不能有效地对桥梁的全寿命过程进行管理，也是影
响桥梁耐久性的重要因素。桥梁维修大多要到出了事故或不得不维修时才进行，错过维修的最佳时间，其维修效果也不佳。应把整个地区的桥梁作为一个系统工程来研究，在财力一定的前提下，统筹考虑、合理安排桥梁维修。
（4）环境对桥梁结构耐久性的影响
桥梁的施工及使用也受环境的影响，混凝土的抗拉强度大约只是其抗压强度的10%，由于早期的水化热影响、干缩应变反应强烈，加上环境温度、湿度、日晒雨淋、冲击荷载的影响，混凝土结构很容易产生裂缝。开裂后，由于水分子、氯离子的侵入，导致钢筋表面的钝化膜被破坏，从而使钢筋腐蚀，破坏了钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力，其直接后果是钢筋与混凝土不能很好的协同工作。混凝土构件的强度和刚度逐渐削弱，最终导致结构的耐久性破坏。
2 提高耐久性性能的对策
（1）必须重视对桥梁损伤
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。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。

（2 ）必须重视结构的耐久性
由于桥梁在建造和使用过程中会受到环境、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,因此导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。近三十年以来, 在大跨桥梁领域修建了大量的斜拉桥，虽然出现倒塌或严重损害的现象很少,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。类似问题很多，一方面主要是由于没有进行合理的耐久性设计,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设计及构造上的缺陷。从上世纪90 年代开始重视了对结构耐久性的研究,也取得了不少成果。但是这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的,很少有人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研究。长期以来,人们又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。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。
（3）积极借鉴国外的经验和成果
国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差、耐久性和安全性差。经常会出现桥梁的过大振动、线形不平顺、接头跳车、结构开裂和过大的变形和使用寿命短、维护费用高、安全事故较频繁等现象。这些问题的产生与目前国内施工质量和管理水平较低有关,因此工程设计人员就应该正视这一问题,充分考虑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,特别是桥梁存在的耐久性和安全性。积极借鉴国外的经验和成果，使我国的桥梁事业得到一个新的发展。