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橋梁設(shè)計中的安全性和耐久性

  
評論: 更新日期:2011年05月26日

? 國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范對橋梁設(shè)計提出的要求是適用、經(jīng)濟、安全、美觀,這些要求基本上包含了人們關(guān)心的所有重要問題。
??? 具體的設(shè)計過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進行。前者是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能力臨界狀態(tài)時的承載能力、設(shè)計的基本原則是要求荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計值,必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計值。利用荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)及工作條件系數(shù)來考慮不確定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲備,是一個半概率的極限狀態(tài)設(shè)計法??梢哉J為是對安全性要求的保證。后者控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時應(yīng)力、裂縫和變形小于一定的限值,對應(yīng)于適用性的要求。
??? 暫且不論這些控制方程和計算理論是否完全合理,它們至少從定性和定量的形式上保證了安全性和適用性兩項要求,而對于經(jīng)濟、美觀的要求則沒有具體的指標(biāo)進行衡量。當(dāng)然,在方案設(shè)計和評審階段會考慮到經(jīng)濟和美觀的要求 (中小橋梁主要關(guān)注經(jīng)濟性,而大型和特大型橋梁對美觀問題越來越重視);但需要指出的是該階段對經(jīng)濟性的評估往往是只注重考慮建設(shè)成本,而對于后期的養(yǎng)護、維修等的長期綜合成本缺乏考慮,因此這種評估經(jīng)常是比較片面的。一個典型的例子是斜拉橋的換索問題。由于目前技術(shù)水平的限制,斜拉橋拉索的平均使用壽命在20年到30年之間,也就是在其服役期期間至少要進行一次換索,如果考慮到后期換索的巨大投入,那么在跨度1000米以下的橋型競爭中,懸索橋與斜拉橋在經(jīng)濟性方面的差距將大大減小。
??? 現(xiàn)在,國內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,有這樣的傾向:設(shè)計中考慮強度多而考慮耐久性少;重視強度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài),而結(jié)構(gòu)在整個生命周期中最重要的卻恰恰是使用時的性能表現(xiàn);重視結(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護。實際上,目前的橋梁設(shè)計中,對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注,既沒有明確提出使用年限的要求,也沒有進行專門的耐久性設(shè)計(從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計程序上上保證耐久性,并明確聲明在何種維護和使用條件下,橋梁具有哪種程度的耐久性)。這些傾向在一定程度上導(dǎo)致了當(dāng)前工程事故頻發(fā)、結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短的不良后果;也與國際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢相違背;也不符合結(jié)構(gòu)動態(tài)和綜合經(jīng)濟性(考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護等整個周期的費用)的要求。  橋梁安全性、耐久性差的主要原因  1)施工和管理水平低
??? 國內(nèi)外多座橋梁的突然破壞與倒塌,已使工程界對橋梁安全性問題倍加關(guān)注。一般的看法認為當(dāng)前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導(dǎo)致。對于短期內(nèi)發(fā)生的諸如突然破壞與倒塌,多是由于施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設(shè)計要求,典型的問題包括材料強度不足和施工工藝不合格等;也有個別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴重的管理問題,更是對橋梁安全造成致命的損害。
??? 而大量的橋梁在遠沒有達到預(yù)期使用壽命時,出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化;特別是一些橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴重的耐久性不足的問題,這也與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系,典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴重的構(gòu)件開裂問題(主要原因包括:水泥選用、混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護不當(dāng)及預(yù)應(yīng)力施加不合理等)。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響,但卻會對結(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。
??? 2)設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系不夠完善  在承認施工存在問題的同時,也不可否認,在橋梁設(shè)計領(lǐng)域,特別是關(guān)于橋梁施工和使用期安全性的問題還有許多可以改進的地方。結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是選擇經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案,其次是結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件和連接的設(shè)計,并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠性指標(biāo)以保證結(jié)構(gòu)的安全性。  許多設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要,而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足,冗余性??;有的計算圖式和受力路線不明確,造成局部受力過大;有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構(gòu)件截面過?。贿@些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性,會嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性。不少橋梁、雖然滿足了設(shè)計規(guī)范的強度要求,僅用了5~10年就因為耐久性出了問題影響結(jié)構(gòu)安全。結(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問題,設(shè)計時要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強結(jié)構(gòu)耐久性。  不同的環(huán)境和使用條件、不同的設(shè)計對象都會對結(jié)構(gòu)體系提出不同的布局和構(gòu)造等方面的要求。規(guī)范再詳細也不能包羅本應(yīng)由設(shè)計人員解決的各種問題、規(guī)范更新得再快也適應(yīng)不了新認識、新技術(shù)、新材料快速發(fā)展對結(jié)構(gòu)提出的各種新的要求。因此,合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足規(guī)范的要求外,還要求設(shè)計人員具有對結(jié)構(gòu)本性的正確認識、豐富的經(jīng)驗和準(zhǔn)確的判斷。
??? 需要改進和努力的方向
??? 1)應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題
??? 橋梁在建造和使用過程中,一定會受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕,并要承受車輛、風(fēng)、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(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域,國內(nèi)從上世紀80年代以來,修建了大量的斜拉橋;雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴重損害的例子很少,但已經(jīng)有多座橋梁因為拉索的耐久性問題而不得不提前換索,既影響了使用又增大了經(jīng)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性設(shè)計有關(guān),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(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素是來自構(gòu)造上(也即設(shè)計上)的缺陷。

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