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桥梁设计中的安全性和耐久性
作者：邰堃
来源：《科学与财富》2017年第28期
国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、安全、美观，这些要求基本上包含了人们关心的所有重要问题。
具体的设计过程按承载能力和正常使用两种极限状态来进行。前者是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力、设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值，必须小于或等于结构抗力的设计值。利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备，是一个半概率的极限状态设计法。可以认为是对安全性要求的保证。后者控制结构在正常使用状态时应力、裂缝和变形小于一定的限值，对应于适用性的要求。
暂且不论这些控制方程和计算理论是否完全合理，它们至少从定性和定量的形式上保证了安全性和适用性两项要求，而对于经济、美观的要求则没有具体的指标进行衡量。当然，在方案设计和评审阶段会考虑到经济和美观的要求（中小桥梁主要关注经济性，而大型和特大型桥梁对美观问题越来越重视）；但需要指出的是该阶段对经济性的评估往往是只注重考虑建设成本，而对于后期的养护、维修等的长期综合成本缺乏考虑，因此这种评估经常是比较片面的。一个典型的例子是斜拉桥的换索问题。由于目前技术水平的限制，斜拉桥拉索的平均使用寿命在20年到30年之间，也就是在其服役期期间至少要进行一次换索，如果考虑到后期换索的巨大投入，那么在跨度1000米以下的桥型竞争中，悬索桥与斜拉桥在经济性方面的差距将大大减小。
现在，国内的结构设计过程中，有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，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（从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性，并明确声明在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性）。这些倾向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（考虑结构建设、使用、维护等整个周期的费用）的要求。
桥梁安全性、耐久性差的主要原因 1）施工和管理水平低
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国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁安全性问题倍加关注。一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理疏漏所导致。对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题，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与劣化；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，这也与施工质量低下有重要关系，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（主要原因包括：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不利的危害。
2）设计理论和结构构造体系不够完善
在承认施工存在问题的同时，也不可否认，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和连接的设计，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。
需要改进和努力的方向
1）应该更加重视结构的耐久性问题
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。在大跨桥梁领域，国内从上世纪80年代以来，修建了大量的斜拉桥；虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少，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。
需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关，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。
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。这些研究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。而且，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。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。 2）重视对疲劳损伤的研究
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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。如果宏观裂纹不得到有效控制，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。 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）充分重视桥梁的超载问题
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性，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）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（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。