(完整版)國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題

1、國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題摘要： 國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋梁設(shè)計(jì)提出的要求是適用、 濟(jì) 、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(wèn)題 。關(guān)鍵詞： 道路橋梁 具體的設(shè)計(jì)過(guò)程按承載能力和正 常使用兩種極限狀態(tài)來(lái)進(jìn)行。前者是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能 力臨界狀態(tài)時(shí)的承載能力、設(shè)計(jì)的基本原則是要求荷載效應(yīng) 不利組合的設(shè)計(jì)值，必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)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(lái)考慮不確 定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲(chǔ)備，是一個(gè)半概率的極限 狀態(tài)設(shè)計(jì)法。可以認(rèn)為是對(duì)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(shí)應(yīng)力、裂縫和變形小于一定的限值，對(duì) 應(yīng)于適用性的要求。 暫且不論

2、這些控制方程和 計(jì)算 論 是否完全合理， 它們至少?gòu)亩ㄐ院投康男问缴媳ＷC了安 全性和適用性兩項(xiàng)要求，而對(duì)于經(jīng)濟(jì)、美觀的要求則沒(méi)有具 體的指標(biāo)進(jìn)行衡量。當(dāng)然，在方案設(shè)計(jì)和評(píng)審階段會(huì)考慮到 經(jīng)濟(jì)和美觀的要求 （中小橋梁主要關(guān)注經(jīng)濟(jì)性，而大型和特大型橋梁對(duì)美觀問(wèn)題越來(lái)越重視 ）；但需要指出的是該階段對(duì) 經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估往往是只注重考慮建設(shè)成本，而對(duì)于后期的養(yǎng) 護(hù)、維修等的長(zhǎng)期綜合成本缺乏考慮，因此這種評(píng)估經(jīng)常是 比較片面的。一個(gè)典型的例子是斜拉橋的換索問(wèn)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(jìn)行一次換索，如 果考慮到后期換索的巨大投

3、入，那么在跨度 1000 米以下的 橋型競(jìng)爭(zhēng)中，懸索橋與斜拉橋在經(jīng)濟(jì)性方面的差距將大大減 小。 現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有這樣的傾向：設(shè)計(jì) 中考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少；重視強(qiáng)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(gè)生命周期中最重要的卻恰恰是 使用時(shí)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(hù)。 實(shí)際上，目前的橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)于耐久性更多的只是作為一 種概念受到關(guān)注，既沒(méi)有明確提出使用年限的要求，也沒(méi)有 進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)（從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計(jì)程序上上 保證耐久性，并明確聲明在何種維護(hù)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

4、性能差、使用壽命短的不良后果；也 與國(guó)際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢(shì) 相違背；也不符合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)和綜合經(jīng)濟(jì)性（考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、 使用、維護(hù)等整個(gè)周期的費(fèi)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(guó)內(nèi)外多座橋 梁的突然破壞與倒塌，已使工程界對(duì)橋梁安全性問(wèn)題倍加關(guān) 注。一般的看法認(rèn)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(duì)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(méi)有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，典型的問(wèn)題包括材 料強(qiáng)度不足和施工工藝不合格等；也有個(gè)別橋梁存在諸如偷 工減料、以次充好等嚴(yán)重的管理問(wèn)題，更是對(duì)橋梁安全造成 致命的損害。 而大量的橋梁

5、在遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期使用壽命 時(shí)，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(yán)重的耐久性不足 的問(wèn)題，這也與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問(wèn)題有鋼 筋保護(hù)層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場(chǎng)的嚴(yán)重的構(gòu)件開(kāi)裂 問(wèn)題（主要原因包括：水泥選用、混凝土配合比、振搗、養(yǎng) 護(hù)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(huì)對(duì)橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響，但卻會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng) 期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。 2 ）設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造 體系不夠完善 在承認(rèn)施工存在問(wèn)題的同時(shí)，也不可否認(rèn)， 在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是關(guān)于橋梁施工和使用期安全性的問(wèn) 題還有許多可以改進(jìn)的地方。

6、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是選擇經(jīng) 濟(jì)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(jì)， 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(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)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(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過(guò)程中經(jīng)常 出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)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?。挥械挠?jì)算圖式和受力路線 不明確，造成局部受力過(guò)大；有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過(guò)低、保 護(hù)層厚度過(guò)小、鋼筋直徑過(guò)細(xì)、構(gòu)件截面過(guò)??；這些都削弱 了結(jié)構(gòu)耐久性，會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。不少橋梁、雖然 滿足了設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度要求，僅

7、用了 510年就因?yàn)槟途眯猿隽藛?wèn)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(shí)的一 個(gè)安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強(qiáng)結(jié) 構(gòu)耐久性。 不同的環(huán)境和使用條件、不同的設(shè)計(jì)對(duì)象都會(huì) 對(duì)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(xì)也不能包羅本應(yīng)由設(shè)計(jì)人員解決的各種問(wèn)題、規(guī)范更新得 再快也適應(yīng)不了新認(rèn)識(shí)、新技術(shù)、新材料快速 發(fā)展 對(duì)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(jì)除了滿足 規(guī)范的要求外， 還要求設(shè)計(jì)人員具有對(duì)結(jié)構(gòu)本性的正確認(rèn)識(shí)、 豐富的經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)確的判斷。 需要改進(jìn)和努力的方向 1 ) 應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題橋梁在建造和使用過(guò)程中，一定會(huì)受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)

8、的侵蝕，并要承受車輛、 風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來(lái)作用，同時(shí)橋梁所 采用材料的自身性能也會(huì)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(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代以來(lái)，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或 嚴(yán)重?fù)p害的例子很少，但已經(jīng)有多座橋梁因?yàn)槔鞯哪途眯?問(wèn)題而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟(jì)損失。 需要指出的是，很多這類問(wèn)題與沒(méi)有進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計(jì) 有關(guān)，這也促使人們重新認(rèn)識(shí)橋梁的耐久性問(wèn)題。大量的病 害實(shí)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(lái)自構(gòu)造上（也即設(shè)計(jì)上）的缺陷。 國(guó) 內(nèi)從上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始重視了對(duì)結(jié)構(gòu)

9、耐久性的 研究 ，也 取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統(tǒng)計(jì)分析的角度 進(jìn)行的，對(duì)如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的角度及如何以設(shè)計(jì)和施工人 員易于接受和操作的方式來(lái)改善橋梁耐久性卻很少有人研 究。而且，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計(jì)算 方法 的研 究，卻忽視了對(duì)總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的耐 久性設(shè)計(jì)與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著本質(zhì)的區(qū)別，目前需要努力 將耐久性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。 國(guó)外的橋梁 設(shè)計(jì)有鑒于耐久性不足導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p失，近年來(lái)十分重視提 高結(jié)構(gòu)物的耐久性并將其作為重要的設(shè)計(jì)原則，統(tǒng)一考慮合 理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié)，強(qiáng)調(diào)使結(jié)構(gòu)易于檢查、維修，以 保證橋梁的安全使用、盡可能地減少維修費(fèi)

10、用，取得了較好 的綜合經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)踐都表明，結(jié) 構(gòu)耐久性對(duì)于橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用。 2 ） 重視對(duì)疲勞損傷的研究 橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷 載都是動(dòng)荷載，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會(huì)引 起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。 由于橋梁 所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的 缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會(huì)逐漸發(fā)展、合并形 成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得 到有效控制，極有可能會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期 疲勞損傷往往不易被檢測(cè)到，但其帶來(lái)的后果往往是災(zāi)難性 的。 疲勞損傷過(guò)去一直被認(rèn)為是鋼橋設(shè)計(jì)

11、中的核心問(wèn)題， 由鋼結(jié)構(gòu)疲勞引起的鋼材開(kāi)裂案例較多，亦有不少因疲勞斷 裂引起橋梁垮塌的例子。近 20 年來(lái)，疲勞損傷的研究已進(jìn) 入混凝土結(jié)構(gòu)，但對(duì)于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件的動(dòng) 態(tài)性能和疲勞性能的研究還需加強(qiáng)。 對(duì)疲勞損傷的研究不 僅僅指對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，事實(shí)上橋梁結(jié)構(gòu)常常由于某些關(guān)鍵 部位的局部疲勞失效而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效，例如斜拉橋拉 索錨固端的疲勞損害。 3 ）充分重視橋梁的超載問(wèn)題 汽 車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn) 營(yíng)；其二是橋梁通行的車流量超過(guò)原設(shè)計(jì)；另一種是車輛違 規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計(jì)荷載的變化和 交通 量的增加；后者是車輛使用者違法超載營(yíng)運(yùn)

12、，后兩種超載現(xiàn) 象在我國(guó)公路運(yùn)輸中較為普遍。橋梁的超載一方面可能引發(fā) 疲勞問(wèn)題。超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚 至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超 載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化， 從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。 例如，混凝土橋梁一直被認(rèn)為具有足夠的耐久性，但在汽車 超載作用下，可能發(fā)生開(kāi)裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉 合，但由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)件的開(kāi)裂彎距 降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來(lái)不該開(kāi) 裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來(lái)較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂 縫或產(chǎn)生較大的變形。這些都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的使

13、用性能和耐 久性產(chǎn)生不利的影響，因此除了交管部門要加強(qiáng)管理外，也 需要對(duì)超載帶來(lái)的后果進(jìn)行研究、分析。4）積極借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)和成果 國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要 問(wèn)題 是結(jié)構(gòu)正 常使用性能差（指與設(shè)計(jì)期望相比，可歸結(jié)為適用性能差， 包括橋梁的過(guò)大振動(dòng)、線形不平順、接頭跳車、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和 過(guò)大的變形等） 、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護(hù) 費(fèi)用高、安全事故較頻繁等） 。這些問(wèn)題的產(chǎn)生固然與 目前 國(guó)內(nèi)施工質(zhì)量和管理水平較低有關(guān)，但平心而論，既然這種 現(xiàn)狀不能在短期內(nèi)得到解決，那么作為工程設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該 在正視這一問(wèn)題的前提，充分考慮到現(xiàn)階段的施工和管理水 平和材料工藝水平， 采用適當(dāng)?shù)陌踩取?適

14、當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì) 方法 來(lái) 保證橋梁使用性能的達(dá)到，這才是更為主動(dòng)和有效的方法。 特別是橋梁存在的耐久性和安全性問(wèn)題很多與結(jié)構(gòu)體系或使 用材料選擇不合理及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處理不當(dāng)有關(guān)。 在歐洲國(guó)家 （如德國(guó)、丹麥等） ，非常重視對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行性能設(shè)計(jì)（即PBD ， Performance Based Design ）， 內(nèi)容 包括結(jié)構(gòu)的 變形、裂縫、振動(dòng)、強(qiáng)健性、美觀、耐久性能、疲勞性等。PBD 研究 主要是為了使結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中除了保證最低的 安全性要求外，尚應(yīng)有良好的使用性能 （包括壽命和耐久性、 抗腐蝕、耐疲勞性、美觀等） 。就其本質(zhì)而言，歐洲國(guó)家的 PBD 理論 ，主要研究結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的服務(wù)性 能， 分析 使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機(jī)理、 規(guī)律 ， 尋求新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和方法。 從歐洲人的觀點(diǎn)來(lái)看， PBD 似乎是對(duì)以耐久性為核心的結(jié)構(gòu)使用性能指標(biāo)的綜合考 慮。這一點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)工程界應(yīng)該是有啟示的。目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì) 可視為靜態(tài)的設(shè)