對橋梁設(shè)計中安全性和耐久性的探討).doc

本文檔系作者精心整理編輯，實用價值高。對橋梁設(shè)計中安全性和耐久性的探討現(xiàn)在,國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,有這樣的傾向:設(shè)計中考慮強(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(hù)。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(jìn)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(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(jì)性(考慮結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用、維護(hù)等整個周期的費用)的要求。 一、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(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(dá)到規(guī)范和設(shè)計要求,典型的問題包括材料強(qiáng)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(yán)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(yuǎn)沒有達(dá)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(yán)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(hù)層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴(yán)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(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 結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(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,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(qiáng)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(hù)、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(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性。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(qiáng)度等級過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄;這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性,會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。不少橋梁、雖然滿足了設(shè)計規(guī)范的強(qiáng)度要求,僅用了510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(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(xì)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(rèn)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(rèn)識、豐富的經(jīng)驗和準(zhǔn)確的判斷。 二、針對上述原因今后需要改進(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(jì)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(yán)重?fù)p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(jì)損失。需要指出的是,很多這類問題與沒有進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計有關(guān),這也促使人們重新認(rèn)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。 國內(nèi)從上世紀(jì)90年代開始重視了對結(jié)構(gòu)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)計分析的角度進(jìn)行的,對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計的角度及如何以設(shè)計和施工人員易于接受和操作的方式來改(下轉(zhuǎn)第128頁) (上接第72頁)善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且,長期以來,人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計算方法的研究,卻忽視了對總體構(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)計與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著本質(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。2、重視對疲勞損傷的研究 橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載,會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力,不但會引起結(jié)構(gòu)的振動,還會引起結(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到,但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。 疲勞損傷過去一直被認(rèn)為是鋼橋設(shè)計中的核心問題,由鋼結(jié)構(gòu)疲勞引起的鋼材開裂案例較多,亦有不少因疲勞斷裂引起橋梁垮塌的例子。近20年來,疲勞損傷的研究已進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)。對疲勞損傷的研究不僅僅指對整個結(jié)構(gòu)而言,事實上橋梁結(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)載運營;其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計;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運,后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍。 橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應(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)件的開裂彎距降低、剛度下降;于是在正常使用荷載作用下,本來不該開裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來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。這些都會對結(jié)構(gòu)長期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響,因此除了交管部門要加強(qiáng)管理外,也需要對超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。 4、積極借鑒國外的經(jīng)驗和成果 在歐洲國家(如德國、丹麥等),非常重視對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行性能設(shè)計(即PBD, Performance Based Design),內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動、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)在運營過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,歐洲國家的PBD理論,主要研究結(jié)構(gòu)在使用過程中表現(xiàn)出來的服務(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)計理念和方法。 從歐洲人的觀點來看,PBD似乎是對以耐久性為核心的結(jié)構(gòu)使用性能指標(biāo)的綜合考慮。這一點對國內(nèi)工程界應(yīng)該是有啟示的。目前國內(nèi)的設(shè)計可視為靜態(tài)的設(shè)計,它只定義了設(shè)計建成時刻結(jié)構(gòu)具有的工作能力和性能,而對營運期間性能隨時間的劣化及其實際的性能表現(xiàn)缺乏足夠的認(rèn)識和考慮;換言之,從經(jīng)濟(jì)性的角度講是只考慮了建造成本,而忽視了營