提高桥梁设计可靠性措施探讨

时间：2024-07-28

杨光

(大连市市政设计研究院有限责任公司)

提高桥梁设计可靠性措施探讨

杨光

(大连市市政设计研究院有限责任公司)

为了研究桥梁设计可靠性提高的措施，首先研究了可靠性理论在桥梁设计中的应用现状，接着找出了桥梁设计出现可靠性较低的主要原因，最后提出了提高桥梁设计的可靠性的主要措施。

桥梁设计；措施；可靠性

1 桥梁出现可靠性问题的主要原因

1.1 较低的桥梁设计标准

我国在上世纪60年代至70年代建设的桥梁，由于当时的社会经济发展水平较低，对桥梁的等级要求也较低。出于节省资源和实用的目的，桥梁的设计荷载标准也降低。但随着经济建设的发展，社会对桥梁承压等级越来越高，而大部分城市如今却仍使用以前低设计标准的公路桥梁。随着交通量的日益增多和繁重，之前所设计的桥梁已不适合现阶段的交通需要，其本身的可靠性问题随时可能发生，对人类的生命造成一定威胁。

1.2 较差的施工和管理水平

在建及刚建不久却发生诸如突然破坏与倒塌事故的桥—梁，很多是因为施工质量没有达到规范和设计要求，管理混乱所致。其中以材料强度不足和施工工艺不合理等原因为主，而偷工减料、以次充好等严重管理问题，可造成对桥梁安全性有致命的损害后果。

1.3 不合理的桥梁设计

在设计过程，设计者只考虑桥梁的结构强度计算结果满足规范要求，却忽视从结构体系、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因素等方面综合计算桥梁的可靠性。设计人员的经验欠佳，能动性不太强。用静态思维去解决不断进步发展的技术问题，桥梁在不同的环境和使用条件下和不同的设计对象都会对结构体系得出不同的布局和构造要求，规范再详细也不能代替应由设计人员解决的各种问题，规范更新再快也适应不了新技术、新材料、新工艺快速发展对结构设计提出的各种新要求，目前的设计可视为静态设计，过于偏重设计建成时期结构的工作和服务能力而对使用期实际的性能表现随时间的劣化缺乏相应的考虑。从经济性上讲，考虑建造成本多，而不够重视营运的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益，因此，合理可靠的结构设计除了满足规范要求外，还要求设计人员具有对结构本性的确认识。丰富的经验和准确的判断。从而在设计时对桥梁整体结构全寿命使用过程进行全面综合分析和计算，提高结构的可靠性。

1.4 耐久性考虑不足

目前国内的桥梁设计中有这样的一种倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注而已，既没有提出明确的使用年限要求，也没有进行专门的耐久性设计，即从材料、结构，环境及设计程序来保证耐久性，并确定在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性。

2 提高桥梁可靠性的措施

2.1 加强对桥梁寿命期的理解。我国在工程建设方面，将逐步从最初的单纯设计满足载荷强度的设计原则转变到既满足载荷强度需求又满足桥梁寿命需要的设计思路。符合国际上造桥对寿命期的要求。加强桥梁使用寿命的理解，应首先要研究确定结构重要性的方法。例如，一般我国桥梁设计基准期都是一百年，但在设计时很难保证设计数据的可靠性，因此通常要经过大量的数值模拟来确定。寿命期定后桥梁建设的规划、设计、施工、运行(包括养护、维修、管理)也需要综合考虑，以便修建的桥梁寿命在预想之中。

2.2 对桥梁结构可靠性的设计和现场的施工应减轻甚至隔绝环境因素对混凝土和钢筋的影响。特别在靠近氯离子侵蚀严重的海边，其环境因素对桥梁的影响后果更不容忽视。桥面应有一定的坡度或设置排水管道，在混凝土桥面板与路面层之间设置可靠防水层，防止水向下渗漏，造成环境对桥梁的破坏后果。

2.3 从理论研究和规范方面应更加重视结构的耐久性问题。桥梁在建造和使用过程中，会受到环境、甚至化学物质的侵蚀并承受各种荷载及人为因素等外部作用，同时桥梁本身所采用的材料性能也会不断疲劳、损伤、劣化，导致结构部分不同程度的损伤和劣化，桥梁早期开裂等，大量病害实例证明除了施工和材料方面的原因外，影响耐久性的决定性因素是结构设计上的缺陷造成，长期以来，人们一直偏重于结构计算方法研究，而忽视对总体构造和细节处理方面的关注，对如何从结构和设计角度及如何以设计和施工人员易接受操作方式来改善桥梁耐久性却很少研究。结构耐久性设计与常规的结构设计有着本质区别，目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析方向发展。

2.4 充分重视现有运营环境的超载问题。桥梁的超载一方面使疲劳应力幅度加大，损伤加剧，甚至结构破坏。另一方面桥梁内部损伤不能恢复，使受力状态发生变化，从而使桥梁的可靠性降低。桥梁超载主要表现为旧桥超龄负载运营，通行车流量超过设计预测值，车辆的违规超载，这些问题除了交管部门要加强管理外，对超载带来的后果进行研究分析成为一种迫切需要在国内这种特定的运输环境中，超载已是一种社会问题，不可在短时间内制止，设计上在考虑经济的情况下，应变被动适应改为主动适用，在荷载组合设计计算时研究分析，应充分考虑合理的超载外力，从而有效地提高桥梁承可靠性。

2.5 加强重视疲劳损伤的研究。桥梁结构所承受外力大部分是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力及应变，引起结构的累积疲劳损伤。桥梁所采用的材料本身就不是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷逐渐发展扩大形成损伤。如在运营时得不到有效控制，会引起材料结构的脆性断裂，带来和后果往往是灾难性的。对疲劳损伤的研究不仅仅对整个结构而言，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失效。近年来，疲劳损伤的研究虽然进入混凝土结构，但对于使用后期受腐蚀的钢筋构件中的动态性能和疲劳性的研究还需要加强。

2.6 借鉴国外的优秀经验和成果。国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差，例如桥梁的线形不平顺、振动过大、接头易跳车、结构开裂和变形过大等。而国内桥梁的耐久性和安全性也比较差。对于桥梁出现的这些问题，我们应认真考虑国外有关桥梁方面的技术，应认真研究其优秀的设计和施工经验。例如欧洲国家对结构物的性能设计经验，包括对结构的变形、裂缝的处理，消除或减小振动的方法等，这些设计都将加强桥梁的可靠性安全性和耐久性的设计。

2.7 桥梁附属设备的设计

桥梁附属设备包括伸缩缝、支座、排水系统、照明系统等，这些部分虽然在工程造价中仅占很少的一部分，但也发挥着重要的作用。现已建成的大多数桥梁的排水系统设计相当简单，仅仅是使用排水管将水引出桥面而已。降雨时，桥下成了“水帘洞”，这对于一些立交桥和高架桥而言更是不合理的，大量的桥面污水直接击打着地面，污水落地后肆意流淌，有些甚至直接流入良田。这样的设计丝毫未考虑环保的因素。现在采用绿色设计对以上设计进行优化。一是选择排水系统的材料。传统的材料是铸铁，这种材料易锈蚀且造价高，同时不利于不可再生资源的节约。有鉴于此，可考虑使用PVC管等材料，这些材料具有轻质、节能、抗腐蚀的特点。二是设计排水系统的数量。由于设计人员对排水系统缺乏足够的重视，往往是按大概的间距进行设置，这样会造成排水不畅或排水系统过多，违反了绿色设计的原则。应根据当地的降水情况进行水力计算来准确设置足够数量的排水系统。三是排水系统将水引离桥面后，还应对水流进行疏导直至地面。为保证桥梁的美观，在有条件的情况下可考虑将排水系统埋入桥梁结构内，但应确保检修方便。另外可将若干桥面排水管通过连接管连通，再接入同一套疏导系统，并起到美观、低能耗且形式简洁的作用。四是引到地表的水还应再引入合适的排水沟，最好设置沉淀池，以减少污染。