桥梁设计中耐久性存在的问题及对策研究

曹武军

【摘 要】针对当前桥梁设计中存在的安全耐久性问题，分析出桥梁安全性、耐久性不足的危害，进而针对桥梁设计中存在的问题，提出健全规范、更新设计理念、创新设计方法等相应的改进应对措施。

【关键词】桥梁设计；安全性；耐久性；规范；设计理念

中图分类号： U442.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0200-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.088

随着我国经济的快速发展，跨入21世纪后兴起了桥梁工程建设的新热潮，近几年建成了许多大桥，如青岛海湾大桥、港珠澳大桥、沪通长江大桥、重庆朝天门长江大桥等。特别是随着国际性的金融危机，我国制定了一系列的政策进行应对，其中主要的一项便是加大基础建设的投资力度，拉动内需。有的省市每年在这方面的投资数百亿人民币。但在大量新建的同时，也已经出现了许多因安全性不够、耐久性不良等而过早报废的桥梁，远没有达到服务年限就被拆。例如北京西直门立交桥使用仅19年，就因严重剥蚀和钢筋锈蚀破坏等原因不得已，于1999年报废重建。此类事件不胜枚举，国内外的惨重教训应该值得我们借鉴，我们应该思考工作中的不足和采取哪些措施尽量避免发生惨剧。造成桥梁安全性不够、耐久性不良的原因是多方面的；建设程序管理体制的问题、过程、设计、施工过程不健全；建成后的后期管理机制不健全等。涉及到工程建设的业主、设计方、承包方、施工方等各个方面。本文仅从设计方面的若干问题进行分析，并提出一些对策措施。

1 桥梁安全性、耐久性不足的危害

随着时代经济的高速发展，人类所建造的各种大型工程结构物，规模巨大，结构复杂，功能众多。这些工程的特点是：投资巨大，技术复杂，环境影响严重，袭击破坏机率增大（风、浪、地震、海啸、船撞、破坏等等）和维修、养护、加固难度大，一旦出现安全耐久性问题，影响是非常大的。

1.1 巨额的经济损失

从国外的桥梁建设经验中发现，如果在桥梁的设计和建造时期没有很好地考虑梁的安全与耐久性，将会在桥梁的运营和维护中付出惨重的经济代价。如北京西直门环形立交桥，为缓解日益严重的交通阻塞，在上世纪末拆除重建。在拆除过程中，发现结构大量的冻融病害，橡胶支座老化结硬，致使支座承台破裂，估计桥上的橡胶支座的使用寿命未满10年。假定该桥的原设计寿命期为50年，那么其间的支座就需要更换4～5次。

1.2 严重的工程事故

国际上统计，桥梁工程事故的80%以上是由人为错误造成的，这些人为错误主要反映在结构的安全、质量和管理的每个环节上。如果对发生病变的桥梁不及时加固维修或拆除，将造成严重的工程或交通事故，甚至有的在使用中因意外原因导致垮塌。例如2007年6月15日，广州九江大桥被一艘运沙船撞击导致垮塌。被撞后九江大桥修复工程历时2年、耗资1.4亿元进行修复。

1.3 恶劣的环境社会影响

我们发现在不断立项新建、改建桥梁的同时，由于各种原因也在不断地加固维修甚至拆除不到使用年限的桥。如观澜河大桥，它是梅观高速公路上的一座预应力连续梁桥，跨径组成为3联4×40m，桥梁全长495.43m，该桥因为承载能力降低，不能满足使用要求，经专家多次论证后，需进行拆除。而且为加速路桥等公共工程建设，国家现在鼓励投资公司出资并给以一定期限如30年的经营收入作为补偿。如果没有实施提高桥梁耐久性措施，对于设计工作寿命为100年的桥梁，很可能30年到期后国家接收的已是一个破旧待拆的工程。

2 桥梁设计中存在的问题

橋梁安全性、耐久性不足，既有内因也有外因，或是内、外因交叉影响。主要有以下几个方面。

2.1 设计规范的先天不足

结构建设过程中的各个方面工作都需要有质量保证体系。其中最首要的即是“行为”的规范、规程、指南或标准。总而言之，要建成一项大型工程，一切工作都要有管理条例，各项工作都必须按规定执行，不能随心所欲修改或变更，也即在过程中，一切修改和变更都要有文件规定。这些规定的选择是业主的权限与职责。如国外的大多数的规范、规程、指南都是参考性文件。英国标准BS7543：建筑物及建筑构件、产品与组件的耐久性指南前言中注明：遵守英国标准本身，并不给予豁免法律责任。它的法律责任只在业主与设计、施工承包商签约合同中规定的使用文件中签约确定。而我国的国家与部级的各种规范、规程都是强制性文件，都具有法律责任。然而，我们对它的管理大约10年一贯制，大大落后于工程学科的发展水平。特别是一些跨海大桥，目前各个规范都不适用，而我们似乎并不关心约束各项工作的规范、规程和指南文件的组织与编写。沿海地区一些桥梁不可避免地要穿饱和、过饱和的盐田，设计环境远远超过现行规范中的严重腐蚀等级F级，如何进行高浓盐碱环境下的桥梁结构优化设计等新问题也是规范急待解决的问题。

2.2 设计中具体细节注意不够

具体细节方面的设计虽然繁琐，但是保障设计的重要环节，需要设计人员不断学习和积累经验。如：设计人员对乡镇地区洪水位了解不详，经常导致设计时桩基系梁位置较低，施工困难，造成系梁结构质量不易保证。构造设计也存在漏洞，典型问题是伸缩缝处。有的伸缩缝仅设普通橡胶支座。实际上应改为橡胶活动支座。因为在汽车荷载作用下伸缩缝处易拉裂，普通橡胶支座会变形，极大地影响结构安全和耐久性。监理人员应及时发现问题，建议业主要求设计单位进行支座变更。再有，桥面没有设计整体钢筋网、没有考虑汽车超载问题等。超载现象在我国公路运输中较为普遍，汽车超载营运，会对桥梁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，设计时也需要对超载带来的后果进行研究、分析。伸缩缝处空心梁预埋数量不足、桩基主筋保护层与建筑制图不一致等诸多问题。

2.3 设计人员学习、更新知识不够

目前国内建设的现状是工期紧，任务重，突击建设。这导致设计人员整天忙于完成设计任务，无暇认真研究新规范，学习新技术、新材料，往往是工程设计图基本照搬以前的设计，略作修改，而设计规范不断更新，结果要么就是设计与现行规范不一致，要么就是从规范上照搬几条，而不考虑结构所处的环境、气候、技术水平现状，让后边的施工、监理无所适从，从设计之初留下隐患。比如《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）第一次明确提出100年设计基准期的要求，2006年《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/TB07—01—2006）颁布实施可以理解为JTGD62—2004规范的细化要求，从规范上可以看出，不管在内陆还是沿海、南方还是北方，尽管劣化模式不同，都必须考虑腐蚀因素。而一些设计单位，只简单理解为沿海地区需要防腐，其余地区不考虑，设计图纸上根本就不体现耐久性的要求。

3 应对措施

3.1 健全规范

要减少桥梁使用期间的工程事故，提高桥梁的安全和耐久性，首先要有不断健全的规范、规程、指南、标准等管理体系的保证，它是避免人为错误的重要保证，特别是职责与权限的制定。

3.2 更新设计理念

目前在公路桥梁设计过程中，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性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。所以我们应该在汲取目前经验事故的基础上开展新的设计理念和方法的研究。过去只限于设计、施工质量的单一层面上去寻求结构的安全性就不够了。从上世纪70年代后，国内外专家在分析研究、认真总结经验教训的基础上，除强调结构设计和建造时期的安全性、耐久性、整体牢固性的要求外，逐步讨论了结构在使用期间的检测、维修、加固的新技术，对不同工程结构物的灾害和可接受的危险水平和评估进行了深入研究，提出了耐久性设计的概念。结构耐久性设计所要解决的问题也就是经济、合理的使用年限问题，即结构寿命期问题。基于结构耐久性设计的新设计理念认为桥梁耐久性的保证是需要桥梁设计、施工、运营和维护各个阶段共同努力的结果。新建一座结构时，业主确定建筑用途提出耐久性要求，即结构使用寿命期。

在设计和建造阶段，应该特别注意到所有与耐久性有关的问题，比如一座大型结构物要服务100年，试想近代的科学、经济的高速发展，这100年对结构而言，内、外因变化很大，特别是外因，试问结构功能如何适应变化而改变或增强它的服务功能？推论：如结构物的设计寿命期为100年，预测100年的使用要求，定出各个标准进行设计，这很难实现。然而，工程师能使结构物适应各种变化，采取各种措施使结构获得更强大的“体能”为交通服务。为解决这一问题，在设计和建造阶段就要挑战传统设计理念：对设计工程师要求结构设计时应使结构具有6大特性，即可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性。因为如果建成的结构物，各个部件不可检查，不可更换，无法修復，不能控制，不加强，不可持续，那么结构在内外因复合作用下，就会一天天衰退，破损，倒塌而“生命夭折”。

3.3 创新设计方法

鉴于问题的严重性，工程各方对耐久性都很关注。近年来一些施工方、监理方也经常和设计单位进行技术交流，宣贯耐久性技术。如尝试与设计方一起在设计文件中对材料和防腐提出要求，把设计与研究很好地结合起来，而且针对具体工程根据其特定的环境与技术要求编制专用技术指南，这种方法反映效果很好。还有，在接手工程的技术支持工作之初，先给业主、监理、施工各方的技术人员进行培训，对混凝土性能等基本且关键的技术知识深入学习，这样事前培训加现场指导的方式解决实际问题。还有很多诸如这些从实践中来的宝贵经验，我们应该多交流学习，不断改进创新设计方法。

4 结论

安全性、耐久性是一个系统工程，试验室内的研究成果只是基础，最终要通过设计、施工、养护等环节形成结构本身并工作于实际环境，任何一个环节出现偏差都会影响结构的性能，而现场的问题千差万别，本文提到的也只是冰山一角。桥梁安全性和耐久性已成为迫切需要解决的问题，我们应该积极借鉴国外成功的经验和做法，除了加强施工质量管理外，要从桥梁设计理念和结构体系和构造的角度做好耐久性的设计，同时也需要研究疲劳和超载等因素对于桥梁结构耐久性的影响。

【参考文献】

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[3]JTJ058—2000，公路工程集料试验规程[S].

[4]王春剑.公路桥梁设计中的安全性和耐久性探讨[J].科技信息，2007（28）.