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【摘 要】 在当前桥梁的使用过程中,普遍存在着安全性差、耐久性差的问题,影响桥梁的使用寿命。因此,在桥梁的设计的过程中要考虑桥梁的安全性和耐久性,提高桥梁的运输安全。
【关键词】 桥梁设计;安全性;耐久性;问题
【Abstract】 In the current process of using the bridge, the prevalence of poor security, poor durability problems affecting the life of the bridge. Therefore, in the bridge design process to consider the safety and durability of the bridge, the bridge to improve transportation safety.
【Key Words】 bridge design; safety; durability; problems
1、前言
在桥梁设计的过程中要对桥梁的安全性和耐久性进行考虑,避免桥梁在使用的过程中由于腐蚀降低桥梁的使用寿命和运行安全,提高桥梁的运行能力。
2、桥梁设计的基本原则
桥梁是铁路、公路或城市道路的重要组成部分,特别是大、中桥梁的建设对当地政治、经济、国防等都具有重要意义。因此,公路桥梁应根据所在公路的作用、性质和将来发展的需要,除应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求外,还应按照美观和有利环保的原则进行设计,并考虑因地制宜、就地取材、便于施工和养护等因素。
首先,从安全耐久来看。所设计的桥梁结构在强度、稳定和耐久性方面应有足够的安全储备;对于通行大吨位船舶的河道,除按规定加大桥孔跨径外,必要时设置防撞构筑物等;对修建在地震区的桥梁,应按抗震要求采取防震措施;对于大跨柔性桥梁,尚应考虑风振效应。桥面宽度能满足当前以及今后规划年限内的交通流量(包括行人通道);桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝;桥跨结构的下方要有利于泄洪、通航(跨河桥)或车辆(立交桥)和行人的通行(早桥);桥梁的两端要便于车辆的进入和疏散,而不致产生交通堵塞现象等;考虑综合利用,方便各种管线(水、电气、通信等)的搭载。
另外,要做到经济合理、技术先进。桥梁设计应遵循因地制宜,就地取材和方便施工的原则;经济的桥型应该是造价和养护费用综合最省的桥型。设计中应充分考虑维修的方便和维修费用少,维修时尽可能不中断交通,或使中断交通的时间最短。桥梁设计应在因地制宜的前提下,尽可能采用成熟的新结构、新设备、新材料和新工艺。在注意认真学习国内外的先进技术、充分利用最新科学技术成就的同时,努力创新,淘汰和摒弃原来落后和不合理的设计思想。
3、公路桥梁安全性和耐久性较差的常见问题
桥梁耐久性是指桥梁在正常使用和维护条件下,随时间的延续仍能满足桥梁既定功能的能力。通俗的讲也就是桥梁的使用周期。桥梁的安全性是指在桥梁在正常施工和正常使用条件下,承受可能出现的各种作用的能力,以及在偶然事件发生时和发生后,仍保持必要的整体稳定性的能力。下面对桥梁常见问题进行分析
3.1已建常规桥梁设计标准低,造成安全隐患
我国在20世纪60~70年代修建的桥梁,限于当时的社会经济发展水平,其设计荷载标准较低,而且大部分城市和公路桥梁如今仍在服役,已不适应交通量日益增长的需要,面临着恢复和提高现有旧桥的承载能力及通行能力,延长桥梁的使用寿命,消除交通安全隐患。
我们知道桥梁安全性的评价实质就是其承载能力评定,它是桥梁可靠性评价的主要内容。通过调查发现,不少城市已建的常规桥梁结构(指一般结构)因设计、施工、材料、养护管理、交通荷载的变化以及所在环境的浸蚀、偶然事故等原因所引起桥梁整体或组成它的基本部件,在强度、变形、刚度等方面的损坏而影响桥梁结构在正常使用条件下的安全性和耐久性方面存在相当多的问题。
3.2车辆超载对桥梁结构的损害
近年来车辆严重超载对桥梁的安全度和耐久性带来很大的隐患。我国华北和华南地区的一些桥梁,由于经常过往超载的车辆(如运煤车,货柜车),造成桥梁结构严重受损,其使用寿命大大缩短,甚至出现危及人民群众生命财产安全的重大隐患。
3.3混凝土品质的变化造成桥梁使用寿命和耐久性降低
在过去的一个时期,人们关注混凝土的质量往往是以单一的强度指标作为标准,导致了我国水泥工业对水泥强度的片面追求。而水泥细度的增加,水泥熟料中早期强度的提高,促使水泥矿物成份含量增大。这些措施虽有利于提高混凝土的强度,但不利其耐久性。而混凝土养护不利,以及外部环境的恶化(酸雨等),都对混凝土造成严重腐蚀,造成桥梁使用寿命和耐久性的降低。
自20世纪80年代以来,工程建设领域以提高耐久性为目标,广泛采用高性能混凝土,已在世界各地引起人们的广泛重视。桥梁结构从下部结构到上部结构,从中小跨径到大跨径,高性能混凝土得到了广泛的应用,耐久性和结构强度均提高了一倍左右。研究成果表明,高性能混凝土通过增加活性掺料减少水泥用量,具有良好的耐久性、工作性、强度和体积的稳定性。
3.4北方桥梁除冰盐对桥梁耐久性产生不利影响
自20世纪70年代开始,我国北方地区为保证冬季雪后道路交通畅通,在立交桥梁上为融化冰雪大量采用除冰盐。通过调查发现,使用10~20年左右的桥梁,除冰盐对桥梁结构的钢筋产生严重的腐蚀,使用不到10年的桥梁,在氯离子影响范围,钢筋也处于锈蚀状态。由于我国北方冬季气候非常干燥,使用除冰盐后,盐水很容易进入结构混凝土中而达到饱和,当外界环境非常干燥时,混凝土中的水流方向发生逆转,纯水通过混凝土的毛细孔向外蒸发,混凝土内部的盐分浓度增加,又使其向混凝土内部扩散,并形成恶性循環。据调查,除冰盐引起的钢筋锈蚀是北方桥梁结构破坏的重要原因。按照欧洲国家对混凝中钢筋腐蚀速度的研究成果,钢筋开始锈蚀至破坏的时间约为总寿命的1/3。近年来在部分城市推广的新型除雪剂仍含有盐分,对桥梁耐久性亦造成不利的影响。 3.5桥梁结构防水不当影响结构的安全性和耐久性
从20世纪90年代初,人们对桥梁防水技术开始关注并进行专题研究不少桥梁不做防水或防水不利造成桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应等,引起混凝土胀裂等严重损坏问题,严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命,以及行车的舒适性和安全性。
3.6施工和管理水平低
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腐败所导致。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。
3.7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。许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要,而忽视从结构体系、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错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的結构整体性和延性不足,冗余性小;有的计算图式和受力路线不明确,造成局部受力过大;有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄;这些都削弱了结构耐久性,会严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强度要求,仅用了5~10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题,设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。
不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此,合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外,还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。
4、提高路桥安全性与耐久性的措施
4.1提高常规混凝土(<C40级)的品质
由于我国还是一个发展中国家,地域广阔,经济发展很不平衡,因此常规混凝土仍广泛应用。因此应依据使用条件对混凝土的各项性能指标及结构构造提出具体要求。如水灰比的控制要求、混凝土的抗冻性、抗渗性能要求、保护层厚度要求、裂缝控制要求、设计使用寿命期间受到的氯离子侵害的保护措施。并在施工期间,严格控制原材料质量和生产程序,从而减少混凝土性能上的变异,提高混凝土的品质――整体质量,以确保桥梁结构的安全度和提高耐久性。
4.2应加快我国高性能混凝土的研究和推广应用
高性能混凝土具有高工作性、高耐久性、高尺寸稳定性和高强度以及高抗氯离子渗透性能;为延长桥梁结构的使用寿命,应积极推广高性能混凝土和高强钢材,以达到提高混凝土强度并加快其硬化过程的目标,提高混凝土的耐久性。我国工程建设领域,特别是桥梁工程应将高性能混凝土的研究和推广应用作为确保桥梁结构安全和提高耐久性的重要对策措施。
4.3进一步完善桥梁结构耐久性的构造设计
在材料、环境等因素相同的条件下,不断完善桥梁结构的混凝土耐久性设计,将减少正常维修费用并延长结构使用寿命,譬如加大混凝土保护层的厚度,延缓钢筋钝化膜的破坏,延迟氯化物对钢筋的腐蚀。适当加大桥梁结构的结构尺寸,解决配筋密度过密时,造成混凝土浇筑困难,骨料分布不均匀,混凝土密实度下降等;并提高桥梁防撞能力,以确保防撞系统与主体结构的耐久性。
4.4加快桥梁结构防水规范的编制和应用
近年来桥梁建设者已取得共识,桥梁防水的设计和施工对其安全度和耐久性至关重要。因此急需编写有关标准和规范,对设计人员提出具体的技术要求,规范设计和防水施工的关键环节。应进一步改进我国桥梁防水结构设计,充分认识到桥梁结构自身防水功能是解决桥面漏水问题的症结所在,在构造设计上应充分考虑桥梁的耐久性要求,提高结构的防水性能和功能,从砼材料的选择和施工技术方面进行研究。要提高砼本身的密实程度,抑制和减少砼内部孔隙的产生,堵塞和杜绝渗水的通道,使外部水份无法渗入材料的内部。同时对砼外加剂也应进行系统的研究。目前不少桥梁施工采用旱强剂,产生大量水化热,增加砼干缩裂及徐变带来次应力影响等,对此应予以充分的重视,并采取相应的对策措施。积极研制和开发适合桥梁结构施工和工作环境专用的防水材料,开发出适应桥梁工作环境。应具有较高的强度和优良的防水性、延伸性、抗裂性,能适应车辆荷载、温度变化等作用下产生的变形功能;要具有良好的高温耐热、耐寒性能,能适应较大的温度变化;要具有良好的粘接性、抗剪切性和抗疲劳性,能使防水材料与桥梁主梁砼和桥面铺装间有可靠的联接;还应满足防水施工工艺简单、便于掌握、造价适中、运输和储存方便,并确保防水质量。
4.5加强对弯、坡、斜,异型桥梁及大跨径桥梁(斜张桥、悬索桥、刚构桥及拱式桥)安全度及耐久性的研究
应针对以往存在的问题,采取相应的对策措施,确保桥梁结构的安全性、稳定性和耐久性。要修订和完善桥梁相应的设计规范及施工规程;加强对城市弯、坡、斜桥和异型桥梁及大跨径桥梁安全度及耐久性的研究,以满足设计和施工符合耐久性的要求,确保桥梁结构的正常使用。 4.6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。
国内从上世纪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。
4.7重视对疲劳损伤的研究
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,亦有不少因疲勞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。
4.8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。
5、结束语
在桥梁设计的过程中要根据当地的地质条件选择相关的工艺,对桥梁的耐久性和安全性进行考虑,提高桥梁的使用寿命和运行安全。
参考文献:
[1]李宏毅.结构耐久性应用研究现状综述[J].重庆建筑大学学报,2011
[2]陈志亮.浅谈桥梁设计存在的问题及相关对策[J].科技资讯,2008
【关键词】 桥梁设计;安全性;耐久性;问题
【Abstract】 In the current process of using the bridge, the prevalence of poor security, poor durability problems affecting the life of the bridge. Therefore, in the bridge design process to consider the safety and durability of the bridge, the bridge to improve transportation safety.
【Key Words】 bridge design; safety; durability; problems
1、前言
在桥梁设计的过程中要对桥梁的安全性和耐久性进行考虑,避免桥梁在使用的过程中由于腐蚀降低桥梁的使用寿命和运行安全,提高桥梁的运行能力。
2、桥梁设计的基本原则
桥梁是铁路、公路或城市道路的重要组成部分,特别是大、中桥梁的建设对当地政治、经济、国防等都具有重要意义。因此,公路桥梁应根据所在公路的作用、性质和将来发展的需要,除应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求外,还应按照美观和有利环保的原则进行设计,并考虑因地制宜、就地取材、便于施工和养护等因素。
首先,从安全耐久来看。所设计的桥梁结构在强度、稳定和耐久性方面应有足够的安全储备;对于通行大吨位船舶的河道,除按规定加大桥孔跨径外,必要时设置防撞构筑物等;对修建在地震区的桥梁,应按抗震要求采取防震措施;对于大跨柔性桥梁,尚应考虑风振效应。桥面宽度能满足当前以及今后规划年限内的交通流量(包括行人通道);桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝;桥跨结构的下方要有利于泄洪、通航(跨河桥)或车辆(立交桥)和行人的通行(早桥);桥梁的两端要便于车辆的进入和疏散,而不致产生交通堵塞现象等;考虑综合利用,方便各种管线(水、电气、通信等)的搭载。
另外,要做到经济合理、技术先进。桥梁设计应遵循因地制宜,就地取材和方便施工的原则;经济的桥型应该是造价和养护费用综合最省的桥型。设计中应充分考虑维修的方便和维修费用少,维修时尽可能不中断交通,或使中断交通的时间最短。桥梁设计应在因地制宜的前提下,尽可能采用成熟的新结构、新设备、新材料和新工艺。在注意认真学习国内外的先进技术、充分利用最新科学技术成就的同时,努力创新,淘汰和摒弃原来落后和不合理的设计思想。
3、公路桥梁安全性和耐久性较差的常见问题
桥梁耐久性是指桥梁在正常使用和维护条件下,随时间的延续仍能满足桥梁既定功能的能力。通俗的讲也就是桥梁的使用周期。桥梁的安全性是指在桥梁在正常施工和正常使用条件下,承受可能出现的各种作用的能力,以及在偶然事件发生时和发生后,仍保持必要的整体稳定性的能力。下面对桥梁常见问题进行分析
3.1已建常规桥梁设计标准低,造成安全隐患
我国在20世纪60~70年代修建的桥梁,限于当时的社会经济发展水平,其设计荷载标准较低,而且大部分城市和公路桥梁如今仍在服役,已不适应交通量日益增长的需要,面临着恢复和提高现有旧桥的承载能力及通行能力,延长桥梁的使用寿命,消除交通安全隐患。
我们知道桥梁安全性的评价实质就是其承载能力评定,它是桥梁可靠性评价的主要内容。通过调查发现,不少城市已建的常规桥梁结构(指一般结构)因设计、施工、材料、养护管理、交通荷载的变化以及所在环境的浸蚀、偶然事故等原因所引起桥梁整体或组成它的基本部件,在强度、变形、刚度等方面的损坏而影响桥梁结构在正常使用条件下的安全性和耐久性方面存在相当多的问题。
3.2车辆超载对桥梁结构的损害
近年来车辆严重超载对桥梁的安全度和耐久性带来很大的隐患。我国华北和华南地区的一些桥梁,由于经常过往超载的车辆(如运煤车,货柜车),造成桥梁结构严重受损,其使用寿命大大缩短,甚至出现危及人民群众生命财产安全的重大隐患。
3.3混凝土品质的变化造成桥梁使用寿命和耐久性降低
在过去的一个时期,人们关注混凝土的质量往往是以单一的强度指标作为标准,导致了我国水泥工业对水泥强度的片面追求。而水泥细度的增加,水泥熟料中早期强度的提高,促使水泥矿物成份含量增大。这些措施虽有利于提高混凝土的强度,但不利其耐久性。而混凝土养护不利,以及外部环境的恶化(酸雨等),都对混凝土造成严重腐蚀,造成桥梁使用寿命和耐久性的降低。
自20世纪80年代以来,工程建设领域以提高耐久性为目标,广泛采用高性能混凝土,已在世界各地引起人们的广泛重视。桥梁结构从下部结构到上部结构,从中小跨径到大跨径,高性能混凝土得到了广泛的应用,耐久性和结构强度均提高了一倍左右。研究成果表明,高性能混凝土通过增加活性掺料减少水泥用量,具有良好的耐久性、工作性、强度和体积的稳定性。
3.4北方桥梁除冰盐对桥梁耐久性产生不利影响
自20世纪70年代开始,我国北方地区为保证冬季雪后道路交通畅通,在立交桥梁上为融化冰雪大量采用除冰盐。通过调查发现,使用10~20年左右的桥梁,除冰盐对桥梁结构的钢筋产生严重的腐蚀,使用不到10年的桥梁,在氯离子影响范围,钢筋也处于锈蚀状态。由于我国北方冬季气候非常干燥,使用除冰盐后,盐水很容易进入结构混凝土中而达到饱和,当外界环境非常干燥时,混凝土中的水流方向发生逆转,纯水通过混凝土的毛细孔向外蒸发,混凝土内部的盐分浓度增加,又使其向混凝土内部扩散,并形成恶性循環。据调查,除冰盐引起的钢筋锈蚀是北方桥梁结构破坏的重要原因。按照欧洲国家对混凝中钢筋腐蚀速度的研究成果,钢筋开始锈蚀至破坏的时间约为总寿命的1/3。近年来在部分城市推广的新型除雪剂仍含有盐分,对桥梁耐久性亦造成不利的影响。 3.5桥梁结构防水不当影响结构的安全性和耐久性
从20世纪90年代初,人们对桥梁防水技术开始关注并进行专题研究不少桥梁不做防水或防水不利造成桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应等,引起混凝土胀裂等严重损坏问题,严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命,以及行车的舒适性和安全性。
3.6施工和管理水平低
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腐败所导致。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。
3.7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。许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要,而忽视从结构体系、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错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的結构整体性和延性不足,冗余性小;有的计算图式和受力路线不明确,造成局部受力过大;有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄;这些都削弱了结构耐久性,会严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强度要求,仅用了5~10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题,设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。
不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此,合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外,还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。
4、提高路桥安全性与耐久性的措施
4.1提高常规混凝土(<C40级)的品质
由于我国还是一个发展中国家,地域广阔,经济发展很不平衡,因此常规混凝土仍广泛应用。因此应依据使用条件对混凝土的各项性能指标及结构构造提出具体要求。如水灰比的控制要求、混凝土的抗冻性、抗渗性能要求、保护层厚度要求、裂缝控制要求、设计使用寿命期间受到的氯离子侵害的保护措施。并在施工期间,严格控制原材料质量和生产程序,从而减少混凝土性能上的变异,提高混凝土的品质――整体质量,以确保桥梁结构的安全度和提高耐久性。
4.2应加快我国高性能混凝土的研究和推广应用
高性能混凝土具有高工作性、高耐久性、高尺寸稳定性和高强度以及高抗氯离子渗透性能;为延长桥梁结构的使用寿命,应积极推广高性能混凝土和高强钢材,以达到提高混凝土强度并加快其硬化过程的目标,提高混凝土的耐久性。我国工程建设领域,特别是桥梁工程应将高性能混凝土的研究和推广应用作为确保桥梁结构安全和提高耐久性的重要对策措施。
4.3进一步完善桥梁结构耐久性的构造设计
在材料、环境等因素相同的条件下,不断完善桥梁结构的混凝土耐久性设计,将减少正常维修费用并延长结构使用寿命,譬如加大混凝土保护层的厚度,延缓钢筋钝化膜的破坏,延迟氯化物对钢筋的腐蚀。适当加大桥梁结构的结构尺寸,解决配筋密度过密时,造成混凝土浇筑困难,骨料分布不均匀,混凝土密实度下降等;并提高桥梁防撞能力,以确保防撞系统与主体结构的耐久性。
4.4加快桥梁结构防水规范的编制和应用
近年来桥梁建设者已取得共识,桥梁防水的设计和施工对其安全度和耐久性至关重要。因此急需编写有关标准和规范,对设计人员提出具体的技术要求,规范设计和防水施工的关键环节。应进一步改进我国桥梁防水结构设计,充分认识到桥梁结构自身防水功能是解决桥面漏水问题的症结所在,在构造设计上应充分考虑桥梁的耐久性要求,提高结构的防水性能和功能,从砼材料的选择和施工技术方面进行研究。要提高砼本身的密实程度,抑制和减少砼内部孔隙的产生,堵塞和杜绝渗水的通道,使外部水份无法渗入材料的内部。同时对砼外加剂也应进行系统的研究。目前不少桥梁施工采用旱强剂,产生大量水化热,增加砼干缩裂及徐变带来次应力影响等,对此应予以充分的重视,并采取相应的对策措施。积极研制和开发适合桥梁结构施工和工作环境专用的防水材料,开发出适应桥梁工作环境。应具有较高的强度和优良的防水性、延伸性、抗裂性,能适应车辆荷载、温度变化等作用下产生的变形功能;要具有良好的高温耐热、耐寒性能,能适应较大的温度变化;要具有良好的粘接性、抗剪切性和抗疲劳性,能使防水材料与桥梁主梁砼和桥面铺装间有可靠的联接;还应满足防水施工工艺简单、便于掌握、造价适中、运输和储存方便,并确保防水质量。
4.5加强对弯、坡、斜,异型桥梁及大跨径桥梁(斜张桥、悬索桥、刚构桥及拱式桥)安全度及耐久性的研究
应针对以往存在的问题,采取相应的对策措施,确保桥梁结构的安全性、稳定性和耐久性。要修订和完善桥梁相应的设计规范及施工规程;加强对城市弯、坡、斜桥和异型桥梁及大跨径桥梁安全度及耐久性的研究,以满足设计和施工符合耐久性的要求,确保桥梁结构的正常使用。 4.6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。
国内从上世纪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。
4.7重视对疲劳损伤的研究
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,亦有不少因疲勞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。
4.8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。
5、结束语
在桥梁设计的过程中要根据当地的地质条件选择相关的工艺,对桥梁的耐久性和安全性进行考虑,提高桥梁的使用寿命和运行安全。
参考文献:
[1]李宏毅.结构耐久性应用研究现状综述[J].重庆建筑大学学报,2011
[2]陈志亮.浅谈桥梁设计存在的问题及相关对策[J].科技资讯,2008