2022年土木工程国内桥梁设计常见问题.docx

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1、国内桥梁设计常见问题导读：国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、平安、美 观，这些要求基本上包含了人们关怀的全部重要问题。详细的设计过 程按承载力量和正常使用两种极限状态来进行。前者是掌握结构在丢 失服务力量临界状态时的承载国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、平安、美 观，这些要求基本上包含了人们关怀的全部重要问题。详细的设计过程按承载力量和正常使用两种极限状态来进行。前者是掌握结构在丢失服务力量临界状态时的承载力量、设计的基 本原则是要求荷载效应不利组合的设计值，必需小于或等于结构抗力 的设计值。利用荷载平安系数、材料平安系数及工作条件系数来考虑 不确定因素作用下的结构总体

2、的平安储备，是一个半概率的极限状态 设计法。可以认为是对平安性要求的保证。后者掌握结构在正常使用 状态时应力、裂缝和变形小于肯定的限值，对应于适用性的要求。暂且不论这些掌握方程和计算理论是否完全合理，它们至少从定性 和定量的形式上保证了平安性和适用性两项要求，而对于经济、美观 的要求则没有详细的指标进行衡量。当然，在方案设计和评审阶段会考虑到经济和美观的要求（中小桥 梁主要关注经济性，而大型和特大型桥梁对美观问题越来越重视）； 但需要指出的是该阶段对经济性的评估往往是只注意考虑建设成本, 而对于后期的养护、修理等的长期综合成本缺乏考虑，因此这种评估常常是比较片面的。一个典型的例子是斜拉桥的换索

3、问题。由于目前技术水平的限制， 斜拉桥拉索的平均使用寿命在20年到30年之间，也就是在其服役期 期间至少要进行一次换索，假如考虑到后期换索的巨大投入，那么在 跨度1000米以下的桥型竞争中，悬索桥与斜拉桥在经济性方面的差 距将大大减小。现在，国内的结构设计过程中，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时的性 能表现；重视结构的建筑而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念 受到关注，既没有明确提出访用年限的要求，也没有进行特地的耐久 性设计（从材料、结构措施及设计程序上

4、上保证耐久性，并明确声明 在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性）。这些倾向在肯定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、 使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、平安 性、适用性的趋势相违反；也不符合结构动态和综合经济性（考虑结 构建设、使用、维护等整个周期的费用）的要求。桥梁平安性、耐久性差的主要缘由1）施工和管理水平低国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁平安性问题 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

5、 艺不合格等；也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严峻的管 理问题，更是对桥梁平安造成致命的损害。而大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，消失了影响正常使用 的病害与劣化；特殊是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就 消失严峻的耐久性不足的问题，这也与施工质量低下有重要关系，典 型的问题有钢筋爱护层不足及目前广泛存在于施工现场的严峻的构 件开裂问题（主要缘由包括：水泥选用、混凝土协作比、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特别 不利的危害。2）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

6、时，也不行否认，在桥梁设计领域，特殊 是关于桥梁施工和使用期平安性的问题还有很多可以改进的地方。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，并取用规范规定的平安系数或牢靠性指标以保证结 构的平安性。很多设计人员往往只满意于规范对结构强度计算上的平安度需要, 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常常消失的人为错误等方面去加强和 保证结构的平安性。有的结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、爱护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都减

7、弱 了结构耐久性，会严峻影响结构的平安性。不少桥梁、虽然满意了设 计规范的强度要求，仅用了 510年就由于耐久性出了问题影响结构 平安。结构耐久性不足已成为最现实的一个平安问题，设计时要从构 造、材料等角度实行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。规范再具体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熟悉、新技术、新材 料快速进展对结构提出的各种新的要求。因此，合理牢靠的结构设计 除了满意规范的要求外，还要求设计人员具有对结构本性的正确熟悉、 丰富的阅历和精确的推断。需要改进和努力的方向1）应当更加重视

8、结构的耐久性问题桥梁在建筑和使用过程中，肯定会受到环境、有害化学物质的侵蚀， 并要承受车辆、风、地震、疲惫、超载、人为因素等外来作用，同时 桥梁所采纳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年月以来， 修建了大量的斜拉桥；虽然迄今为止消失倒塌或严峻损害的例子很少, 但已经有多座桥梁由于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，许多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关，这也促使人们重新熟悉桥梁的耐久性问题。大量的病害实例也证明, 除了施工和材料方面的缘由，影响结构耐久性的打算性因素是来自构 造上

9、（也即设计上）的缺陷。国内从上世纪90年月开头重视了对结构耐久性的讨论，也取得了 不少成果。这些讨论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讨论。而且，长期以来，人们始终偏 重于结构计算方法的讨论，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分，目前需要 努力将耐久性的讨论从定性分析向定量分析进展。国外的桥梁设计有鉴于耐久性不足导致的严峻损失，近年来非常重 视提高结构物的耐久性并将其作为重要的设计原则，统一考虑合理的 结构布局和构造细节，强调使结构易于检查、修理

10、，以保证桥梁的平 安使用、尽可能地削减修理费用，取得了较好的综合经济效益。实际 上，国内外的讨论和实践都表明，结构耐久性对于桥梁的平安运营和 经济性起着打算性作用。2）重视对疲惫损伤的讨论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惫 损伤。由于桥梁所采纳的材料并非是匀称和连续的，实际上存在很多微小 的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会渐渐进展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。假如宏观裂纹不得到有效掌握，极有 可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲惫损伤往往不易被检测到， 但其带来的后果往往是灾难性的。疲惫损

11、伤过去始终被认为是钢桥设计中的核心问题，由钢结构疲惫 引起的钢材开裂案例较多，亦有不少因疲惫断裂引起桥梁垮塌的例子。 近20年来，疲惫损伤的讨论已进入混凝土结构，但对于使用期受腐 蚀的钢筋混凝土构件的动态性能和疲惫性能的讨论还需加强。对疲惫损伤的讨论不仅仅指对整个结构而言，事实上桥梁结构经常 由于某些关键部位的局部疲惫失效而导致整个结构的失效，例如斜拉 桥拉索锚固端的疲惫损害。3）充分重视桥梁的超载问题汽车超载主要有三种状况：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 种产生的缘由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

12、载营运，后两种超载现象在我国大路运输中较为普遍。桥梁的超载一方面可能引发疲惫问题。超载会使桥梁疲惫应力幅度 加大、损伤加剧，甚至会消失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平安性和耐久性。例如， 混凝土桥梁始终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，原来不该开裂的结构产生裂缝或原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

13、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讨论、分析。4）乐观借鉴国外的阅历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（指与设计期 望相比，可归结为适用性能差，包括桥梁的过大振动、线形不平顺、 接头跳车、结构开裂和过大的变形等）、耐久性和平安性差（包括使 用寿命短、维护费用高、平安事故较频繁等）。这些问题的产生当然 与目前国内施工质量和管理水平较低有关，但平心而论，既然这种现 状不能在短期内得到解决，那么作为工程设计人员就应当在正视这一 问题的前提，充分考虑到现阶段的施工和管理水平和材料工艺水平, 采纳适当的平安度、适当的设计方法来保证桥

14、梁使用性能的达到，这 才是更为主动和有效的方法。特殊是桥梁存在的耐久性和平安性问题 许多与结构体系或使用材料选择不合理及结构细节处理不当有关。在欧洲国家（如德国、丹麦等），特别重视对结构物进行性能设计 （即PBD, PerformanceBased Design）,内容包括结构的变形、裂 缝、振动、强健性、美观、耐久性能、疲惫性等。PBD讨论主要是为 了使结构在运营过程中除了保证最低的平安性要求外，尚应有良好的 使用性能（包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲惫性、美观等）。就其 本质而言，欧洲国家的PBD理论，主要讨论结构在使用过程中表现出 来的服务性能，分析使性能受到弱化的缘由和其发生的机理、规律

15、,寻求新的结构设计理念和方法。从欧洲人的观点来看，PBD好像是对以耐久性为核心的结构使用性 能指标的综合考虑。这一点对国内工程界应当是有启示的。目前国内 的设计可视为静态的设计，它只定义了设计建成时刻结构具有的工作 力量和性能，而对营运期间性能随时间的劣化及其实际的性能表现缺 乏足够的熟悉和考虑；换言之，从经济性的角度讲是只考虑了建筑成 本，而忽视了营运期的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益。桥梁平安性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题，要乐观借鉴 国外胜利的阅历和做法，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。同时需要讨论疲惫和 超载对于桥梁结构耐久性的影响。