橋梁設計中的安全性和耐久性
國內現行規范對橋梁設計提出的要求是適用、經濟、安全、美觀，這些要求基本上包含了人們關心的所有重要問題。 具體的設計過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態來進行。前者是控制結構在喪失服務能力臨界狀態時的承載能力、設計的基本原則是要求荷載效應不利組合的設計值，必須小于或等于結構抗力的設計值。利用荷載安全系數、材料安全系數及工作條件系數來考慮不確定因素作用下的結構總體的安全儲備，是一個半概率的極限狀態設計法。可以認為是對安全性要求的保證。后者控制結構在正常使用狀態時應力、裂縫和變形小于一定的限值，對應于適用性的要求。 暫且不論這些控制方程和計算理論是否完全合理，它們至少從定性和定量的形式上保證了安全性和適用性兩項要求，而對于經濟、美觀的要求則沒有具體的指標進行衡量。當然，在方案設計和評審階段會考慮到經濟和美觀的要求(中小橋梁主要關注經濟性，而大型和特大型橋梁對美觀問題越來越重視)；但需要指出的是該階段對經濟性的評估往往是只注重考慮建設成本，而對于后期的養護、維修等的長期綜合成本缺乏考慮，因此這種評估經常是比較片面的。一個典型的例子是斜拉橋的換索問題。由于目前技術水平的限制，斜拉橋拉索的平均使用壽命在20年到30年之間，也就是在其服役期期間至少要進行一次換索，如果考慮到后期換索的巨大投入，那么在跨度1000米以下的橋型競爭中，懸索橋與斜拉橋在經濟性方面的差距將大大減小。 現在，國內的結構設計過程中，有這樣的傾向：設計中考慮強度多而考慮耐久性少；重視強度極限狀態而不重視使用極限狀態，而結構在整個生命周期中最重要的卻恰恰是使用時的性能表現；重視結構的建造而不重視結構的維護。實際上，目前的橋梁設計中，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進行專門的耐久性設計（從材料、結構措施及設計程序上上保證耐久性，并明確聲明在何種維護和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性）。這些傾向在一定程度上導致了當前工程事故頻發、結構使用性能差、使用壽命短的不良后果；也與國際結構工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢相違背；也不符合結構動態和綜合經濟性（考慮結構建設、使用、維護等整個周期的費用）的要求。 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注。一般的看法認為當前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導致。對于短期內發生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質量沒有達到規范和設計要求，典型的問題包括材料強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。 而大量的橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時，出現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嚴重的耐久性不足的問題，這也與施工質量低下有重要關系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現場的嚴重的構件開裂問題（主要原因包括：水泥選用、混凝土配合比、振搗、養護不當及預應力施加不合理等）。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產生明顯的影響，但卻會對結構的長期耐久性產生非常不利的危害。 2）設計理論和結構構造體系不夠完善 在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設計領域，特別是關于橋梁施工和使用期安全性的問題還有許多可以改進的地方。結構設計的首要任務是選擇經濟合理的結構方案，其次是結構分析與構件和連接的設計，并取用規范規定的安全系數或可靠性指標以保證結構的安全性。 許多設計人員往往只滿足于規范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性以及從設計、施工到使用全過程中經常出現的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性。有的結構整體性和延性不足，冗余性小；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄；這些都削弱了結構耐久性，會嚴重影響結構的安全性。不少橋梁、雖然滿足了設計規范的強度要求，僅用了5～10年就因為耐久性出了問題影響結構安全。結構耐久性不足已成為最現實的一個安全問題，設計時要從構造、材料等角度采取措施加強結構耐久性。 不同的環境和使用條件、不同的設計對象都會對結構體系提出不同的布局和構造等方面的要求。規范再詳細也不能包羅本應由設計人員解決的各種問題、規范更新得再快也適應不了新認識、新技術、新材料快速發展對結構提出的各種新的要求。因此，合理可靠的結構設計除了滿足規范的要求外，還要求設計人員具有對結構本性的正確認識、豐富的經驗和準確的判斷。 需要改進和努力的方向 1）應該更加重視結構的耐久性問題 橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環境、有害化學物質的侵蝕，并要承受車輛、風、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，從而導致結構各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領域，國內從上世紀80年代以來，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現倒塌或嚴重損害的例子很少，但已經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濟損失。 需要指出的是，很多這類問題與沒有進行合理的耐久性設計有關，這也促使人們重新認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，影響結構耐久性的決定性因素是來自構造上（也即設計上）的缺陷。 國內從上世紀90年代開始重視了對結構耐久性的研究，也取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統計分析的角度進行的，對如何從結構和設計的角度及如何以設計和施工人員易于接受和操作的方式來改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且，長期以來，人們一直偏重于結構計算方法的研究，卻忽視了對總體構造和細節處理方面的關注。結構的耐久性設計與常規的結構設計有著本質的區別，目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發展。 國外的橋梁設計有鑒于耐久性不足導致的嚴重損失，近年來十分重視提高結構物的耐久性并將其作為重要的設計原則，統一考慮合理的結構布局和構造細節，強調使結構易于檢查、維修，以保證橋梁的安全使用、盡可能地減少維修費用，取得了較好的綜合經濟效益。實際上，國內外的研究和實踐都表明，結構耐久性對于橋梁的安全運營和經濟性起著決定性作用。 2）重視對疲勞損傷的研究 橋梁結構所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結構內產生循環變化的應力，不但會引起結構的振動，還會引起結構的累積疲勞損傷。 由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續的，實際上存在許多微小的缺陷，在循環荷載作用下，這些微缺陷會逐漸發展、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、結構的脆性斷裂。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難性的。 疲勞損傷過去一直被認為是鋼橋設計中的核心問題，由鋼結構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入混凝土結構，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構件的動態性能和疲勞性能的研究還需加強。 對疲勞損傷的研究不僅僅指對整個結構而言，事實上橋梁結構常常由于某些關鍵部位的局部疲勞失效而導致整個結構的失效，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載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設計；另一種是車輛違規超載。前兩種產生的原因主要是設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疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現一些超載引發的結構破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態發生變化，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為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結構內部已經受到損傷，構件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結構產生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規范允許的裂縫或產生較大的變形。這些都會對結構長期的使用性能和耐久性產生不利的影響，因此除了交管部門要加強管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。 4）積極借鑒國外的經驗和成果 國內橋梁設計存在的主要問題是結構正常使用性能差（指與設計期望相比，可歸結為適用性能差，包括橋梁的過大振動、線形不平順、接頭跳車、結構開裂和過大的變形等）、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護費用高、安全事故較頻繁等）。這些問題的產生固然與目前國內施工質量和管理水平較低有關，但平心而論，既然這種現狀不能在短期內得到解決，那么作為工程設計人員就應該在正視這一問題的前提，充分考慮到現階段的施工和管理水平和材料工藝水平，采用適當的安全度、適當的設計方法來保證橋梁使用性能的達到，這才是更為主動和有效的方法。特別是橋梁存在的耐久性和安全性問題很多與結構體系或使用材料選擇不合理及結構細節處理不當有關。 在歐洲國家（如德國、丹麥等），非常重視對結構物進行性能設計（即PBD，PerformanceBasedDesign），內容包括結構的變形、裂縫、振動、強健性、美觀、耐久性能、疲勞性等。PBD研究主要是為了使結構在運營過程中除了保證最低的安全性要求外，尚應有良好的使用性能（包括壽命和耐久性、抗腐蝕、耐疲勞性、美觀等）。就其本質而言，歐洲國家的PBD理論，主要研究結構在使用過程中表現出來的服務性能，分析使性能受到弱化的原因和其發生的機理、規律，尋求新的結構設計理念和方法。 從歐洲人的觀點來看，PBD似乎是對以耐久性為核心的結構使用性能指標的綜合考慮。這一點對國內工程界應該是有啟示的。目前國內的設計可視為靜態的設計，它只定義了設計建成時刻結構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缺乏足夠的認識和考慮；換言之，從經濟性的角度講是只考慮了建造成本，而忽視了營運期的維護成本和與使用壽命相對應的成本效益。 橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，要積極借鑒國外成功的經驗和做法，除了加強施工質量管理外，要從橋梁設計理念和結構體系和構造的角度做好耐久性的設計。同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結構耐久性的影響。
國內現行規范對橋梁設計提出的要求是適用、經濟、安全、美觀，這些要求基本上包含了人們關心的所有重要問題。 具體的設計過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態來進行。前者是控制結構在喪失服務能力臨界狀態時的承載能力、設計的基本原則是要求荷載效應不利組合的設計值，必須小于或等于結構抗力的設計值。利用荷載安全系數、材料安全系數及工作條件系數來考慮不確定因素作用下的結構總體的安全儲備，是一個半概率的極限狀態設計法。可以認為是對安全性要求的保證。后者控制結構在正常使用狀態時應力、裂縫和變形小于一定的限值，對應于適用性的要求。 暫且不論這些控制方程和計算理論是否完全合理，它們至少從定性和定量的形式上保證了安全性和適用性兩項要求，而對于經濟、美觀的要求則沒有具體的指標進行衡量。當然，在方案設計和評審階段會考慮到經濟和美觀的要求(中小橋梁主要關注經濟性，而大型和特大型橋梁對美觀問題越來越重視)；但需要指出的是該階段對經濟性的評估往往是只注重考慮建設成本，而對于后期的養護、維修等的長期綜合成本缺乏考慮，因此這種評估經常是比較片面的。一個典型的例子是斜拉橋的換索問題。由于目前技術水平的限制，斜拉橋拉索的平均使用壽命在20年到30年之間，也就是在其服役期期間至少要進行一次換索，如果考慮到后期換索的巨大投入，那么在跨度1000米以下的橋型競爭中，懸索橋與斜拉橋在經濟性方面的差距將大大減小。 現在，國內的結構設計過程中，有這樣的傾向：設計中考慮強度多而考慮耐久性少；重視強度極限狀態而不重視使用極限狀態，而結構在整個生命周期中最重要的卻恰恰是使用時的性能表現；重視結構的建造而不重視結構的維護。實際上，目前的橋梁設計中，對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關注，既沒有明確提出使用年限的要求，也沒有進行專門的耐久性設計（從材料、結構措施及設計程序上上保證耐久性，并明確聲明在何種維護和使用條件下，橋梁具有哪種程度的耐久性）。這些傾向在一定程度上導致了當前工程事故頻發、結構使用性能差、使用壽命短的不良后果；也與國際結構工程界日益重視耐久性、安全性、適用性的趨勢相違背；也不符合結構動態和綜合經濟性（考慮結構建設、使用、維護等整個周期的費用）的要求。 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注。一般的看法認為當前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導致。對于短期內發生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質量沒有達到規范和設計要求，典型的問題包括材料強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。 而大量的橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時，出現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嚴重的耐久性不足的問題，這也與施工質量低下有重要關系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現場的嚴重的構件開裂問題（主要原因包括：水泥選用、混凝土配合比、振搗、養護不當及預應力施加不合理等）。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產生明顯的影響，但卻會對結構的長期耐久性產生非常不利的危害。 2）設計理論和結構構造體系不夠完善 在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設計領域，特別是關于橋梁施工和使用期安全性的問題還有許多可以改進的地方。結構設計的首要任務是選擇經濟合理的結構方案，其次是結構分析與構件和連接的設計，并取用規范規定的安全系數或可靠性指標以保證結構的安全性。 許多設計人員往往只滿足于規范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性以及從設計、施工到使用全過程中經常出現的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性。有的結構整體性和延性不足，冗余性小；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄；這些都削弱了結構耐久性，會嚴重影響結構的安全性。不少橋梁、雖然滿足了設計規范的強度要求，僅用了5～10年就因為耐久性出了問題影響結構安全。結構耐久性不足已成為最現實的一個安全問題，設計時要從構造、材料等角度采取措施加強結構耐久性。 不同的環境和使用條件、不同的設計對象都會對結構體系提出不同的布局和構造等方面的要求。規范再詳細也不能包羅本應由設計人員解決的各種問題、規范更新得再快也適應不了新認識、新技術、新材料快速發展對結構提出的各種新的要求。因此，合理可靠的結構設計除了滿足規范的要求外，還要求設計人員具有對結構本性的正確認識、豐富的經驗和準確的判斷。 需要改進和努力的方向 1）應該更加重視結構的耐久性問題 橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環境、有害化學物質的侵蝕，并要承受車輛、風、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，從而導致結構各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領域，國內從上世紀80年代以來，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現倒塌或嚴重損害的例子很少，但已經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濟損失。 需要指出的是，很多這類問題與沒有進行合理的耐久性設計有關，這也促使人們重新認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，影響結構耐久性的決定性因素是來自構造上（也即設計上）的缺陷。 國內從上世紀90年代開始重視了對結構耐久性的研究，也取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統計分析的角度進行的，對如何從結構和設計的角度及如何以設計和施工人員易于接受和操作的方式來改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且，長期以來，人們一直偏重于結構計算方法的研究，卻忽視了對總體構造和細節處理方面的關注。結構的耐久性設計與常規的結構設計有著本質的區別，目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發展。 國外的橋梁設計有鑒于耐久性不足導致的嚴重損失，近年來十分重視提高結構物的耐久性并將其作為重要的設計原則，統一考慮合理的結構布局和構造細節，強調使結構易于檢查、維修，以保證橋梁的安全使用、盡可能地減少維修費用，取得了較好的綜合經濟效益。實際上，國內外的研究和實踐都表明，結構耐久性對于橋梁的安全運營和經濟性起著決定性作用。 2）重視對疲勞損傷的研究 橋梁結構所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結構內產生循環變化的應力，不但會引起結構的振動，還會引起結構的累積疲勞損傷。 由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續的，實際上存在許多微小的缺陷，在循環荷載作用下，這些微缺陷會逐漸發展、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、結構的脆性斷裂。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難性的。 疲勞損傷過去一直被認為是鋼橋設計中的核心問題，由鋼結構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入混凝土結構，但對于使用期受腐蝕的鋼筋混凝土構件的動態性能和疲勞性能的研究還需加強。 對疲勞損傷的研究不僅僅指對整個結構而言，事實上橋梁結構常常由于某些關鍵部位的局部疲勞失效而導致整個結構的失效，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載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設計；另一種是車輛違規超載。前兩種產生的原因主要是設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疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現一些超載引發的結構破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態發生變化，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為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于混凝土結構內部已經受到損傷，構件的開裂彎距降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結構產生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規范允許的裂縫或產生較大的變形。這些都會對結構長期的使用性能和耐久性產生不利的影響，因此除了交管部門要加強管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。 4）積極借鑒國外的經驗和成果 國內橋梁設計存在的主要問題是結構正常使用性能差（指與設計期望相比，可歸結為適用性能差，包括橋梁的過大振動、線形不平順、接頭跳車、結構開裂和過大的變形等）、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護費用高、安全事故較頻繁等）。這些問題的產生固然與目前國內施工質量和管理水平較低有關，但平心而論，既然這種現狀不能在短期內得到解決，那么作為工程設計人員就應該在正視這一問題的前提，充分考慮到現階段的施工和管理水平和材料工藝水平，采用適當的安全度、適當的設計方法來保證橋梁使用性能的達到，這才是更為主動和有效的方法。特別是橋梁存在的耐久性和安全性問題很多與結構體系或使用材料選擇不合理及結構細節處理不當有關。 在歐洲國家（如德國、丹麥等），非常重視對結構物進行性能設計（即PBD，PerformanceBasedDesign），內容包括結構的變形、裂縫、振動、強健性、美觀、耐久性能、疲勞性等。PBD研究主要是為了使結構在運營過程中除了保證最低的安全性要求外，尚應有良好的使用性能（包括壽命和耐久性、抗腐蝕、耐疲勞性、美觀等）。就其本質而言，歐洲國家的PBD理論，主要研究結構在使用過程中表現出來的服務性能，分析使性能受到弱化的原因和其發生的機理、規律，尋求新的結構設計理念和方法。 從歐洲人的觀點來看，PBD似乎是對以耐久性為核心的結構使用性能指標的綜合考慮。這一點對國內工程界應該是有啟示的。目前國內的設計可視為靜態的設計，它只定義了設計建成時刻結構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缺乏足夠的認識和考慮；換言之，從經濟性的角度講是只考慮了建造成本，而忽視了營運期的維護成本和與使用壽命相對應的成本效益。 橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，要積極借鑒國外成功的經驗和做法，除了加強施工質量管理外，要從橋梁設計理念和結構體系和構造的角度做好耐久性的設計。同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結構耐久性的影響。
