關于橋梁結構耐久性設計的方法研究
廖利梅
摘要：本文主要分析了目前存在于我國橋梁結構耐久性研究中的問題。在比較了其他國家?guī)追N主要耐久性設計理論和方法的基礎上提出了一種新的耐久性設計思路和方法，即利用耐久度來衡量結構保持耐久性的能力，并通過計算耐久性指標來評判某一時刻結構耐久性能否滿足設計要求。這種方法強調了各種多因素共同作用、結構體系和構建荷載類別以及橋梁壽命周期經濟性對耐久性的影響，具有概念明確、形式簡單、便于應用等特點。
關鍵詞：橋梁結構；耐久性設計；方法研究；

隨著我國橋梁數(shù)量不斷增多，也暴露出了很多相關缺陷和不足之處，有些橋梁因為沒有達到設計初期預計的壽命而出現(xiàn)耐久性能退化的現(xiàn)象，嚴重的可能發(fā)生倒塌等一系列毀滅性事故，這無疑給社會帶來了巨大的經濟損失。所以，橋梁耐久性能的不足和缺陷已經被社會各界關注，提高耐久性將會是21世紀橋梁技術發(fā)展進步的重要因素之一。
一、 耐久性研究概述
耐久性研究大致分為兩個部分：一是從材料機理上研究結構的老化損傷過程及主要因素；二是從結構全局出發(fā)，以材料的耐久性研究為基礎，研究耐久性設計、評估、維修決策與優(yōu)化等一系列的應用問題。
材料的耐久性研究主要圍繞著在大氣環(huán)境中混凝土的炭化和鋼筋的銹蝕問題。在混凝土談話深度計算模型、凍融循環(huán)作用下混凝土宏觀損傷模型都取得了小小的研究成果。而在鋼筋銹蝕方面，主要將研究集中于銹蝕鋼筋的力學性能、鋼筋銹蝕量的預測和裂縫對鋼筋銹蝕的影響等方面。目前為止，混凝土結構耐久性研究的大多成果多是在材料方面取得的，具體分為兩方面：一是大量研究了建筑材料的耐久性退化機理；二是研究混凝土結構性能退化后的耐久抗力。
結構工程學主要研究解決結構設計中存在的耐久性計算問題。就目前看來，耐久性研究存在的問題有以下幾種：
1.通常在研究材料的耐久性時，只能取得在某一因素影響下的材料耐久性退化過程，但是運營過程中的實際結構是多種因素共同作用的，多個因素的作用一般不等于單因素效應的疊加，要只通過研究某些因素影響下某一種具體材料的退化機理來預測結構總體退化規(guī)律是非常困難的。大多實驗是在構件沒有受力的情況下進行的，這樣不能準確反映出橋梁在實際運營期間的具體工作情況，少數(shù)的研究表明機構受力狀態(tài)對于耐久抗力退化的影響是不容忽視的。
2.此類研究大多數(shù)都是從材料和統(tǒng)計分析的角度進行的，但是很少有人研究如何從結構和設計的角度去改善橋梁的耐久性。大量的實例證明除了施工和材料的因素外，構造和體系上的缺陷對機構耐久性的影響起著決定性的作用。
3.現(xiàn)有的混凝土耐久性研究結果與結構的設計和施工控制以及結構剩余壽命評估等明顯脫節(jié)，這就是說材料層面的研究成果不能和結構層面的研究很好地相結合，對實踐中需要急切解決的結構耐久性問題缺乏有效地指導。
4.現(xiàn)在多數(shù)研究主要針對房屋建筑結構而專門對橋梁結構的耐久性研究的相對較少，然而橋梁結構從運營環(huán)境、承受荷載及結構體系特性等方面都有其獨特之處，需要進行一系列專題研究。
二、結構耐久性設計的理論和方法
1.環(huán)境指數(shù)評定法
該評定法由日本土木工程師協(xié)會混凝土委員會于1989年首先提出的，層列入日本《混凝土結構物耐久性設計準則（試行）》中。對于混凝土結構物的耐久性探討，提出新的概念即
Tp≥Sp
表1對耐久性和安全性問題探討方法的比較
對耐久性的討論 對安全性的討論
環(huán)境指數(shù)的計算 截面(內)力的計算
耐久指數(shù)的計算 承載力的計算
耐久性的驗算方法 安全性的驗算方法
其中，環(huán)境指數(shù)Sp為
Sp= S0+∑ΔSp
式中:S0為標準環(huán)境條件下的環(huán)境指數(shù)值;ΔSp為鹽分和凍融的影響,為惡劣環(huán)境的環(huán)境指數(shù)增分值,ΔSp根據(jù)具體環(huán)境條件的不同進行選擇。耐久指數(shù)Tp是根據(jù)混凝土的質量、補強材料的質量、設計裂縫、構件的形狀、鋼筋詳圖、設計圖、混凝土工、鋼筋工、模板、支撐及其他因素計算所得的指數(shù)。一般計算公式為
Tp=50+∑Tp(I,J)
式中:Tp(I,J)為定量評價對結構耐久性構成主要影響的要點,有專門的細目表格可查。
與以往的結構設計方法相比,該方法明確地提出了結構耐久性設計的概念,并將設計條件寫成R≥S的形式,與現(xiàn)行規(guī)范的設計表達式相協(xié)調,而且較全面地考慮了影響耐久性的各個因素,特別是考慮了結構體系和構造的影響,直到今天這種思路仍值得借鑒。但該法在耐久性指數(shù)的選取上,人為性較大,不同設計者可能給出的結果差別很大。
2.基于隨機動態(tài)可靠度方法的耐久性設計
橋梁施工中的風險源一般分為自然風險和人為風險兩大類。自然風險中又分為地質災害和氣象災害兩種；人為風險有可分為三類：一是，橋梁主體本身的質量事故和質量缺陷。二是，為了完成主體工程采取必要的臨時工程時發(fā)生的事故導致的人員傷亡和財產損失。三是，橋梁施工過程中出現(xiàn)的其他相關事故。
基于隨機動態(tài)可靠度方法是直接計算不同時刻t的抗力效應R(t)與荷載效應S(t)的兩個隨機變量,用蒙特卡羅法(改進蒙特卡羅法等方法)求對應時刻功能函數(shù)Z(t)的可靠度,從而求出混凝土結構的動態(tài)可靠度變化。從理論上講,這種方法很適合混凝土結構的耐久性研究。從強度降低的計算、某一時刻抗力效應隨機變量計算、功能函數(shù)可靠度計算到最終回歸出動態(tài)可靠度函數(shù),每個步驟都可使用計算機來實現(xiàn)。失效概率的計算方法可以采用現(xiàn)行規(guī)范方法,混凝土結構耐久性失效的功能隨機過程為
Z(t) = R(t)-S(t) (4)
式中:R(t)為結構抗力隨機過程;S(t)為結構荷載隨機過程。該方法已經考慮了抗力和荷載的隨機變化特性,較環(huán)境指數(shù)評定法減少了人為因素的影響;但其中抗力衰減模型的研究及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺乏等很多具體問題都還有待進一步的研究。
三、 基于使用壽命的耐久性設計與常規(guī)設計方法的關系
耐久性設計的基本輸入恰恰是傳統(tǒng)結構設計的輸出，所以耐久性設計必須在傳統(tǒng)設計結果的基礎上進行，其設計的過程是為了滿足時間對橋梁結構的要求而對橋梁的初始性能進行調整，而橋梁初始性能的調整又是基于基本的機構幾何參數(shù)上。故耐久性設計雖然是針對動態(tài)時間段的設計，傳統(tǒng)的結構設計則是針對某個點的設計，但是兩者最終都要落腳在基本設計的參數(shù)上。由于部分影響耐久性的因素并不影響某個時間點橋梁的承載力，因此兩者的影響因素并非全然相同，即便是影響因素想通也存在著有利和不利的區(qū)別，及其影響程度的不同，兩者既有聯(lián)系也有區(qū)別。本文中討論的基于使用壽命的耐久性設計方法將使用壽命引入耐久性設計控制方程，它具有明確的耐久性度量的意義，也是民眾關心且易于接受的指標。隨著設計階段的不同，針對不同的耐久性極限狀態(tài)選擇不同的使用壽命分析系數(shù)來保證相應的設計壽命具有足夠和適宜的可靠性和保證率。

參考文獻：
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