淺談橋梁工程安全性與耐久性
2013-10-21
結構設計新理念的提出：隨著時代經濟的高度發(fā)展，人類所建造的各種大型工程結構物規(guī)模巨大、結構復雜，功能眾多，國際上稱之為" 超級工程"（Superinfrastructure）。
這些工程的特點是：投資巨大，技術復雜，環(huán)境影響嚴重，襲擊破壞幾率增大（風、浪、地震、海嘯、船撞、破壞等等）和維修、養(yǎng)護、 加固難度大。因而過去只限于設計、施工質量的單一層面上去尋求結構的安全性就不夠了。
從上世紀 70 年代后，國內外專家在分析研究、認真總結經驗教訓的基礎上，除強調結構設計和建造時期的安全性、耐久性、整體牢固性的要求外， 逐步討論了解雇在使用期間的檢測、 維修、 加固的新技術， 對不同工程結構物的災害和可接受的危險水平和評估進行了深入研究，提出了耐久性設計的概念。結構耐久性設計所要解決的問題也就是經濟、合理的使用年限問題，即結構壽命期結構壽命期問題?；诮鉀Q夠耐久結構壽命期性設計的新設計理念認為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設計、施工、 運營和維護各個階段共同努力的結果。
新建一座結構時，業(yè)主確定建筑用途提出耐久性要求，即結構使用壽命期。 在設計和建造階段， 應該特別注意到所有與耐久性有關的問題， 比如材料的選擇、施工的方便與否、使用和維護、功能過時、壽命期費用等，就耐久性要求與業(yè)主充分協商，根據業(yè)主的要求確定建筑物 及其構件的設計使用壽命，確定設計方案（荷載、結構等） ，指定或選擇材料、構件和組件和施工方案，設計和施工方法選取的依據基點不能離開投資成本的經濟效益問題。 但同時考慮到一座大型結構物要 服務 100 年，試想近代的科學、經濟的高速發(fā)展，這 100 年對結構而言，內、外因變化很大，特別是外因，試問結構功能如何適應變化而 改變或增強它的服務功能？ 推論： 如結構物的設計壽命期為 100 年，預測百年的使用要求，定出各個標準進行設計，這很難實現。然而，工程師能使結構物適應各種變化，采取各種措施使結構獲得更強大的 "體能"為交通服務。
為解決這一問題，在設計和建造階段就要挑戰(zhàn)傳統設計理念，對設計工程師要求對機構設計時應使結構具有六大特性，即可檢性（Exsaminability），可修性（Repairability），可換性（Replaceability），可強性 (Retrofittability)，可控性（Controllability ）及可持續(xù)性（Sustainability）。如果建成的結構物不符合這些特征，那么結構在內，外因復合作用下，就會一天天衰退，破損、倒塌而"生命夭折"。
工程師必須清醒承認整體結構的壽命和各部件的壽命是不等的，如橡膠支座壽命不超過20 年，拉索的壽命僅10~40 年，拉索的護套壽命不超過 20 年，鋼結構的油漆保護最優(yōu)為20 年等等。只有對這些自身壽命期低于結構設計壽命期的部件在構造上保證可查、可修、可換、可加強，對結構在外因劇變情況下，結構的變形要在構造上"可控"，才能夠在運營階段對橋梁進行維修、加固等措施，從而保證結構的耐久性。如金門大橋在 90 年代加固時，在塔梁交接處增設了油泵阻尼 系統。設計施工階段的耐久性設計要兼顧橋梁的壽命期成本和結構特 性要求，它是橋梁耐久性的基礎。在橋梁運營、維護階段，對橋梁定期進行檢測與評估，從而對橋梁進行加固和維修，可進一步保證橋梁 的耐久性。要充分認識到結構在設計壽命期內各個組成部件具有不同的耐久性極限，需要經常維修，甚至更換或堅固，才能保證結構在設計壽命期內的服務功能。因為結構安全與使用并非在建成后，在法定 的設計壽命期內"一勞永逸"了，而還需要定期檢測（Inspection） 、評 價 （Evaluation）、鑒定（Apprasal）、養(yǎng)護(maintenance)、 修理（Repaires） 、更換（Replaces）、加固（Retrofitting）等等管理才能獲得保證。作者 以金門大橋為例，指出，大橋在它生命六十余年期間，適時檢測，不斷維修加固，最近作了超功能（這相對于它在誕生時的服務功能而言） 的全面加強。鑒此，作者受到啟示，對結構設計壽命的廣義含義，認 為可理解為：*結構生命早期是保障它原有的"活力"；*結構生命中期 常保健而增強"活力"；*結構生命后期常醫(yī)治可加強"活力"。"壽命期 投資效益評估"是指在設計和施工階段，采取什么樣的設計，施工方案和接受什么樣的風險水平能使結構的壽命期成本最低。"運營和維護階段的經濟風險評價"是對現有結構進行相應決策如維修、加固、拆除的依據。經濟風險評價是對現有結構進行相應決策如維修、加固、拆除的依據。經濟風險評價可以認為使結構的殘余壽命內的期望效益及期望損失的負值的和最小。
另外，應該認識到，工程結構安全性與耐久性新設計理念的研究不能離開風險評估問題，它是新設計理念中的科學決策關鍵技術。如對結構設計和建造階段壽命期成本的評估，在運營階段對結構安全性的評價和經濟風險的評價等。
作者 范立礎
