桥梁的设计要面临哪些难题
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发布时间：2022-05-01 01:57
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时间：2022-06-22 03:47
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；特别是一些桥梁只是用了几年、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与施工现场的严重的构建开裂问题（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，但却对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。
二、设计理论和结构体系不够完善
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使用器件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，而忽略从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用过程中经常出现的认为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，宂余性小；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、构建截面过薄；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。规范的再详细也不能包罗本应由设计人员解决的问题、规范更新的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。需要改进和努力的为方向：
（一）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。在大垮桥梁领域，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（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，却忽视了对总体结构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。
国内的桥梁和设计有鉴于耐久性不足导致的严重损失，近年来十分重视提高结构的耐久性并将其作为重要的设计原则，统一考虑合理结构布局和构造细节，强调是结构易于检查、维修，以保证桥梁的安全使用、尽可能地减少维修费用，取得了较好的综合经济效益。实际上，国内外的研究和实践都表明，结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济起着决定性的作用。
（二）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，不但会引起结构的震动，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。如果宏观裂纹得不到有效控制，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，由钢结构疲劳损伤引起的钢材开裂案例较多，也有不少因疲劳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，但对于试用期受腐蚀的钢筋混凝土构件的动态性能的研究还需加强。
对于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，例如斜拉桥梁拉索锚固端的疲劳损害。
（三）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，但在汽车超载的作用下，可能发生开裂；裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土内部结构已经收到损伤，构件的开裂弯矩降低、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。
