关于桥梁结构耐久性设计的方法研究

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摘要：本文主要分析了目前存在于我国桥梁结构耐久性研究中的问题。在比较了其他国家几种主要耐久性设计理论和方法的基础上提出了一种新的耐久性设计思路和方法，即利用耐久度来衡量结构保持耐久性的能力，并通过计算耐久性指标来评判某一时刻结构耐久性能否满足设计要求。这种方法强调了各种多因素共同作用、结构体系和构建荷载类别以及桥梁寿命周期经济性对耐久性的影响，具有概念明确、形式简单、便于应用等特点。

关键词：桥梁结构；耐久性设计；方法研究；

随着我国桥梁数量不断增多，也暴露出了很多相关缺陷和不足之处，有些桥梁因为没有达到设计初期预计的寿命而出现耐久性能退化的现象，严重的可能发生倒塌等一系列毁灭性事故，这无疑给社会带来了巨大的经济损失。所以，桥梁耐久性能的不足和缺陷已经被社会各界关注，提高耐久性将会是21世纪桥梁技术发展进步的重要因素之一。

一、 耐久性研究概述

耐久性研究大致分为两个部分：一是从材料机理上研究结构的老化损伤过程及主要因素；二是从结构全局出发，以材料的耐久性研究为基础，研究耐久性设计、评估、维修决策与优化等一系列的应用问题。

材料的耐久性研究主要围绕着在大气环境中混凝土的炭化和钢筋的锈蚀问题。在混凝土谈话深度计算模型、冻融循环作用下混凝土宏观损伤模型都取得了小小的研究成果。而在钢筋锈蚀方面，主要将研究集中于锈蚀钢筋的力学性能、钢筋锈蚀量的预测和裂缝对钢筋锈蚀的影响等方面。目前为止，混凝土结构耐久性研究的大多成果多是在材料方面取得的，具体分为两方面：一是大量研究了建筑材料的耐久性退化机理；二是研究混凝土结构性能退化后的耐久抗力。

结构工程学主要研究解决结构设计中存在的耐久性计算问题。就目前看来，耐久性研究存在的问题有以下几种：

1.通常在研究材料的耐久性时，只能取得在某一因素影响下的材料耐久性退化过程，但是运营过程中的实际结构是多种因素共同作用的，多个因素的作用一般不等于单因素效应的叠加，要只通过研究某些因素影响下某一种具体材料的退化机理来预测结构总体退化规律是非常困难的。大多实验是在构件没有受力的情况下进行的，这样不能准确反映出桥梁在实际运营期间的具体工作情况，少数的研究表明机构受力状态对于耐久抗力退化的影响是不容忽视的。

2.此类研究大多数都是从材料和统计分析的角度进行的，但是很少有人研究如何从结构和设计的角度去改善桥梁的耐久性。大量的实例证明除了施工和材料的因素外，构造和体系上的缺陷对机构耐久性的影响起着决定性的作用。

3.现有的混凝土耐久性研究结果与结构的设计和施工控制以及结构剩余寿命评估等明显脱节，这就是说材料层面的研究成果不能和结构层面的研究很好地相结合，对实践中需要急切解决的结构耐久性问题缺乏有效地指导。

4.现在多数研究主要针对房屋建筑结构而专门对桥梁结构的耐久性研究的相对较少，然而桥梁结构从运营环境、承受荷载及结构体系特性等方面都有其独特之处，需要进行一系列专题研究。

二、结构耐久性设计的理论和方法

1.环境指数评定法

该评定法由日本土木工程师协会混凝土委员会于1989年首先提出的，层列入日本《混凝土结构物耐久性设计准则（试行）》中。对于混凝土结构物的耐久性探讨，提出新的概念即

Tp≥Sp

表1对耐久性和安全性问题探讨方法的比较

对耐久性的讨论 对安全性的讨论

环境指数的计算 截面(内)力的计算

耐久指数的计算 承载力的计算

耐久性的验算方法 安全性的验算方法

其中，环境指数Sp为

Sp= S0+∑ΔSp

式中:S0为标准环境条件下的环境指数值;ΔSp为盐分和冻融的影响,为恶劣环境的环境指数增分值,ΔSp根据具体环境条件的不同进行选择。耐久指数Tp是根据混凝土的质量、补强材料的质量、设计裂缝、构件的形状、钢筋详图、设计图、混凝土工、钢筋工、模板、支撑及其他因素计算所得的指数。一般计算公式为

Tp=50+∑Tp(I,J)

式中:Tp(I,J)为定量评价对结构耐久性构成主要影响的要点,有专门的细目表格可查。

与以往的结构设计方法相比,该方法明确地提出了结构耐久性设计的概念,并将设计条件写成R≥S的形式,与现行规范的设计表达式相协调,而且较全面地考虑了影响耐久性的各个因素,特别是考虑了结构体系和构造的影响,直到今天这种思路仍值得借鉴。但该法在耐久性指数的选取上,人为性较大,不同设计者可能给出的结果差别很大。

2.基于随机动态可靠度方法的耐久性设计

桥梁施工中的风险源一般分为自然风险和人为风险两大类。自然风险中又分为地质灾害和气象灾害两种；人为风险有可分为三类：一是，桥梁主体本身的质量事故和质量缺陷。二是，为了完成主体工程采取必要的临时工程时发生的事故导致的人员伤亡和财产损失。三是，桥梁施工过程中出现的其他相关事故。

基于随机动态可靠度方法是直接计算不同时刻t的抗力效应R(t)与荷载效应S(t)的两个随机变量,用蒙特卡罗法(改进蒙特卡罗法等方法)求对应时刻功能函数Z(t)的可靠度,从而求出混凝土结构的动态可靠度变化。从理论上讲,这种方法很适合混凝土结构的耐久性研究。从强度降低的计算、某一时刻抗力效应随机变量计算、功能函数可靠度计算到最终回归出动态可靠度函数,每个步骤都可使用计算机来实现。失效概率的计算方法可以采用现行规范方法,混凝土结构耐久性失效的功能随机过程为

Z(t) = R(t)-S(t) (4)

式中:R(t)为结构抗力随机过程;S(t)为结构荷载随机过程。该方法已经考虑了抗力和荷载的随机变化特性,较环境指数评定法减少了人为因素的影响;但其中抗力衰减模型的研究及统计数据的缺乏等很多具体问题都还有待进一步的研究。

三、 基于使用寿命的耐久性设计与常规设计方法的关系

耐久性设计的基本输入恰恰是传统结构设计的输出，所以耐久性设计必须在传统设计结果的基础上进行，其设计的过程是为了满足时间对桥梁结构的要求而对桥梁的初始性能进行调整，而桥梁初始性能的调整又是基于基本的机构几何参数上。故耐久性设计虽然是针对动态时间段的设计，传统的结构设计则是针对某个点的设计，但是两者最终都要落脚在基本设计的参数上。由于部分影响耐久性的因素并不影响某个时间点桥梁的承载力，因此两者的影响因素并非全然相同，即便是影响因素想通也存在着有利和不利的区别，及其影响程度的不同，两者既有联系也有区别。本文中讨论的基于使用寿命的耐久性设计方法将使用寿命引入耐久性设计控制方程，它具有明确的耐久性度量的意义，也是民众关心且易于接受的指标。随着设计阶段的不同，针对不同的耐久性极限状态选择不同的使用寿命分析系数来保证相应的设计寿命具有足够和适宜的可靠性和保证率。