淺談橋梁工程安全性與耐久性
2013-10-21
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理念的提出：隨著時(shí)代經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展，人類所建造的各種大型工程結(jié)構(gòu)物規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能眾多，國際上稱之為" 超級工程"（Superinfrastructure）。
這些工程的特點(diǎn)是：投資巨大，技術(shù)復(fù)雜，環(huán)境影響嚴(yán)重，襲擊破壞幾率增大（風(fēng)、浪、地震、海嘯、船撞、破壞等等）和維修、養(yǎng)護(hù)、 加固難度大。因而過去只限于設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量的單一層面上去尋求結(jié)構(gòu)的安全性就不夠了。
從上世紀(jì) 70 年代后，國內(nèi)外專家在分析研究、認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，除強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造時(shí)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(shù)， 對不同工程結(jié)構(gòu)物的災(zāi)害和可接受的危險(xiǎn)水平和評估進(jìn)行了深入研究，提出了耐久性設(shè)計(jì)的概念。結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)所要解決的問題也就是經(jīng)濟(jì)、合理的使用年限問題，即結(jié)構(gòu)壽命期結(jié)構(gòu)壽命期問題?；诮鉀Q夠耐久結(jié)構(gòu)壽命期性設(shè)計(jì)的新設(shè)計(jì)理念認(rèn)為橋梁耐久性的保證是需要橋梁設(shè)計(jì)、施工、 運(yùn)營和維護(hù)各個(gè)階段共同努力的結(jié)果。
新建一座結(jié)構(gòu)時(shí)，業(yè)主確定建筑用途提出耐久性要求，即結(jié)構(gòu)使用壽命期。 在設(shè)計(jì)和建造階段， 應(yīng)該特別注意到所有與耐久性有關(guān)的問題， 比如材料的選擇、施工的方便與否、使用和維護(hù)、功能過時(shí)、壽命期費(fèi)用等，就耐久性要求與業(yè)主充分協(xié)商，根據(jù)業(yè)主的要求確定建筑物 及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命，確定設(shè)計(jì)方案（荷載、結(jié)構(gòu)等） ，指定或選擇材料、構(gòu)件和組件和施工方案，設(shè)計(jì)和施工方法選取的依據(jù)基點(diǎn)不能離開投資成本的經(jīng)濟(jì)效益問題。 但同時(shí)考慮到一座大型結(jié)構(gòu)物要 服務(wù) 100 年，試想近代的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，這 100 年對結(jié)構(gòu)而言，內(nèi)、外因變化很大，特別是外因，試問結(jié)構(gòu)功能如何適應(yīng)變化而 改變或增強(qiáng)它的服務(wù)功能？ 推論： 如結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)壽命期為 100 年，預(yù)測百年的使用要求，定出各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這很難實(shí)現(xiàn)。然而，工程師能使結(jié)構(gòu)物適應(yīng)各種變化，采取各種措施使結(jié)構(gòu)獲得更強(qiáng)大的 "體能"為交通服務(wù)。
為解決這一問題，在設(shè)計(jì)和建造階段就要挑戰(zhàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，對設(shè)計(jì)工程師要求對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有六大特性，即可檢性（Exsaminability），可修性（Repairability），可換性（Replaceability），可強(qiáng)性 (Retrofittability)，可控性（Controllability ）及可持續(xù)性（Sustainability）。如果建成的結(jié)構(gòu)物不符合這些特征，那么結(jié)構(gòu)在內(nèi)，外因復(fù)合作用下，就會(huì)一天天衰退，破損、倒塌而"生命夭折"。
工程師必須清醒承認(rèn)整體結(jié)構(gòu)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(hù)套壽命不超過 20 年，鋼結(jié)構(gòu)的油漆保護(hù)最優(yōu)為20 年等等。只有對這些自身壽命期低于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命期的部件在構(gòu)造上保證可查、可修、可換、可加強(qiáng)，對結(jié)構(gòu)在外因劇變情況下，結(jié)構(gòu)的變形要在構(gòu)造上"可控"，才能夠在運(yùn)營階段對橋梁進(jìn)行維修、加固等措施，從而保證結(jié)構(gòu)的耐久性。如金門大橋在 90 年代加固時(shí)，在塔梁交接處增設(shè)了油泵阻尼 系統(tǒng)。設(shè)計(jì)施工階段的耐久性設(shè)計(jì)要兼顧橋梁的壽命期成本和結(jié)構(gòu)特 性要求，它是橋梁耐久性的基礎(chǔ)。在橋梁運(yùn)營、維護(hù)階段，對橋梁定期進(jìn)行檢測與評估，從而對橋梁進(jìn)行加固和維修，可進(jìn)一步保證橋梁 的耐久性。要充分認(rèn)識到結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)各個(gè)組成部件具有不同的耐久性極限，需要經(jīng)常維修，甚至更換或堅(jiān)固，才能保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的服務(wù)功能。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)安全與使用并非在建成后，在法定 的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)"一勞永逸"了，而還需要定期檢測（Inspection） 、評 價(jià) （Evaluation）、鑒定（Apprasal）、養(yǎng)護(hù)(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?yàn)槔赋?，大橋在它生命六十余年期間，適時(shí)檢測，不斷維修加固，最近作了超功能（這相對于它在誕生時(shí)的服務(wù)功能而言） 的全面加強(qiáng)。鑒此，作者受到啟示，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命的廣義含義，認(rèn) 為可理解為：*結(jié)構(gòu)生命早期是保障它原有的"活力"；*結(jié)構(gòu)生命中期 常保健而增強(qiáng)"活力"；*結(jié)構(gòu)生命后期常醫(yī)治可加強(qiáng)"活力"。"壽命期 投資效益評估"是指在設(shè)計(jì)和施工階段，采取什么樣的設(shè)計(jì)，施工方案和接受什么樣的風(fēng)險(xiǎn)水平能使結(jié)構(gòu)的壽命期成本最低。"運(yùn)營和維護(hù)階段的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)"是對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)決策如維修、加固、拆除的依據(jù)。經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)決策如維修、加固、拆除的依據(jù)。經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)可以認(rèn)為使結(jié)構(gòu)的殘余壽命內(nèi)的期望效益及期望損失的負(fù)值的和最小。
另外，應(yīng)該認(rèn)識到，工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性新設(shè)計(jì)理念的研究不能離開風(fēng)險(xiǎn)評估問題，它是新設(shè)計(jì)理念中的科學(xué)決策關(guān)鍵技術(shù)。如對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造階段壽命期成本的評估，在運(yùn)營階段對結(jié)構(gòu)安全性的評價(jià)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)等。
作者 范立礎(chǔ)
