桥梁工程范立础年龄 范立础院士谈桥梁工程安全性与耐久性

结构设计新理念的提出:随着时代经济的高度发展,人类所建造的各种大型工程结构物规模巨大、结构复杂,功能众多,国际上称之为"超级工程"(Superinfrastructure)。

这些工程的特点是:投资巨大,技术复杂,环境影响严重,袭击破坏几率增大(风、浪、地震、海啸、船撞、破坏等等)和维修、养护、加固难度大。因而过去只限于设计、施工质量的单一层面上去寻求结构的安全性就不够了。

从上世纪70年代后,国内外专家在分析研究、认真总结经验教训的基础上,除强调结构设计和建造时期的安全性、耐久性、整体牢固性的要求外,逐步讨论了解雇在使用期间的检测、维修、加固的新技术,对不同工程结构物的灾害和可接受的危险水平和评估进行了深入研究,提出了耐久性设计的概念。

结构耐久性设计所要解决的问题也就是经济、合理的使用年限问题,即结构寿命期问题。基于解决够耐久性设计的新设计理念认为桥梁耐久性的保证是需要桥梁设计、施工、运营和维护各个阶段共同努力的结果。

新建一座结构时,业主确定建筑用途提出耐久性要求,即结构使用寿命期。在设计和建造阶段,应该特别注意到所有与耐久性有关的问题,比如材料的选择、施工的方便与否、使用和维护、功能过时、寿命期费用等,就耐久性要求与业主充分协商,根据业主的要求确定建筑物及其构件的设计使用寿命,确定设计方案(荷载、结构等),指定或选择材料、构件和组件和施工方案,设计和施工方法选取的依据基点不能离开投资成本的经济效益问题。

但同时考虑到一座大型结构物要

服务100年,试想近代的科学、经济的高速发展,这100年对结构而言,内、外因变化很大,特别是外因,试问结构功能如何适应变化而改变或增强它的服务功能?!推论:如结构物的设计寿命期为100年,预测百年的使用要求,定出各个标准进行设计,这很难实现。然而,工程师能使结构物适应各种变化,采取各种措施使结构获得更强大的"体能"为交通服务。

为解决这一问题,在设计和建造阶段就要挑战传统设计理念,对设计工程师要求对机构设计时应使结构具有六大特性,即可检性(Exsaminability),可修性(Repairability),可换性(Replaceability),可强性(Retrofittability),可控性(Controllability)及可持续性(Sustainability)。

如果建成的结构物不符合这些特征,那么结构在内,外因复合作用下,就会一天天衰退,破损、倒塌而"生命夭折"。

工程师必须清醒承认整体结构的寿命和各部件的寿命是不等的,如橡胶支座寿命不超过20年,拉索的寿命仅10~40年,拉索的护套寿命不超过20年,钢结构的油漆保护最优为20年等等。

只有对这些自身寿命期低于结构设计寿命期的部件在构造上保证可查、可修、可换、可加强,对结构在外因剧变情况下,结构的变形要在构造上"可控",才能够在运营阶段对桥梁进行维修、加固等措施,从而保证结构的耐久性。

如金门大桥在90年代加固时,在塔梁交接处增设了油泵阻尼系统。设计施工阶段的耐久性设计要兼顾桥梁的寿命期成本和结构特性要求,它是桥梁耐久性的基础。在桥梁运营、维护阶段,对桥梁定期进行检测与评估,从而对桥梁进行加固和维修,可进一步保证桥梁

的耐久性。要充分认识到结构在设计寿命期内各个组成部件具有不同的耐久性极限,需要经常维修,甚至更换或坚固,才能保证结构在设计寿命期内的服务功能。因为结构安全与使用并非在建成后,在法定的设计寿命期内"一劳永逸"了,而还需要定期检测(Inspection)、评价(Evaluation)、鉴定(Apprasal)、养护(maintenance)、修理(Repaires)、更换(Replaces)、加固(Retrofitting)等等管理才能获得保证。

作者以金门大桥为例,指出,大桥在它生命六十余年期间,适时检测,不断维修加固,最近作了超功能(这相对于它在诞生时的服务功能而言)的全面加强。鉴此,作者受到启示,对结构设计寿命的广义含义,认为可理解为:*结构生命早期是保障它原有的"活力";*结构生命中期常保健而增强"活力";*结构生命后期常医治可加强"活力"。

"寿命期投资效益评估"是指在设计和施工阶段,采取什么样的设计,施工方案和接受什么样的风险水平能使结构的寿命期成本最低。

"运营和维护阶段的经济风险评价"是对现有结构进行相应决策如维修、加固、拆除的依据。经济风险评价是对现有结构进行相应决策如维修、加固、拆除的依据。经济风险评价可以认为使结构的残余寿命内的期望效益及期望损失的负值的和最小。

另外,应该认识到,工程结构安全性与耐久性新设计理念的研究不能离开风险评估问题,它是新设计理念中的科学决策关键技术。如对结构设计和建造阶段寿命期成本的评估,在运营阶段对结构安全性的评价和经济风险的评价等