尤建男

（華杰工程咨詢有限公司，北京 100029）

0 引言

橋梁是連接兩岸的重要設(shè)施，不僅在日常生活中起著重要作用，也在國民經(jīng)濟發(fā)展中扮演著重要角色。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁設(shè)計不斷更新與改進，為更好地優(yōu)化橋梁設(shè)計方案，需要有效應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，對橋梁的安全性和耐久性進行分析，進而提高安全評估的準確性，優(yōu)化施工方案，保證橋梁的使用安全性。

1 橋梁受力分析

橋梁在使用過程中會受到多種外力的作用，如車輛荷載、自重荷載、風(fēng)荷載等。為了保證橋梁的安全性和耐久性，必須進行橋梁受力分析，確定橋梁受力情況，以便進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全評估。

靜力分析和動力分析是評估橋梁安全性的重要方法。

在靜力分析中，通過建立橋梁的幾何模型和受力方程組，計算橋梁的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，確定橋梁的受力情況。靜力分析適用于計算橋梁在靜止或低速行駛情況下的荷載響應(yīng)，如自重荷載、靜止荷載等。靜力分析的結(jié)果可以確定橋梁各個部位的應(yīng)力和變形情況，以及是否存在局部的應(yīng)力集中和疲勞破壞等問題。

動力分析則是通過考慮橋梁的動態(tài)特性，如振動、共振等，計算橋梁的振動響應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況，用以評估橋梁的安全性。動力分析適用于計算橋梁在高速行駛、風(fēng)荷載、地震等動態(tài)荷載下的荷載響應(yīng)。動力分析的結(jié)果可以確定橋梁在振動時的應(yīng)力和變形情況，以及是否存在共振等問題。

在實際工程中，通常需要綜合運用靜力分析和動力分析進行橋梁的受力分析，以便更全面地評估橋梁的安全性。此外，還需要根據(jù)實際情況，考慮一些特殊因素對橋梁的影響，如溫度變化、環(huán)境濕度、腐蝕等。對于這些特殊因素，可以采用專門的分析方法進行評估，如熱-力-濕耦合分析、腐蝕疲勞壽命分析等。需要指出的是，靜力分析和動力分析的結(jié)果僅僅是評估橋梁安全性的一部分。橋梁的安全性和耐久性還受到許多其他因素的影響，如結(jié)構(gòu)拓撲、材料選型、節(jié)點連接方式、施工質(zhì)量、養(yǎng)護管理等。因此，在橋梁設(shè)計和施工中，需要考慮到各個方面的因素，才能夠真正確保橋梁的安全性和耐久性。

2 結(jié)構(gòu)安全評估

橋梁結(jié)構(gòu)安全評估是指通過對橋梁結(jié)構(gòu)的分析和檢測，確定橋梁的安全性和可靠性。結(jié)構(gòu)安全評估是橋梁設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，也是保障橋梁安全的重要手段。

2.1 結(jié)構(gòu)疲勞分析

結(jié)構(gòu)疲勞分析法是結(jié)構(gòu)安全評估的一項關(guān)鍵技術(shù)。疲勞是指結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，出現(xiàn)微小的應(yīng)力集中和應(yīng)力循環(huán)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷和破壞。結(jié)構(gòu)疲勞問題往往是長時間的荷載循環(huán)作用所引起的。因此，結(jié)構(gòu)疲勞分析在橋梁工程中十分重要。

疲勞分析法主要包括基于應(yīng)力范圍和應(yīng)變范圍的分析方法，以及基于損傷累積的分析方法。其中，基于應(yīng)力范圍和應(yīng)變范圍的分析方法主要用于預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，通過對結(jié)構(gòu)的載荷歷史進行分析，計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力范圍和應(yīng)變范圍，以確定結(jié)構(gòu)的疲勞強度和疲勞壽命。

基于損傷累積的分析方法則綜合性更強，需要考慮結(jié)構(gòu)的載荷歷史、材料的疲勞性能和結(jié)構(gòu)損傷積累等因素，用以計算結(jié)構(gòu)的損傷程度和疲勞壽命。因此，采用此方法進行結(jié)構(gòu)疲勞分析時，需要確定結(jié)構(gòu)的荷載歷史、結(jié)構(gòu)材料的疲勞性能、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)等重要參數(shù)。為了更準確地預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，需要對這些參數(shù)進行精細化的測量和分析，以便確定更為精準的結(jié)構(gòu)疲勞性能參數(shù)。在實際工程中，結(jié)構(gòu)疲勞分析常常需要與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相結(jié)合，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和性能，以便及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷和問題，并采取相應(yīng)的維修措施。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震分析

結(jié)構(gòu)抗震分析是指在地震作用下，對橋梁結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估的一種分析方法。在地震的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)受到水平向地震力和豎向重力的作用，同時受到地震波的沖擊，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌、破壞等嚴重后果。

在結(jié)構(gòu)抗震分析中，需要進行地震動力學(xué)計算，即計算結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應(yīng)。地震波是指由地震引起的地表振動波，其具有復(fù)雜的波形和頻譜特征。在抗震分析中，需要選擇合適的地震波記錄，并對其進行處理，從而得到適合結(jié)構(gòu)抗震分析的地震波輸入條件。確定地震波輸入條件后，需要進行結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析。常用的數(shù)值分析方法包括有限元法、邊界元法、有限差分法等，這些方法可以將結(jié)構(gòu)劃分成若干個有限的單元或網(wǎng)格，建立結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過求解結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程，可以得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等響應(yīng)情況。

通過結(jié)構(gòu)抗震分析，可以評估結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性能，并針對不足之處進行改進和優(yōu)化。因此，結(jié)構(gòu)抗震分析是現(xiàn)代建筑和橋梁工程設(shè)計中必不可少的一環(huán)，對保障結(jié)構(gòu)的安全運行、人民的生命財產(chǎn)安全有重要意義。

2.3 非破壞檢測技術(shù)

非破壞檢測技術(shù)（Non-destructive Testing，NDT）是一種在不破壞被檢測物體物理性能和使用功能的前提下，利用特定的檢測原理和手段對各類材料、構(gòu)件和裝備等進行檢測、識別、評價和監(jiān)控的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的破壞性檢測方法，非破壞檢測技術(shù)具有不破壞、不污染、高效、準確等優(yōu)點。

在橋梁工程中，非破壞檢測技術(shù)能夠為橋梁的安全評估和維護提供有效的技術(shù)支持。常用的非破壞檢測技術(shù)包括超聲波檢測、渦流檢測、紅外熱像檢測等。其中，超聲波檢測是利用超聲波在材料中傳播的物理特性進行檢測的方法，常用于檢測橋梁構(gòu)件內(nèi)部的裂縫、腐蝕、松動等缺陷。渦流檢測是利用渦流在電導(dǎo)率不同的材料中感應(yīng)出電場變化的方法，常用于檢測橋梁構(gòu)件表面的裂縫、腐蝕等缺陷。紅外熱像檢測是利用紅外線攝像儀檢測材料表面溫度變化的方法，常用于檢測橋梁構(gòu)件表面的滲漏和隱蔽的熱點。

非破壞檢測技術(shù)在橋梁安全性和耐久性分析中起著重要的作用，可以幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的缺陷和問題，并采取相應(yīng)的維修措施，保證橋梁的安全和使用壽命。

3 耐久性分析

在橋梁設(shè)計中，耐久性分析是至關(guān)重要的一環(huán)。通過耐久性分析，可以確定橋梁在使用壽命內(nèi)是否能夠保持穩(wěn)定性、安全性。具體來說，耐久性分析需要考慮以下幾個方面：

第一，材料的選擇和使用。橋梁所使用的材料需要具有良好的耐久性和抗腐蝕性能，能夠承受氣候、水文、重載等各種環(huán)境因素的影響。

第二，結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工。橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工需要考慮各種因素，如荷載、溫度、濕度等，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度和變形控制等性能符合要求。

第三，使用環(huán)境。橋梁所處的環(huán)境條件也會影響其耐久性，如氣候、溫度、濕度、鹽霧、酸雨等因素。

總之，耐久性分析是橋梁設(shè)計中不可或缺的一部分，能夠幫助工程師充分考慮各種因素，從而設(shè)計出穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟的橋梁結(jié)構(gòu)，為民眾的出行和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供有力保障。

4 結(jié)構(gòu)材料選擇和防腐蝕措施

橋梁結(jié)構(gòu)材料的合理選擇和防腐蝕措施的有效應(yīng)用，能夠提高橋梁的耐久性。因此，在橋梁設(shè)計和維護過程中，需要選擇合適的材料和防腐蝕措施，以確保橋梁長期安全、可靠地使用。

4.1 結(jié)構(gòu)材料選擇

橋梁的結(jié)構(gòu)材料是影響橋梁安全性和耐久性的重要因素之一。除了常用的鋼材和混凝土外，近年來還出現(xiàn)了一些新型材料被應(yīng)用于橋梁工程中。其中，玻璃鋼是一種具有優(yōu)異性能的新型材料，具有輕質(zhì)、高強、防腐、耐腐蝕、易加工成型等特點。在橋梁設(shè)計中，玻璃鋼可以應(yīng)用于橋梁面板、防護欄桿等部位，可以有效降低橋梁自重，提高橋梁的承載能力和抗風(fēng)荷載能力。

纖維增強復(fù)合材料也是近年來應(yīng)用較廣泛的新型材料，具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、耐疲勞等特點，可以應(yīng)用于橋梁的桁架、梁體等部位，能夠大幅度降低橋梁自重，提高橋梁的承載能力和抗風(fēng)荷載能力。同時，纖維增強復(fù)合材料具有較好的抗震性能，有利于提高橋梁的耐震性能。

在材料的選擇方面，需要考慮橋梁的使用環(huán)境、受力情況和技術(shù)要求等。例如，在強度和剛度要求較高的橋梁部位，可以選擇鋼材和混凝土等傳統(tǒng)材料；在輕型化和維護便利性要求較高的橋梁部位，可以選擇玻璃鋼和纖維增強復(fù)合材料等新型材料。同時，在材料選擇過程中還需要考慮材料的成本和環(huán)境保護等因素。

4.2 防腐蝕措施

橋梁是長期暴露在自然環(huán)境中的建筑物，會受到氧化、腐蝕等自然因素的影響。因此，防腐是保障橋梁耐久性的重要措施之一。橋梁防腐蝕措施包括表面涂層、防腐涂料、防腐蝕合金等。

表面涂層是比較常見的一種防腐蝕措施。除了常見的環(huán)氧涂層、聚氨酯涂層、丙烯酸涂層，還有一些新型的涂層技術(shù)正在逐漸應(yīng)用于橋梁防腐蝕領(lǐng)域。例如，納米涂層技術(shù)是近年來快速發(fā)展的涂層技術(shù)之一。納米涂層具有良好的抗腐蝕性能、耐磨性能、耐高溫性能等特點。納米涂層的主要成分為納米粒子，它們的尺寸通常在1～100nm 之間。納米涂層的納米粒子可以填充結(jié)構(gòu)材料表面的毛細孔和微縫隙，從而防止腐蝕介質(zhì)進入結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部，可大大提高結(jié)構(gòu)材料的耐腐蝕性能。

電化學(xué)沉積技術(shù)也是一種新型的表面涂層技術(shù)。這種技術(shù)主要是利用電化學(xué)反應(yīng)原理，能夠在金屬表面形成一層均勻、致密、具有良好耐腐蝕性能的涂層。電化學(xué)沉積涂層與結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)性質(zhì)相似，可以與結(jié)構(gòu)材料形成緊密的結(jié)合，不易剝落和脫落，能有效保證橋梁的安全性與耐久性。

防腐涂料也是一種常用的防腐蝕措施。防腐涂料是一種涂抹在橋梁表面的材料，可以有效地防止氧化、腐蝕和化學(xué)侵蝕等。與表面涂層相比，防腐涂料有著更好的黏附性能和更長的壽命。防腐涂料的種類繁多，根據(jù)其防護機理可分為阻隔型、陰極保護型、化學(xué)反應(yīng)型、吸附型、封孔型等幾種。其中，阻隔型防腐涂料是最常用的一種，它可以在涂層表面形成物理屏障，防止外界物質(zhì)的滲透和侵蝕。陰極保護型防腐涂料則利用金屬電化學(xué)反應(yīng)的原理，在涂層和金屬表面之間形成一種保護層，從而實現(xiàn)防腐蝕的目的。

選擇防腐涂料時，需要根據(jù)橋梁所處的環(huán)境、材料類型和使用壽命等因素進行綜合考慮。一般來說，耐久性好、黏附性強、抗化學(xué)腐蝕性能好的防腐涂料更適合用于橋梁結(jié)構(gòu)防護。此外，在涂裝過程中還需要注意涂層的厚度、涂裝質(zhì)量和涂裝工藝等問題，以保證防腐涂料的防護效果。這些涂層均具有良好的防腐蝕性能，可以有效地延長橋梁的使用壽命。

防腐蝕合金是一種先進的防腐蝕材料，通常由多種金屬和非金屬元素組成。這種合金不僅具有良好的防腐蝕性能，而且在強度、硬度、耐磨性、耐熱性等方面也有突出的表現(xiàn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括橋梁建設(shè)。防腐蝕合金的防腐蝕性能主要表現(xiàn)在兩個方面：

第一，防腐蝕合金可以形成一層致密的氧化物膜，有效地阻止外部氧氣、水分等腐蝕介質(zhì)的侵蝕。

第二，防腐蝕合金可以通過溶解氧的電化學(xué)反應(yīng)，維持自身的保護膜，且能在受損處快速形成新的保護膜，使防腐蝕效果更為持久和穩(wěn)定。除防腐蝕性能外，防腐蝕合金還具有很好的強度、硬度、耐磨性和耐熱性。這些性能使得防腐蝕合金成為一種理想的橋梁材料，尤其適用于惡劣環(huán)境下的橋梁建設(shè)。例如，在海上和高海拔地區(qū)，橋梁往往會面臨海水侵蝕、海洋鹽霧、氧化性大氣環(huán)境等挑戰(zhàn)，而防腐蝕合金則可以有效地解決這些問題。然而，防腐蝕合金的成本相對較高，生產(chǎn)工藝也較為復(fù)雜，因此其應(yīng)用還受到一定的限制。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，防腐蝕合金的成本會逐步降低，在未來將會有更廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)語

在橋梁設(shè)計和施工中，安全性和耐久性分析是確保橋梁安全和耐久的重要手段。橋梁的安全性和耐久性是由多個因素決定的，如橋梁的使用環(huán)境、荷載類型和強度、結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)造等。因此，在進行安全性和耐久性分析時，需要充分考慮這些因素。充分考慮橋梁的使用環(huán)境和受力情況，采用科學(xué)的分析方法和技術(shù)手段，有助于設(shè)計出安全性和耐久性更高的橋梁作品。