農(nóng)村小型橋梁設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與建議措施

仲兵兵，徐 燕，陳宗橋

（淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)是公路交通運(yùn)輸?shù)拿}工程，確保其設(shè)計(jì)安全與運(yùn)營質(zhì)量具有重大意義。隨著我國近年來城鎮(zhèn)化建設(shè)的迅速發(fā)展，為了滿足農(nóng)村地區(qū)人們的出行問題，同時提高農(nóng)村區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，不同等級和類型的農(nóng)村公路在不斷建設(shè)并投入使用，這其中就有很多小跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)，主要是跨越淺灘、河流和山谷等障礙的橋梁。然而近年來由于多種因素導(dǎo)致運(yùn)營中倒塌破壞的橋梁越來越多，這些橋梁的垮塌和破壞不僅造成人員傷亡，還帶來了顯著的社會與經(jīng)濟(jì)影響，受到廣泛的關(guān)注。處于農(nóng)村環(huán)境的公路橋梁由于設(shè)計(jì)荷載等級低、通行車輛少，往往容易被忽視。

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)，很多農(nóng)村地區(qū)具有穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)輸出，貨物運(yùn)輸也在不斷增多，運(yùn)輸?shù)暮奢d等級也在逐年提高，這使得公路的荷載等級無形中也在不斷提高。隨之而來的是農(nóng)村公路橋梁出現(xiàn)了各種運(yùn)營病害，甚至有橋梁垮塌事故發(fā)生，這些病害問題不僅造成人員傷亡和惡劣的社會影響，還對農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形成障礙。此外，在農(nóng)村橋梁管理養(yǎng)護(hù)制度不健全的情況下，更是應(yīng)該根據(jù)已有農(nóng)村橋梁的運(yùn)營現(xiàn)狀總結(jié)設(shè)計(jì)問題，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，保障橋梁安全[1-2]。

農(nóng)村地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)主要以小跨徑橋梁為主，占比90%以上，這些小型橋梁結(jié)構(gòu)主要以梁橋和拱橋?yàn)橹?，?shù)量眾多且分布廣散。論文將總結(jié)這些農(nóng)村橋梁的運(yùn)營現(xiàn)狀，分析造成運(yùn)營病害的主要原因，并從設(shè)計(jì)角度提出改進(jìn)措施和方法，提高農(nóng)村橋梁的設(shè)計(jì)水平，保障其運(yùn)營安全與長期性能。

1 農(nóng)村小型橋梁的現(xiàn)狀

農(nóng)村小型橋梁的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)等級低、建設(shè)資金有限，一般采用就地取材的方法建設(shè)，主要以石材和混凝土為建造材料，在近十年則主要以混凝土材料為主。在長期的運(yùn)營使用下，再加上對農(nóng)村公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理不重視，多數(shù)橋梁都處于帶病工作狀態(tài)。根據(jù)研究調(diào)查，這些農(nóng)村橋梁的病害分布嚴(yán)重，以梁體開裂、鋼筋銹蝕、橋面系病害為主，對橋梁的運(yùn)營形成極大的安全隱患[3-4]。

（1）梁體開裂。農(nóng)村小型橋梁主要是鋼筋混凝土板梁、T梁和箱梁。這些橋梁在運(yùn)營使用中出現(xiàn)最多的病害就是梁體開裂，如圖1所示。

圖1 梁體開裂

梁體裂縫有受力性質(zhì)和非受力性質(zhì)兩種，受力性質(zhì)裂縫與橋梁構(gòu)件的受力特點(diǎn)直接相關(guān)，例如梁體靠支座附近應(yīng)受剪力作用產(chǎn)生的腹板斜裂縫、梁體跨中應(yīng)受到縱向彎矩作用產(chǎn)生的底板橫向裂縫、在預(yù)應(yīng)力板梁中因預(yù)應(yīng)力錨固在錨固橫隔板產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂縫等。非受力裂縫則與橋梁的受力沒有直接關(guān)系，主要受到環(huán)境作用及混凝土自身品質(zhì)影響，因此非受力裂縫多無規(guī)律、分散性分布。無論是受力還是非受力裂縫，都對橋梁的運(yùn)營使用性能造成影響，受力裂縫直接影響構(gòu)件的使用安全，非受力裂縫影響橋梁的使用壽命和耐久性。

（2）鋼筋銹蝕。由于農(nóng)村橋梁多采用鋼筋混凝土材料，在梁體開裂及養(yǎng)護(hù)不到位的影響下，鋼筋銹蝕也是運(yùn)營的主要病害問題。鋼筋銹蝕的機(jī)理在混凝土材料受到大氣環(huán)境中的水分和酸性物質(zhì)作用，使得混凝土吸收相關(guān)堿性水汽，提高了混凝土導(dǎo)電性質(zhì)，使得鋼筋周圍的氯離子濃度提高，在氯化作用下直接對鋼筋的鈍化膜產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而破壞，造成鋼筋表面的銹蝕，對橋梁安全造成隱患。如圖2所示是農(nóng)村公路橋梁的鋼筋銹蝕現(xiàn)狀。

圖2 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕直接影響鋼筋承載力，鋼筋銹蝕后的有效面積降低，會出現(xiàn)應(yīng)力集中和突變引發(fā)鋼筋受力不均勻。另外，鋼筋的銹蝕還會使整個構(gòu)件出現(xiàn)耐久性退化，其退化速度會顯著高于預(yù)期水平。

（3）橋面系病害。農(nóng)村公路橋梁最常見、最典型的病害類型是橋面系的各類病害，包括唧漿、面層凹凸、局部坑洼、沉陷等。雖然橋面系對橋梁整體結(jié)構(gòu)受力沒有明顯貢獻(xiàn)，但橋面系是橋梁與外部連接的紐帶，橋面系的破損使得橋梁主體構(gòu)件更容易受到環(huán)境作用而發(fā)生安全問題和耐久性退化問題。因此橋面系病害需要在短時間內(nèi)盡快修補(bǔ)，否則病害進(jìn)一步發(fā)展將會影響到橋梁主體結(jié)構(gòu)的受力安全性。此外，這些橋面病害還會影響行車的穩(wěn)定性和安全性，引發(fā)交通事故和車撞風(fēng)險。橋面病害中伸縮縫問題也是關(guān)鍵，伸縮縫病害主要有鋼板松動、雜物填充和兩側(cè)混凝土破損。由于農(nóng)村道路存在部分貨運(yùn)車輛有時超載非常嚴(yán)重的情況，這給荷載設(shè)計(jì)等級本來就不高的橋梁帶來了很大的安全隱患，其中最直接的作用就是輪載對伸縮縫局部的作用，直接造成伸縮縫兩側(cè)混凝土破損以及鋼板脫落；另外如果養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致伸縮縫被雜物填充，失去了伸縮性能，則在溫度作用或者汽車荷載作用下，伸縮縫的變形受到約束，同樣加速伸縮縫的結(jié)構(gòu)破壞。圖3是橋面系病害的現(xiàn)場調(diào)研。

圖3 橋面系病害

2 設(shè)計(jì)建議措施

對于現(xiàn)有農(nóng)村公路橋梁的各類運(yùn)營問題，首先應(yīng)該對現(xiàn)有病害橋梁及時修復(fù)，并進(jìn)行橋梁性能等級評定和加固，其次對于新橋設(shè)計(jì)應(yīng)該提高其設(shè)計(jì)等級，對于舊橋需要制定科學(xué)而高效的養(yǎng)護(hù)和管理措施。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評定

結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定是開展橋梁養(yǎng)護(hù)和加固的關(guān)鍵先決條件，而結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定可以采用日常檢測和荷載試驗(yàn)等手段進(jìn)行分析。日常檢測通過專業(yè)人員對結(jié)構(gòu)表面、服役狀態(tài)、病害程度的調(diào)研，給出橋梁實(shí)際狀態(tài)水平，從而確定其加固的優(yōu)先等級及加固措施；其次可以通過荷載試驗(yàn)等定量方法，對退化較快或者重要性較高的橋梁進(jìn)行專業(yè)的評級，明確其結(jié)構(gòu)狀態(tài)及所需要的加固及養(yǎng)護(hù)措施。

橋梁狀態(tài)的評定對于農(nóng)村小型橋梁而言非常關(guān)鍵，因?yàn)檗r(nóng)村橋梁的養(yǎng)護(hù)管理資金是有限的，因此需要明確哪些橋梁必須要進(jìn)行加固維修才能保證其安全性，就需要根據(jù)這些狀態(tài)評定結(jié)果確定養(yǎng)護(hù)管理資金落實(shí)到最需要的地方。

2.2 已有病害的修復(fù)與加固

出現(xiàn)了橋梁病害，進(jìn)行維修加固的首要步驟是需要進(jìn)行病害的修復(fù)。大部分橋梁的病害問題都可以通過修復(fù)手段將橋梁性能得到維持，例如進(jìn)行裂縫灌漿、鋼筋表面除銹、混凝土保護(hù)層后施工、支座雜物清除或更換、鋪裝層修補(bǔ)及伸縮縫清理等。病害修復(fù)首先要對舊混凝土表面鑿除清理，使漏出完整的舊混凝土，其次進(jìn)行平整清洗，最后施工修復(fù)材料，這樣才能使得氧化和損傷區(qū)域能夠與新修復(fù)材料完好黏結(jié)，達(dá)到變形與受力協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

對于農(nóng)村小型橋梁的加固，由于其結(jié)構(gòu)性能較為簡單，因此加固方法難度也不大，主要采用粘貼鋼板、增大截面、增加碳纖維等方式。粘貼鋼板通過在病害截面增加鋼板，將受力轉(zhuǎn)移到鋼板上從而釋放病害區(qū)域的應(yīng)力大小，使得應(yīng)力分布更加均勻，混凝土截面不至于開裂。增大截面法是在病害區(qū)域增加混凝土截面，使得截面受力區(qū)域變大，降低整體的應(yīng)力水平，從而降低了開裂的風(fēng)險。粘貼碳纖維的方法與粘貼鋼板加固具有相同的新效果，都是將受力顯著區(qū)域轉(zhuǎn)移到碳纖維布上，使得原有病害區(qū)域的應(yīng)力得到舒緩，減輕了結(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險。

2.3 新建橋梁的設(shè)計(jì)與施工保障

對于因路網(wǎng)要求新建的農(nóng)村公路橋梁，需要綜合考慮區(qū)域交通運(yùn)輸特點(diǎn)，并考慮未來較長一段時間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)與交通發(fā)展，設(shè)計(jì)能夠滿足長期使用安全和耐久性能的橋梁，并制定適宜的施工工藝，保證橋梁施工質(zhì)量。這其中，設(shè)計(jì)是對農(nóng)村公路橋梁的基本定位，設(shè)計(jì)質(zhì)量是確保農(nóng)村公路橋梁運(yùn)營性能和使用壽命的重要先決條件，需要從橋梁結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)荷載等級兩方面進(jìn)行確定。

（1）橋梁結(jié)構(gòu)選型方面。由于農(nóng)村橋梁分布零散，采用現(xiàn)場澆筑工藝顯然需要耗費(fèi)較大的人力、物力和財(cái)力，同時現(xiàn)場澆筑的施工質(zhì)量不能很好地保證。需要采用預(yù)制裝配式施工工藝，將大部分工作在預(yù)制廠進(jìn)行制造，這能夠最大程度保證橋梁的建設(shè)質(zhì)量?；诖耍梢詢?yōu)先選用大鉸縫空心板梁、預(yù)制裝配式T梁、預(yù)制裝配式小箱梁，具體型式選用根據(jù)這些橋型經(jīng)濟(jì)跨徑確定。根據(jù)跨徑需盡量采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋型，通過預(yù)應(yīng)力保證梁體不出現(xiàn)開裂，提高耐久性。

（2）設(shè)計(jì)荷載等級確定方面，農(nóng)村公路橋梁的設(shè)計(jì)等級也需要綜合具體位置確定，對于某些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域需要提高荷載設(shè)計(jì)等級以適應(yīng)貨物運(yùn)輸要求；對于常規(guī)區(qū)域可以采用普通等級進(jìn)行設(shè)計(jì)，但需要明確其通行重車的等級，設(shè)置相關(guān)警示牌。此外，設(shè)計(jì)荷載等級還需要綜合未來較長時間段內(nèi)交通組成和交通流量的變化。

2.4 橋梁運(yùn)營的養(yǎng)護(hù)與管理

由于資金缺乏，農(nóng)村公路橋梁運(yùn)營管理工作一直以來沒有受到足夠的重視，然而缺乏養(yǎng)護(hù)和管理工作只會使得橋梁病害發(fā)展更加惡劣，這使得后期橋梁拆除與重建等產(chǎn)生更加不良的經(jīng)濟(jì)投資，因此需要綜合考慮。首先農(nóng)村橋梁的養(yǎng)護(hù)需要制定一定的措施手段，包含日常養(yǎng)護(hù)和定期養(yǎng)護(hù)。其次，根據(jù)養(yǎng)護(hù)結(jié)果制定管理措施，例如沿線橋梁性能不足，不能繼續(xù)承載可能的貨車作用，則需要對貨車載運(yùn)噸位進(jìn)行限制。這種管理措施雖然對貨運(yùn)造成了影響，但是延長了整個農(nóng)村公路體系的使用壽命。

3 結(jié)語

農(nóng)村區(qū)域主要以小型橋梁為主，這些橋梁跨越淺灘、河流和山谷等障礙，也是農(nóng)村道路的節(jié)點(diǎn)工程，在城鎮(zhèn)化發(fā)展的社會背景下，具有重要的作用。通過分析農(nóng)村小型橋梁設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，對這些橋梁運(yùn)營狀況進(jìn)行分析，明確了設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)，并提出了相關(guān)措施，包括設(shè)計(jì)層面、養(yǎng)護(hù)層面和管理層面，通過相關(guān)總結(jié)分析，可為農(nóng)村橋梁的設(shè)計(jì)與管養(yǎng)提供借鑒。

[1]李果,楊博淵,時宗斌.農(nóng)村公路橋梁安全現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].公路,2014,59(4)：74-77.

[2]高康.農(nóng)村公路橋梁常見病害及防治措施[J].黑龍江交通科技,2013(9)：99.

[3]俞文虎,陳伯進(jìn).農(nóng)村公路橋梁病害分析及對策思考[J].江蘇水利,2014(2)：47-48.

[4]石堃.淺談農(nóng)村公路橋梁設(shè)計(jì)的問題與改進(jìn)[J].中國公路,2012(S1)：190-192.