芻議公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)化方法

文/李維

1 前言

在工程建設(shè)領(lǐng)域飛速發(fā)展的環(huán)境背景下，公路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的項(xiàng)目建設(shè)得到社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注，設(shè)計(jì)工作與關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用面臨著更高要求。對(duì)于道橋工程的施工作業(yè)來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料與科學(xué)的設(shè)計(jì)圖紙是最重要的技術(shù)支撐，因此在投入大量財(cái)力資源與人力資源的同時(shí)，應(yīng)提高對(duì)工程設(shè)計(jì)的重視，采取一套完整有效的優(yōu)化措施。

2 公路橋梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 耐久性問(wèn)題

在完成公路橋梁建設(shè)工程的所有施工內(nèi)容后，其普遍需要投入到長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，少則十幾年，多達(dá)幾十年，因此耐久性是道橋項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重點(diǎn)問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員需要對(duì)公路橋梁面臨的實(shí)際使用情況、外部環(huán)境內(nèi)存在的諸多因素進(jìn)行全方位地細(xì)致考量，并針對(duì)竣工后期與使用階段中的定期維修與養(yǎng)護(hù)工作規(guī)劃科學(xué)的作業(yè)方案，將設(shè)計(jì)方案逐步完善，最大程度上防止公路橋梁在投入使用后出現(xiàn)各類故障問(wèn)題，或引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，對(duì)建筑自身的使用壽命造成影響。

從現(xiàn)階段大部分道路工程項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)的實(shí)際情況來(lái)看，在耐久性方面的規(guī)劃與考慮均存在一些不足，導(dǎo)致橋梁在投入在正式的運(yùn)營(yíng)后，質(zhì)量問(wèn)題層出不窮，未能達(dá)到工程建設(shè)耐久性的標(biāo)準(zhǔn)要求。相比于方案設(shè)計(jì)中的使用年限，其實(shí)際使用期更短，兩者之間出入較大。除此以外，前期準(zhǔn)備階段實(shí)地勘察作業(yè)落實(shí)不到位也是影響橋梁設(shè)計(jì)工作科學(xué)性的主要因素，設(shè)計(jì)人員忽視了對(duì)項(xiàng)目施工場(chǎng)地自然因素的充分考量。例如，當(dāng)處于汛期階段時(shí)，河流內(nèi)的水流速度會(huì)大幅增加，帶來(lái)猛增的過(guò)水量，若沒(méi)能對(duì)此類問(wèn)題予以嚴(yán)肅衡量，一旦當(dāng)?shù)赜刑卮笱辞槌霈F(xiàn)，大規(guī)模的水流很可能會(huì)猛烈沖擊橋梁，導(dǎo)致道橋受損[1]。

2.2 橋梁超載問(wèn)題

通過(guò)觀察并分析當(dāng)前大部分公路橋梁的實(shí)際使用情況可以發(fā)現(xiàn)，超載問(wèn)題的存在較為普遍。在高峰期等特殊時(shí)段內(nèi)，橋梁上通行的車流量會(huì)迅速增加，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)公路承載性能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，變化的交通運(yùn)輸量增加了道橋的荷載負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，公路上還存在明顯的車輛違規(guī)超載問(wèn)題，即車輛的使用人員沒(méi)有按照車輛的核定運(yùn)載量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行違法的超載運(yùn)營(yíng)。超載問(wèn)題不僅會(huì)影響橋梁路面的使用效果，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程后很可能會(huì)改變其內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)，與建筑材料的質(zhì)量性狀，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)質(zhì)量事故等安全問(wèn)題。若公路橋梁主體結(jié)構(gòu)由于負(fù)荷超載的問(wèn)題遭到損傷，則無(wú)法自行恢復(fù)，這時(shí)以便處于正常的荷載壓力下，橋梁的實(shí)際使用狀態(tài)也會(huì)發(fā)生較大變化，久而久之導(dǎo)致自身的耐久性與安全性受到損害，整體使用壽命在超載問(wèn)題的影響下快速縮短[2]。

2.3 安全性問(wèn)題

對(duì)于公路橋梁建筑來(lái)說(shuō)，安全性是設(shè)計(jì)、施工與使用的重點(diǎn)要求。因此在工程建設(shè)的設(shè)計(jì)階段，必須在方案規(guī)劃與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中充分體現(xiàn)出安全性的要素，并從多方面豐富項(xiàng)目施工的安全元素。但由于現(xiàn)階段我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)水平較為有限，在安全設(shè)計(jì)方面仍然存在著較多疏漏之處，一定程度上影響了公路橋梁的使用安全。例如，在設(shè)計(jì)并規(guī)劃建筑的抗震結(jié)構(gòu)時(shí)，沒(méi)有嚴(yán)格參照所在地對(duì)橋梁抗震等級(jí)的具體要求標(biāo)準(zhǔn)，抗震設(shè)計(jì)不規(guī)范。當(dāng)?shù)罉蚪ǔ刹⑼度胝绞褂煤?，必然存在一定的安全隱患。除此以外，盡管部分設(shè)計(jì)單位對(duì)橋梁建筑的安全性進(jìn)行了充分考量，但依然僅限于將強(qiáng)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能放在核心位置，以滿足主體部分的強(qiáng)度要求，難以保證設(shè)計(jì)方案的整體性，這對(duì)于橋梁安全性設(shè)計(jì)的優(yōu)化具有不利影響。

2.4 美觀性問(wèn)題

在公路橋梁設(shè)計(jì)作業(yè)中，除了滿足適用性的設(shè)計(jì)要求，還應(yīng)提高對(duì)建筑外觀美觀性的重視，提高道橋工程建設(shè)的藝術(shù)層次。在選擇與比較各種不同的設(shè)計(jì)方案時(shí)，美觀性也是重點(diǎn)的決定性因素之一，要切實(shí)提升橋梁設(shè)計(jì)水平，應(yīng)將藝術(shù)性到實(shí)用性的過(guò)程充分展現(xiàn)出來(lái)。但當(dāng)前大部分公路橋梁設(shè)計(jì)普遍忽視了藝術(shù)性問(wèn)題，缺乏對(duì)美觀性的全方位考量，當(dāng)完成橋梁的建設(shè)作業(yè)后，給人感覺(jué)美感不足。放眼于其周邊環(huán)境與自然景觀，兩者風(fēng)格迥異，難以達(dá)到融為一體的視覺(jué)效果，達(dá)不到工程設(shè)計(jì)的藝術(shù)性標(biāo)準(zhǔn)。

3 優(yōu)化公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的有效策略

3.1 做好調(diào)查研究準(zhǔn)備工作

公路橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)涉及的施工內(nèi)容較多，作業(yè)步驟較為繁瑣。因此，要保證建造質(zhì)量，施工單位應(yīng)預(yù)先做好實(shí)地調(diào)查與研究分析等準(zhǔn)備工作，獲取相關(guān)的批準(zhǔn)指標(biāo)后，組織專業(yè)的勘察隊(duì)伍與相關(guān)的設(shè)計(jì)人員，深入到橋梁建設(shè)的施工場(chǎng)地，全面了解并掌握當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、地質(zhì)情況與人文環(huán)境等，第一時(shí)間收集并整理準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)信息與考察資料，在根據(jù)擬建公路橋梁的建設(shè)要求，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)工藝等施工條件，以滿足工程建設(shè)需求為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)科學(xué)可行的施工方案與規(guī)劃圖紙。尤其是在道路工程建設(shè)工期較短、路線較長(zhǎng)的情況下，應(yīng)提高對(duì)建筑耐久性的重視，積極采用現(xiàn)代化、實(shí)用性的設(shè)計(jì)手段，將橋梁設(shè)計(jì)方案不斷完善[3]。

3.2 完善耐久性設(shè)計(jì)

耐久性是公路橋梁設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要因素，設(shè)計(jì)人員應(yīng)站在實(shí)際使用的角度審視并判斷現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案存在的不足與問(wèn)題，重視耐久性方面的考量，深入研究橋梁建筑與結(jié)構(gòu)方面的安全指標(biāo)，例如在使用與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，道橋涵蓋的各項(xiàng)安全防護(hù)元素、需要滿足的安全指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)以及損耗或破壞建筑結(jié)構(gòu)的外部因素等。確保工程建設(shè)施工竣工后，各部分的安全性能符合相關(guān)的規(guī)定要求。除此以外，風(fēng)力、雨水等可能會(huì)長(zhǎng)期腐蝕公路橋梁，銹蝕其外部的鋼鐵類結(jié)構(gòu)等。因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)此類外部環(huán)境內(nèi)的影響因素予以特別注意，結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件等具體情況，分析并研究有效的防護(hù)措施，最大化削弱橋梁疲勞與損傷程度。車輛荷載與風(fēng)荷載是道橋建筑承受的主要荷載，兩者產(chǎn)生的應(yīng)力作用會(huì)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中循環(huán)變化，從而不但振動(dòng)橋梁主體，時(shí)間越長(zhǎng)，橋梁的損傷與疲勞程度越嚴(yán)重。設(shè)計(jì)人員應(yīng)從控制應(yīng)力的角度著手，避免損傷范圍的擴(kuò)大與累計(jì)，防止整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)宏觀性裂縫或斷裂坍塌等嚴(yán)重問(wèn)題，保障公路橋梁的正常使用，強(qiáng)化其耐久性。

3.3 提高對(duì)橋梁超載的重視

超載問(wèn)題的普遍存在對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)提出了更高要求，如何將路面結(jié)構(gòu)的承載能力大幅提升是設(shè)計(jì)人員面臨的主要課題。在車輛超載的長(zhǎng)期作用下，橋梁的路面部分與內(nèi)部材料必然受到一定程度的損傷，僅僅依靠后期的簡(jiǎn)單維護(hù)是難以達(dá)到良好的修復(fù)效果的，除此以外，建筑的整體質(zhì)量與使用效果也會(huì)顯著下降。因此在工程建設(shè)的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)將道橋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與整體規(guī)劃予以進(jìn)一步完善，切實(shí)提升道路路面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗彎拉性能。要有效避免路面在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂問(wèn)題，或存在拼接裂縫，設(shè)計(jì)人員需對(duì)混凝土工程的施工設(shè)計(jì)提高重視，合理選擇并確定相關(guān)的施工材料與混合料配比等，將裂縫產(chǎn)生的概率降到最低，保證公路橋梁工程整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性的大幅提升。

通行車輛與道路路面之間會(huì)存在共振現(xiàn)象，要削弱共振問(wèn)題對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不良影響，可將加設(shè)減震器等設(shè)施，干擾共振波，并阻止其波動(dòng)作用力的不斷增強(qiáng)，有效控制共振現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間，達(dá)到減輕共振效應(yīng)的目的。除此以外，還可以采用設(shè)置截面的方法，借助于相互連接的疊放板，作為道路路面的構(gòu)成主體，阻礙并延緩共振振動(dòng)波在橋梁內(nèi)部的擴(kuò)散與傳播，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路橋梁整體的有效保護(hù)。

3.4 選擇使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選擇是設(shè)計(jì)工作階段的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，其對(duì)于后續(xù)的工程施工作業(yè)與公路橋梁的正式使用具有直接影響。目前我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式主要分為兩種：一是標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋，二是大跨度橋梁。相比于標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋的工程施工，大跨度橋梁的一系列建設(shè)指標(biāo)較為不同，涉及的控制因素也存在較大差異，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選擇也具有一定的獨(dú)特性。標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的個(gè)性特征較弱，但與大跨徑橋之間也存在許多共性特征。在選擇公路橋梁的設(shè)計(jì)方案時(shí)，需全方位考量技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，若需要擬建標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋，則其需要使用的技術(shù)較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)，顯著的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)使得此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到廣泛應(yīng)用。而大跨徑橋梁工程建設(shè)環(huán)節(jié)更為復(fù)雜，涉及的技術(shù)工藝使用難度高，因此這類設(shè)計(jì)方案應(yīng)用較少。設(shè)計(jì)人員需要以工程建設(shè)施工的實(shí)際情況為出發(fā)點(diǎn)，選擇最實(shí)用、最優(yōu)質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)方案，為公路橋梁的建造質(zhì)量提供基本保障。

3.5 豐富抗震設(shè)計(jì)

抗震設(shè)計(jì)是道橋工程設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展抗震設(shè)防相關(guān)的規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需嚴(yán)格依照公路工程抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參照項(xiàng)目所在地的抗震等級(jí)要求，從而明確橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足的抗震分級(jí)。要進(jìn)一步提升橋梁整體的抗震性能，應(yīng)系統(tǒng)研究主體結(jié)構(gòu)的不同形式，對(duì)每種構(gòu)造形式的承載能力與受力特點(diǎn)予以詳細(xì)分析與綜合總結(jié)，計(jì)算發(fā)生地震時(shí)橋梁承受的實(shí)際荷載與應(yīng)力作用大小，確保其在滿足抗震要求的基礎(chǔ)上具有更好的安全性，防止地震破壞公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其出現(xiàn)落梁現(xiàn)象，或是損壞橋墩與支座部分，使得支座脫落。橋梁下部結(jié)構(gòu)也是強(qiáng)化抗震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，避免過(guò)大的作用力折斷墩臺(tái)，或致使其出現(xiàn)傾斜、倒塌等現(xiàn)象，從而引發(fā)橋基基礎(chǔ)發(fā)生傾斜與沉降。

3.6 提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)美觀性

設(shè)計(jì)人員應(yīng)在公路橋梁工程的設(shè)計(jì)中加強(qiáng)注重豐富結(jié)構(gòu)美感，充分融合設(shè)計(jì)要點(diǎn)與現(xiàn)代藝術(shù)，站在藝術(shù)創(chuàng)作的角度完成整個(gè)橋梁的設(shè)計(jì)工作，從而借助于外部線條與結(jié)構(gòu)構(gòu)造將建筑作品的美觀性完全體現(xiàn)出來(lái)。在滿足實(shí)用性要求的基礎(chǔ)上，讓橋梁設(shè)計(jì)沾染藝術(shù)氣息，達(dá)到兼具美觀性與科學(xué)性的完美效果。與此同時(shí)，道橋工程設(shè)計(jì)應(yīng)與項(xiàng)目建設(shè)所在地的自然環(huán)境、文化內(nèi)涵形成深度契合，促使橋梁的人文特色與文化價(jià)值進(jìn)一步提升，提高設(shè)計(jì)層次與設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)是公路橋梁工程建設(shè)的起始點(diǎn)，也是后續(xù)施工作業(yè)的首要依據(jù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)立足于整體，全方面考量耐久性、安全性與適用性等設(shè)計(jì)因素。針對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取適宜的優(yōu)化措施，結(jié)合橋梁建設(shè)的具體要求與作業(yè)條件，進(jìn)一步提升方案規(guī)劃與圖紙的設(shè)計(jì)水平。