中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計問題探析

文/丁強、彭侃

1 前言

在中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，對橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性要求非常高。在具體設(shè)計時，相關(guān)人員需要按照橋梁工程的選址情況設(shè)計出技術(shù)先進、合理的方案，以保證后期情況建設(shè)的質(zhì)量與經(jīng)濟性達到預期要求。

2 總體設(shè)計原則

在目前的大型或者特大的橋梁項目中，橋位應(yīng)該達到運營的路線要求，并且將其作為主要控制點進行綜合考慮分析。從專業(yè)性出發(fā)，制定切實可行實施方案，同時進行優(yōu)化與整改處理。

跨徑尺寸確定時，需要保證高跨比達到協(xié)調(diào)性的要求，符合美觀性、經(jīng)濟性的標準，實現(xiàn)工程和環(huán)境的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。

結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該達到統(tǒng)一性的要求，并且盡量采取工廠化、標準化、裝配化的特點要求，盡量降低工程造價，縮短項目周期，提升經(jīng)濟效益。

根據(jù)地勢與地質(zhì)條件的標準，選擇合適的橋跨位置，避免因為跨徑設(shè)置不合理而導致墩臺要進行大量開挖施工，進而有效預防嚴重地質(zhì)災害影響的出現(xiàn)[1]。

盡量避免設(shè)置斜橋，特別是角度超過45°的斜橋，另外可以選擇使用錯孔、增大跨徑等方法進行。但是在河流與橋梁斜交的情況下，為了防止發(fā)生阻水，外面需要通過斜橋斜做的方法。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計問題現(xiàn)狀

3.1 結(jié)構(gòu)的耐久性問題

我國的橋梁設(shè)計人員總結(jié)經(jīng)驗教訓，考慮到工程的實際情況，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計得以優(yōu)化。但是有些研究會更加注重材料與統(tǒng)計方面的分析，并沒有在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮到耐久性方面的效果。在工程的實踐中，因為環(huán)境因素干擾影響，耐久性成為橋梁設(shè)計中重要的考慮到因素；同時，其也是需要達到性能的核心要素，但在具體施工時往往因為施工操作不當容易導致耐久性不達標。

比如，受力計算分析就有著嚴重的缺陷，特別是一些特殊位置的受力分析計算，其效果很差，并不能達到橋梁的使用需要。導致該問題的原因就是設(shè)計人員經(jīng)驗不足，僅僅從理論角度出發(fā)進行設(shè)計，沒有綜合分析工程的具體情況，進而造成設(shè)計圖紙有明顯的不足，橋梁工程的質(zhì)量、耐久性等方面無法滿足標準要求[2]。

3.2 橋承載能力設(shè)計方面的問題

鋼筋混凝土與預應(yīng)力混凝土橋梁的承載性能設(shè)計尤為重要，根據(jù)當前我國的公路橋梁設(shè)計標準要求，相關(guān)人員需要考慮到極限條件以及正常工作狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)是即將發(fā)生損壞的狀態(tài)，以計算鋼筋砼的理論參數(shù)為基礎(chǔ)進行，構(gòu)件不被損壞的最大承受能力，這是極為重要的橋梁性能技術(shù)參數(shù)。

橋梁結(jié)構(gòu)在達到正常極限運行的條件下，一般在計算中會選擇使用彈性理論或者碳素理論進行。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算階段，要從裂縫、變形方面的數(shù)據(jù)分析出發(fā)進行，保證結(jié)構(gòu)或者應(yīng)力不會超出使用的極限，且正常運行不被損壞，因此相關(guān)人員要從耐久性、工作狀態(tài)方面出發(fā)進行施工。

通常情況下在橋梁設(shè)計中，設(shè)計人員會更加關(guān)注承載力極限狀態(tài)的設(shè)計，結(jié)構(gòu)抗力并未從實際情況考核控制，也沒有重點關(guān)注極限狀態(tài)指標參數(shù)。在結(jié)構(gòu)使用的周期范圍內(nèi)，最為關(guān)鍵的是考慮使用的性能，這是提高結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵所在[3]。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能

橋梁工程項目處于地震區(qū)，如果發(fā)生地震災害，會給橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的損壞影響，且橋梁設(shè)計中已經(jīng)詳細分析了動載荷所產(chǎn)生的作用，所以在達到動載荷標準下，橋梁還應(yīng)該滿足抗震性的要求，并實現(xiàn)兩者的統(tǒng)一。

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性是重要的指標，其要求也非常高，因此施工必須要滿足橋梁的質(zhì)量標準，且各個細節(jié)部分都不能存在安全隱患。比如在施工工藝改進的過程中，應(yīng)該保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部材料組合能夠成為整體結(jié)構(gòu)；橋梁支座錨固處理，墩臺與基礎(chǔ)部分的連接強度性能夠合格；根據(jù)需要增加配筋的數(shù)量，提升結(jié)構(gòu)延性；如果橋梁結(jié)構(gòu)處于基礎(chǔ)性能較差的土層條件中，可以根據(jù)需要做好替換處理或者加強土體結(jié)構(gòu)強度；對于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能不足的情況，應(yīng)該進行必要的結(jié)構(gòu)整改處理。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要將抗震性作為重要的指標，不能僅滿足動載荷的要求，還要保證地震發(fā)生后不會產(chǎn)生嚴重損壞。

4 中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的解決對策

對于中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與承載力以及抗震性是非常關(guān)鍵的設(shè)計指標內(nèi)容，以下是本文對這方面的設(shè)計措施進行的分析。

4.1 橋梁耐久性設(shè)計要點

在混凝土結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計過程中需要嚴格執(zhí)行耐久性設(shè)計標準，全面考慮混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，并結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)體系、防護方法確定設(shè)計方案，以此最終符合使用壽命的要求，滿足橋梁的運行實際需要[4]。

充分了解鋼筋混凝土應(yīng)用中使用壽命的影響因素，主要從溫度、應(yīng)力、裂縫方面出發(fā)，準確判斷其使用壽命的長度，然后了解耐久性參數(shù)，確定符合使用要求的應(yīng)對措施。適當增大混凝土保護層厚度尺寸，保證鋼筋混凝土的壽命滿足要求，是最為直接且經(jīng)濟效果最好的方式。但是保護層厚度也不能毫無限制的增加，在比較厚的情況下，因為混凝土材料有脆性、收縮性，極易導致保護層發(fā)生裂縫損壞，另外還會使其失去保護效果。

根據(jù)研究結(jié)論分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，存在裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部件，發(fā)生主筋腐蝕的速度為沒有裂縫部件的3 倍左右，而箍筋腐蝕速度會達到主筋結(jié)構(gòu)的5 倍左右，因此，相關(guān)人員需要嚴格控制裂縫的問題，選擇合適的防滲結(jié)構(gòu)形式，進而使得滲水能夠及時排除，保證橋梁的耐久性滿足要求。

4.2 橋承載能力設(shè)計方面的問題

在橋梁的設(shè)計荷載確定過程中，最為重要的是要考慮到可變活載問題，即汽車荷載。汽車荷載分為公路Ⅰ級及公路Ⅱ級，車道荷載主要體現(xiàn)在均布荷載與集中荷載兩種。從實際情況分析，在橋梁的計算過程中可以分析計算車道荷載，另外局部加載、涵洞、橋臺以及擋土墻的壓力也可以通過車輛荷載計算確定，但是兩者不能疊加計算[5]。

橋梁荷載設(shè)計中，結(jié)合不同橋梁項目的極限狀態(tài)、正常運行情況可以實現(xiàn)作用效應(yīng)組合，然后選擇最利于效應(yīng)組合的方式開展設(shè)計。具體的情況如下：

4.2.1 持久狀況

這是橋涵運行中因為受到自重、汽車荷載的同時影響，根據(jù)實際的使用功能進行設(shè)計，就是在承載能力極限條件、正常狀態(tài)下進行設(shè)計。

4.2.2 暫時狀況

這是橋涵在運行中因為臨時性的反應(yīng)而產(chǎn)生的狀態(tài)，要保證承載性能極限運行狀態(tài)設(shè)計，如有必要，可以通過正常應(yīng)用條件開展設(shè)計。

4.2.3 偶然狀況

偶然狀況為結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中橋涵可能發(fā)生地震災害引起的病害問題，在具體設(shè)計的環(huán)節(jié)中要保證其達到承載能力極限的運行條件，并保證其應(yīng)用性能與適用效果達到設(shè)定的目標要求。

4.3 橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

第一階段設(shè)計：小震一般是通過使用眾值烈度的方法進行，然后計算最終的技術(shù)參數(shù)，且符合彈性運行狀態(tài)中的地震使用條件。即使有小震作用也不會產(chǎn)生嚴重的損壞問題，同時還要實施結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性計算分析，達到設(shè)防烈度和結(jié)構(gòu)強度、變形性的要求，真正地實現(xiàn)小震不壞。

第二階段設(shè)計：中震可以根據(jù)需要使用第二水準烈度振動系數(shù)，分析剛度退化參數(shù)，計算截面開裂、屈服和強度破壞的荷載位移變化關(guān)系，然后對比地震荷載效應(yīng)，達到安全性的要求，符合第二級設(shè)防的標準，真正地實現(xiàn)中震可修。

第三階段設(shè)計：大震發(fā)生之后可以通過第三水準地震參數(shù)進行地震效應(yīng)計算分析；與截面破壞荷載對比，達到安全性的要求，同時還應(yīng)該考慮倒塌機制，確保穩(wěn)定性合格，真正地實現(xiàn)大震不倒的目標。

以上三個階段設(shè)計原則明確規(guī)定了三級地震水平下所產(chǎn)生的反應(yīng)，即在發(fā)生地震反應(yīng)后，橋梁彈性反應(yīng)范圍結(jié)構(gòu)并未損壞，而在設(shè)防烈度的地震影響下，結(jié)構(gòu)會發(fā)生塑性變形，但是最大變形值不會超出容許變形；大地震發(fā)生之后，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)比較大的彈塑變形，最大變形為結(jié)構(gòu)變形容許值，但是沒有超出該值，并最終實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的標準。

5 結(jié)語

總體而言，在公路橋梁總數(shù)中中小跨徑橋梁占據(jù)比例較大，在設(shè)計時對中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)要點分析對提升橋梁工程的使用功能有很大幫助。在具體設(shè)計周期內(nèi)容時，有關(guān)設(shè)計人員需根據(jù)工程的特點，全面把握中小跨徑設(shè)計原則，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等指標達到總體設(shè)計目標要求，以便于后期工程項目的開展。