公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性及耐久性研究

管清波 濰坊昌通工程設(shè)計(jì)有限公司

公路橋梁結(jié)構(gòu)也是整個(gè)公路運(yùn)輸系統(tǒng)工程建設(shè)中，另一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)組成部分和結(jié)構(gòu)組成部分。近年來(lái)，隨著我國(guó)城區(qū)現(xiàn)代城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)產(chǎn)業(yè)化步伐的不斷加快，公路橋梁體系結(jié)構(gòu)的建設(shè)形式逐步發(fā)展，并取得了一系列顯著成果。目前，在公路橋梁的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)活動(dòng)中，普遍對(duì)公路安全性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)耐久性提出了安全技術(shù)管理要求。

一、我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)的安全性和耐久性現(xiàn)狀

目前，橋梁工程的橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)和整個(gè)橋梁行業(yè)還存在一些技術(shù)問(wèn)題。相關(guān)從業(yè)者很難真正全面地考慮整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)。在對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行理論分析時(shí)，相關(guān)從業(yè)者經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，當(dāng)片面地只考慮橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全性，而往往忽視了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其橋梁整體耐久性時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)一些常見(jiàn)問(wèn)題。當(dāng)然，相關(guān)從業(yè)者可能都知道如何了解特定橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐久性和安全性這一關(guān)鍵問(wèn)題，但事實(shí)上，設(shè)計(jì)師們往往只認(rèn)真考慮橋梁的強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)，設(shè)計(jì)師往往忽視應(yīng)該認(rèn)真考慮的耐久性，橋梁的安全和使用壽命是第一位的。如果一個(gè)設(shè)計(jì)師只是簡(jiǎn)單地考慮和計(jì)算其橋梁強(qiáng)度，而沒(méi)有真正開(kāi)始考慮橋梁的耐久性和安全性，那么很明顯，此時(shí)橋梁本身的耐久性設(shè)計(jì)也將是一個(gè)不可能完美實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，如果只單方面考慮橋梁結(jié)構(gòu)在其實(shí)際使用環(huán)境中的使用壽命，就會(huì)出現(xiàn)難以完全避免的問(wèn)題。

二、公路橋梁設(shè)計(jì)中安全性及耐久性的影響因素

（一）施工管理水平不高

公路橋梁工程長(zhǎng)期以來(lái)發(fā)展迅速。目前，該項(xiàng)目的所有細(xì)節(jié)在技術(shù)上已經(jīng)并正在逐漸成熟。然而，由于橋梁安全缺陷和結(jié)構(gòu)耐久性功能不足，而導(dǎo)致的公路橋梁工程嚴(yán)重突發(fā)性損壞和坍塌事故，已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。通過(guò)對(duì)各種原因的調(diào)查分析，可以清楚地看到，由于橋梁施工質(zhì)量管理和水平要求較低，在具體的施工過(guò)程管理中，可能會(huì)出現(xiàn)工程質(zhì)量不符合國(guó)家施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件等特殊現(xiàn)象，這是導(dǎo)致這些嚴(yán)重事故頻繁發(fā)生的一個(gè)非常重要的因素。

（二）設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)體系較差

目前，國(guó)外公路橋梁結(jié)構(gòu)和公路結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)和應(yīng)用仍有許多實(shí)際應(yīng)用，不一定十分成熟、完善和有效。一般來(lái)說(shuō)，公路橋梁結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)估和設(shè)計(jì)方法并不簡(jiǎn)單，但應(yīng)基于使用各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)類(lèi)型的公路橋梁系統(tǒng)的工程經(jīng)濟(jì)合理性，綜合考慮即：認(rèn)真、系統(tǒng)地分析和研究各類(lèi)公路橋梁的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，以及各橋梁構(gòu)件之間的連接，只有通過(guò)計(jì)算各種典型公路結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性，才能確保公路結(jié)構(gòu)的綜合安全性能，及其安全系數(shù)符合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范。

（三）設(shè)計(jì)的安全性和耐久性意識(shí)不足

公路橋隧總體設(shè)計(jì)方案往往過(guò)于注重總體技術(shù)方案，而對(duì)一些主要專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的設(shè)計(jì)因素關(guān)注甚少。例如，對(duì)其安全要求和耐久性的因素沒(méi)有太多關(guān)注，這些指標(biāo)的設(shè)計(jì)缺乏高度的精確性。業(yè)主公司或土建單位在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中實(shí)際評(píng)估項(xiàng)目整體效果時(shí)，為了趕上項(xiàng)目進(jìn)度或進(jìn)一步簡(jiǎn)化項(xiàng)目的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，會(huì)故意忽略與項(xiàng)目安全性和耐久性有關(guān)的內(nèi)容。一個(gè)重要原因可能是安全設(shè)計(jì)和環(huán)境耐久性評(píng)估方法的計(jì)算更加抽象和繁瑣。需要根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行評(píng)估和分析，比較繁瑣復(fù)雜，工作量較大。另一個(gè)主要方面，可能是工程安全性和設(shè)備耐久性通常沒(méi)有在最短的時(shí)間內(nèi)得到充分體現(xiàn)，也沒(méi)有那么直觀的感覺(jué)。

（四）設(shè)計(jì)審核過(guò)程不嚴(yán)

公路橋隧工程項(xiàng)目的所有審查和設(shè)計(jì)過(guò)程都是系統(tǒng)、全面工程管理下的重要基礎(chǔ)工作，其中最關(guān)鍵、最重要的是最后一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也應(yīng)該是設(shè)計(jì)審查。評(píng)審過(guò)程中包含的設(shè)計(jì)基本內(nèi)容應(yīng)包括各種主要材料的性能、安全系數(shù)、失效時(shí)間、機(jī)械強(qiáng)度等許多重要計(jì)算，如經(jīng)濟(jì)分析和計(jì)算，必須計(jì)算并對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)參數(shù)，需要與設(shè)計(jì)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并指出至少需要一些專(zhuān)家提前討論、分析或檢查，在其他重大設(shè)計(jì)問(wèn)題和錯(cuò)誤中發(fā)現(xiàn)的一些錯(cuò)誤應(yīng)發(fā)回并重新修訂。然而，在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施前，圖紙審查、設(shè)計(jì)論證、資料審查等多個(gè)過(guò)程操作中沒(méi)有統(tǒng)一的工藝規(guī)范可以實(shí)現(xiàn)，質(zhì)量控制環(huán)節(jié)不夠規(guī)范和嚴(yán)格，即使在少數(shù)工程項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，其程度往往遠(yuǎn)未在審計(jì)評(píng)價(jià)中得到充分體現(xiàn)。

（五）維護(hù)手段不足

公路橋梁工程路橋施工中使用的大部分橋體材料，在施工作業(yè)中都會(huì)暴露在惡劣的低溫空氣系統(tǒng)條件下。因此，路橋面板施工中使用的材料，在任何時(shí)候都會(huì)受到各種條件的影響，如極端降水、長(zhǎng)期沖刷和侵蝕下的結(jié)冰，如暴露或其他惡劣或極低溫天氣環(huán)境，當(dāng)公路橋梁施工和施工過(guò)程中經(jīng)常遇到一些極端暴雨時(shí)，在公路橋面材料的使用上會(huì)逐漸積累大量未凝結(jié)的初始凝結(jié)水，如果夜間路面溫度較低，則更有可能再次凝結(jié)形成霜層水或冰。一旦初凝冷卻到足夠低的路面溫度，就更有可能直接對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)及其使用的部分瀝青混凝土造成嚴(yán)重凍害，因此，現(xiàn)在我們需要幫助及時(shí)、準(zhǔn)確地清除道路上的凍水。

三、公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性及耐久性的改善方法

（一）做好公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作

在我國(guó)公路橋梁建設(shè)的早期階段，要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，使后續(xù)的施工作業(yè)能夠相對(duì)順利、穩(wěn)定地進(jìn)行。在施工前的準(zhǔn)備工作中，應(yīng)盡可能選擇技術(shù)水平高、技術(shù)能力強(qiáng)的人員，對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行深入調(diào)查研究，充分掌握該區(qū)域的地下水儲(chǔ)量和施工區(qū)域的環(huán)境氣候變化。同時(shí)，必須全面分析公路橋梁后續(xù)養(yǎng)護(hù)中可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題。在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行合理的調(diào)查研究，并考慮各種因素。對(duì)于可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，有必要提前制定一套解決方案，以確保這些措施能夠進(jìn)一步完善橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高高速公路橋梁的設(shè)計(jì)安全性和耐久性，為高速公路橋梁的整體質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)。

（二）充分考慮路橋的疲勞損傷

在我國(guó)沿海高速公路橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，確實(shí)存在許多環(huán)境因素，如河流對(duì)水中有害物質(zhì)的長(zhǎng)期侵蝕影響，以及當(dāng)?shù)丶竟?jié)性氣候降水和地溫的變化，這些因素也會(huì)受到人為因素的干擾。在這些影響因素的共同作用下，公路橋梁系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力。除了公路橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共振外，橋梁也可能存在疲勞損傷。隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，疲勞損傷和橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)將緩慢累積。如果不及時(shí)解決和處理，往往會(huì)破壞整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)，降低其耐久性和安全性。因此，在公路橋梁的具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)公路橋梁疲勞損傷的控制和及時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)表面裂縫，采取科學(xué)方法，加強(qiáng)管理和控制，避免結(jié)構(gòu)材料斷裂。此外，需要對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋構(gòu)件的疲勞損傷和腐蝕進(jìn)行深入分析，以了解其原因，從而使橋梁設(shè)計(jì)更有針對(duì)性。

（三）加強(qiáng)保護(hù)層厚度控制

通過(guò)了解國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)工程質(zhì)量法律法規(guī)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以此了解到，在鋼筋腳手架施工驗(yàn)收前一個(gè)月，設(shè)備安裝調(diào)試的質(zhì)量管理、監(jiān)督、檢查和監(jiān)督工作已經(jīng)全面展開(kāi)。在施工過(guò)程中，除嚴(yán)格控制合格率外，還應(yīng)科學(xué)控制安裝偏差。在具體公路橋梁試驗(yàn)設(shè)計(jì)審查的實(shí)施中，應(yīng)注意充分吸收技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定，在盡可能全面明確各類(lèi)公路橋梁性能分類(lèi)和性能特征劃分的理論依據(jù)的前提下，在每次檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)抽樣分析結(jié)果報(bào)告中嚴(yán)格規(guī)定各不合格點(diǎn)之間的相對(duì)最大允許正負(fù)偏差及其限值。如果出現(xiàn)偏差，必須無(wú)條件改進(jìn)。鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)厚度以及結(jié)構(gòu)與混凝土保護(hù)層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系應(yīng)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化。合理控制梁、板、拱橋之間的偏差。一般情況下，梁板和拱橋間距的偏差系數(shù)應(yīng)確定為+10mm，-7mm；墩臺(tái)之間的偏差一般在+12mm至-5mm之間；樁基上的偏差值可達(dá)到允許值，誤差范圍一般為+15mm，-10mm。此外，為了提高公路橋梁設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性，有必要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計(jì)耐久性和安全參數(shù)，明確各種施工技術(shù)要求，加強(qiáng)橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體水平，促進(jìn)公路橋梁安全性和耐久性的提高。

（四）嚴(yán)格控制鋼筋配置

為了進(jìn)一步提高公路橋梁的安全性和耐久性，在公路橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了嚴(yán)格控制保護(hù)層厚度外，還需要合理配置鋼筋厚度。一般來(lái)說(shuō)，鋼筋銹蝕問(wèn)題不可避免地會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響，甚至導(dǎo)致橋梁承載力的大幅降低。如果整體應(yīng)力面減小，原有的工程應(yīng)力將非常集中，造成公路橋梁工程結(jié)構(gòu)的巨大安全隱患。從橋梁工程的角度來(lái)看，鋼筋銹蝕對(duì)橫截面的強(qiáng)度影響很大，會(huì)降低整體結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)性能，不能滿足公路橋梁建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，在具體的鋼筋設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須加強(qiáng)對(duì)鋼筋保護(hù)層厚度的控制，做好相應(yīng)的防腐工作，合理應(yīng)用混凝土施工工藝，加強(qiáng)控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意施工技術(shù)和方法的應(yīng)用，以確保不會(huì)出現(xiàn)蜂窩或麻面問(wèn)題，從而提高混凝土的整體穩(wěn)定性和耐久性。

（五）制定疲勞養(yǎng)護(hù)計(jì)劃

所有路橋結(jié)構(gòu)的承載能力都相對(duì)有限，結(jié)構(gòu)本身的自由承載能力設(shè)計(jì)目標(biāo)具有強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)多樣化設(shè)計(jì)目標(biāo)的特點(diǎn)。除了這些因素共同受到人類(lèi)日常車(chē)輛慣性駕駛特性和車(chē)輛正常駕駛時(shí)的各種重力載荷的影響外，風(fēng)載荷和其他因素（如人載荷）最終將直接傳遞到道路和橋梁結(jié)構(gòu)的一些內(nèi)部建筑系統(tǒng)，最終將形成一個(gè)極其復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力，最終，該結(jié)構(gòu)中的壓力將直接傳遞到路橋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的許多部位。通過(guò)這樣一個(gè)長(zhǎng)期的逐步積累經(jīng)驗(yàn)，路橋結(jié)構(gòu)本身的整體結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，它往往開(kāi)始遭受到一定程度的輕微疲勞磨損。如果是疲勞磨損，則疲勞磨損的程度比較嚴(yán)重，往往會(huì)導(dǎo)致公路橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的裂縫，因此，有必要進(jìn)行公路工程勘察，設(shè)計(jì)和管理技術(shù)部能夠根據(jù)維修施工期間的環(huán)境要求，以及維修車(chē)輛在施工開(kāi)始時(shí)實(shí)際駕駛和維修引起的各種應(yīng)力變化，開(kāi)展重點(diǎn)和有針對(duì)性的工作，并對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)本身的疲勞和磨損制定養(yǎng)護(hù)管理方案，避免了在第一次養(yǎng)護(hù)時(shí)未能妥善處理橋梁結(jié)構(gòu)上的大面積裂縫，當(dāng)出現(xiàn)這種嚴(yán)重問(wèn)題時(shí)，將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力和大范圍擴(kuò)展，甚至可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)倒塌、橋體嚴(yán)重變形斷裂、嚴(yán)重變形開(kāi)裂等情況。

四、結(jié)語(yǔ)

為了不斷系統(tǒng)地更新認(rèn)識(shí)，不斷提高未來(lái)公路交通橋梁的安全設(shè)計(jì)水平，除了積極借鑒國(guó)內(nèi)外許多高等級(jí)公路橋梁設(shè)計(jì)成功案例的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)外，在公路工程橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，要更加注重提高設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化管理和應(yīng)用水平，不斷學(xué)習(xí)和更新公路工程橋梁安全設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念，創(chuàng)新公路橋梁設(shè)計(jì)的新方法，最終使我們需要的現(xiàn)代公路橋梁的安全能力和安全耐久性齊頭并進(jìn)。