公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性問題分析

文/韓新

1 前言

國家大力推動基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)背景下，公路橋梁工程建設(shè)力度進(jìn)一步增加，無論是資金投入力度還是優(yōu)惠政策的頒布，均為公路橋梁建設(shè)事業(yè)良性發(fā)展創(chuàng)造了有利環(huán)境。公路橋梁工程質(zhì)量高低關(guān)乎人們交通出行安全以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為了打造高質(zhì)量的公路橋梁工程，應(yīng)做好公路橋梁工程總體設(shè)計(jì)工作，編制合理設(shè)計(jì)方案。但由于公路橋梁設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)工作范疇，其中需要考慮的因素多樣，包括設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)人員、施工現(xiàn)場情況、技術(shù)和工藝等因素，任何一個因素考慮不全面，就會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，對工程整體質(zhì)量帶來不良影響。鑒于此，新時(shí)期加強(qiáng)公路橋梁設(shè)計(jì)的耐久性和安全性內(nèi)容分析，便于積累經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后續(xù)工程設(shè)計(jì)工作開展。

2 公路橋梁設(shè)計(jì)中耐久性與安全性的影響因素

2.1 路橋設(shè)計(jì)體系

公路橋梁設(shè)計(jì)中，如何提升橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，完善、成熟的設(shè)計(jì)體系支持是必不可少的。即便國內(nèi)對公路橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容研究持續(xù)深化，取得了豐碩的成果，但相較于西方發(fā)達(dá)國家現(xiàn)有的公路橋梁設(shè)計(jì)體系而言，還有一些不足和欠缺，不同程度上影響到公路橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。如，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容缺失；在具體設(shè)計(jì)中由于標(biāo)準(zhǔn)模糊不清，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)的公路橋梁工程使用壽命低于預(yù)期。另外，可能誘發(fā)一系列矛盾沖突，導(dǎo)致工程施工質(zhì)量下降，后期公路橋梁工程使用中出現(xiàn)裂縫、麻面等病害，如圖1 所示。

圖1 橋梁裂縫

2.2 設(shè)計(jì)人員綜合素質(zhì)

設(shè)計(jì)人員是公路橋梁設(shè)計(jì)的主體，自身綜合素質(zhì)水平高低很大程度上影響著公路橋梁整體安全性和耐久性，做好設(shè)計(jì)人員的專業(yè)培訓(xùn)十分必要。但從實(shí)際情況來看，目前公路橋梁設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)水平并不高，還有很大的提升空間，表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一是設(shè)計(jì)人員對公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性不夠重視，認(rèn)知存在局限性，部分設(shè)計(jì)人員為了節(jié)約時(shí)間，加快工作進(jìn)度，經(jīng)常出現(xiàn)在未實(shí)地考察項(xiàng)目區(qū)域?qū)嶋H情況的基礎(chǔ)上盲目進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致公路橋梁設(shè)計(jì)方案在后期落實(shí)中可能存在與實(shí)地不符合的情況[1]。即便設(shè)計(jì)速度較快，但是質(zhì)量卻無法得到保障。二是設(shè)計(jì)人員專業(yè)能力較為滯后，不符合現(xiàn)代公路橋梁工程設(shè)計(jì)要求。部分設(shè)計(jì)人員習(xí)慣了使用CAD 設(shè)計(jì)軟件，卻不懂得如何運(yùn)用更加高效的BIM 技術(shù)，新技術(shù)掌握程度不足，不僅導(dǎo)致工作效率偏低，還會影響最終公路橋梁工程的安全性和耐久性，導(dǎo)致使用壽命大大下降。

2.3 路橋設(shè)計(jì)審核

公路橋梁設(shè)計(jì)中的一個主要影響因素即設(shè)計(jì)審核因素，審核是否嚴(yán)謹(jǐn)、全面，關(guān)乎是否可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中的不足，及時(shí)優(yōu)化改進(jìn)，否則將會影響到后續(xù)公路橋梁工程耐久性和安全性。公路橋梁設(shè)計(jì)審核流程煩瑣、復(fù)雜，審核難度大，部分審核人員屢屢出現(xiàn)違規(guī)審核情況，未能做好設(shè)計(jì)把關(guān)工作，為后續(xù)的公路橋梁工程質(zhì)量埋下了隱患，審核工作也變成了表面文章[2]。

3 公路橋梁設(shè)計(jì)中耐久性和安全性不足的表現(xiàn)

在公路橋梁設(shè)計(jì)中，需要對施工區(qū)域進(jìn)行充分實(shí)地勘察收集相關(guān)數(shù)據(jù)資料，結(jié)合環(huán)境因素來分析結(jié)構(gòu)受力情況，在保證橋梁結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度同時(shí)，也要保證公路橋梁耐久性。就公路橋梁的耐久性和安全性來看，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

橋梁工程長時(shí)間暴露在自然環(huán)境中，受到雨雪、陽光和大風(fēng)侵蝕，內(nèi)部鋼筋材料容易銹蝕破壞整體結(jié)構(gòu)，在降低橋梁結(jié)構(gòu)承載力、縮短使用壽命的同時(shí)，為路面行車安全帶來不同程度的危險(xiǎn)。所以，公路橋梁設(shè)計(jì)中要做好選材，確定最佳的橋梁保護(hù)層厚度，規(guī)避鋼筋氧化銹蝕威脅到公路橋梁整體結(jié)構(gòu)耐久性與安全性，現(xiàn)場的鋼筋集中存放，做好遮蓋防護(hù)措施，避免損壞影響到公路橋梁工程質(zhì)量。

橋梁強(qiáng)度不足，致使公路橋梁工程倒塌，一些超載車輛通過橋梁時(shí)損壞橋梁結(jié)構(gòu)，情況嚴(yán)重下甚至誘發(fā)坍塌事故，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，公路橋梁設(shè)計(jì)中強(qiáng)度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，只有符合標(biāo)準(zhǔn)，才能保證工程質(zhì)量和通車安全。

橋面鋪裝層承載作用，設(shè)計(jì)時(shí)要注重鋪裝層材料選擇分析，分析后期受到溫度變化影響的熱脹冷縮，可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)壓縮變形，增加裂縫出現(xiàn)概率，工程整體施工質(zhì)量和使用壽命隨之縮短[3]。

4 公路橋梁耐久性和安全性問題的設(shè)計(jì)方法

4.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

公路橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)人員在充分實(shí)地勘察結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析橋梁整體結(jié)構(gòu)受力與技術(shù)可行性等因素優(yōu)化設(shè)計(jì)。一些地形平緩區(qū)域的中小型公路橋梁工程，選擇筒支空心板結(jié)構(gòu)，跨度小、操作便捷，在保證橋梁功能的同時(shí)，減少總體施工成本。但是此種方式不適合山區(qū)建設(shè)環(huán)境，跨徑無法滿足施工要求。對于此類情況，可以選擇預(yù)制T 梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加跨徑，便于預(yù)制T 梁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)同時(shí)，減少總體成本支出。另外，T 梁屬于曲線梁，結(jié)構(gòu)受力平衡性與抗扭能力有所不足，可能對下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。所以，小彎矩曲線橋工程適合采用直梁結(jié)構(gòu)，在可控范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整翼緣板寬度，曲面橋平面線形得到優(yōu)化改進(jìn)同時(shí)，顯著改善T 梁橋彎矩不足的問題[4]。

4.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其功能在于支撐，這就需要做好橋墩選型設(shè)計(jì)，結(jié)合區(qū)域施工地質(zhì)條件和上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合考量。雙薄壁墩和柱式墩是較為常見的橋墩，其中柱式墩施工期間操作便捷，并且整體的外觀美感良好。在具體設(shè)計(jì)中為了保證橋墩穩(wěn)定性，可以通過增加橫截面，鋼管外包以及碳纖維材料加固等方式進(jìn)行加固處理。如果鋼管外包加固可以選擇橢圓形鋼管，碳纖維材料加固就要結(jié)合施工環(huán)境合理安排工序，加強(qiáng)施工過程控制。增加墩底接觸面積方式也可以起到加固處理作用，促使橋墩整體支撐力大大提升，盡可能規(guī)避橋梁結(jié)構(gòu)變形。

4.3 加強(qiáng)工程隔震設(shè)計(jì)

工程隔震設(shè)計(jì)，主要是將隔震裝置設(shè)置在各結(jié)構(gòu)之間，可以增加結(jié)構(gòu)整體阻尼，減少能量輸出的裝置，可以起到提升工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。受行車荷載和地質(zhì)環(huán)境因素影響，會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到不良影響，這就需要做好工程結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)，按照特定公式來計(jì)算等效剛度和等效阻尼等隔震裝置性能。

另外，橋梁附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要保持高度重視，類型多樣，如限位裝置、伸縮縫等，通過時(shí)程分析法進(jìn)行分析，細(xì)部構(gòu)造對附屬結(jié)構(gòu)整體性能影響較大，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)注重附屬結(jié)構(gòu)細(xì)部優(yōu)化，提升設(shè)計(jì)合理性。

4.4 合理選擇和配置施工材料

公路橋梁工程建設(shè)規(guī)模大，需要大量的混凝土材料，混凝土施工質(zhì)量一定程度上決定了工程總體性能。所以，應(yīng)加強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)，選擇高質(zhì)量的原材料，嚴(yán)格控制水泥、添加劑和水等各種材料用量。施工前進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，分析實(shí)際結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異，基于實(shí)際情況適當(dāng)?shù)貎?yōu)化調(diào)整，確定最佳配合比設(shè)計(jì)。混凝土耐久性設(shè)計(jì)，保護(hù)鋼筋，避免鋼筋與氧氣充分接觸發(fā)生大面積銹蝕；做好混凝土養(yǎng)護(hù)和支模工作，避免混凝土出現(xiàn)裂縫或表面受損。另外，為了確保設(shè)計(jì)工作高質(zhì)量進(jìn)行，還要建立相較于完善的路橋設(shè)計(jì)體系，積極吸收和借鑒西方發(fā)達(dá)國家路橋設(shè)計(jì)體系建立經(jīng)驗(yàn)，契合我國公路橋梁工程建設(shè)實(shí)際情況形成更具特色的設(shè)計(jì)體系，為公路橋梁工程的耐久性和安全性提供堅(jiān)實(shí)保障[5]。

5 結(jié)語

總而言之，在公路橋梁設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)考慮耐久性和安全性因素，積極吸收和借鑒先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，在充分進(jìn)行實(shí)地勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，有側(cè)重性地把控耐久性和安全性設(shè)計(jì)內(nèi)容，提升設(shè)計(jì)合理性，為后續(xù)工程建設(shè)質(zhì)量提供支持和保障。