橋梁設(shè)計中的安全性及耐久性分析

趙強

（云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

橋梁工程是現(xiàn)代交通系統(tǒng)的重要組成部分，具有投資大、規(guī)模大、影響因素多等特征，設(shè)計難度相對較大。現(xiàn)代橋梁設(shè)計中，安全性、耐久性逐漸得到重點關(guān)注，直接關(guān)系到橋梁使用安全與成本，只有保證橋梁結(jié)構(gòu)可滿足不斷增加的交通荷載需求，減少混凝土碳化、裂縫以及鋼筋銹蝕等問題，減輕養(yǎng)護(hù)維修負(fù)擔(dān)，方可獲得良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

1 橋梁設(shè)計存在的隱患分析

橋梁設(shè)計中，安全性、耐久性是重要考慮因素，然而工程實踐中常因設(shè)計人員考慮不足、未嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)存在諸多隱患，主要表現(xiàn)為耐久性不足、安全性不足、結(jié)構(gòu)承載富余量不足等問題，給整個交通系統(tǒng)安全、可靠運行帶來一定的威脅。本文從安全性、耐久性兩大角度出發(fā)，橋梁設(shè)計主要問題如下：

（1）過度追求設(shè)計效率，未充分考橋梁使用后的耐久性、耐腐蝕問題。橋梁設(shè)計需考慮因素眾多，部分設(shè)計人員未能夠綜合考慮所有問題，如：過度追求快速設(shè)計，甚至在設(shè)計前未勘探施工現(xiàn)場，橋梁設(shè)計存在盲目性，橋梁投入使用后發(fā)生斷裂、倒塌等嚴(yán)重事故。

（2）不重視安全問題，橋梁質(zhì)量設(shè)計不高。部分橋梁設(shè)計方案不重視規(guī)范，設(shè)計錯誤多，設(shè)計質(zhì)量不高，以至于橋梁施工、運營中存在較大的安全隱患。此外，監(jiān)管不到位也是導(dǎo)致橋梁安全問題出現(xiàn)的重要原因之一，無論在橋梁設(shè)計還是施工過程中，必須監(jiān)管各個環(huán)節(jié)，切實保證橋梁設(shè)計方案安全、可靠。

2 橋梁設(shè)計中的安全性及耐久性目標(biāo)

為了提高交通安全、減小運維成本，橋梁設(shè)計中必須重視安全性及耐久性，下文主要針對橋梁設(shè)計中的安全性、耐久性目標(biāo)展開分析。

2.1 安全性設(shè)計目標(biāo)

橋梁的安全性主要包括兩個方面內(nèi)容：①使用者的生命安全；②結(jié)構(gòu)自身使用安全，對應(yīng)的是承載能力極限狀態(tài)。對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，可安全承受各項設(shè)計荷載是基本要求。

橋梁是承受循環(huán)荷載的結(jié)構(gòu)，需考慮構(gòu)件疲勞壽命、疲勞極限，且部分重要橋梁要求損傷后快速修復(fù)，因此安全性設(shè)計中必須考慮可恢復(fù)性。根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（JTG 2120—2020）》（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”），對橋梁結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠性提出要求，如表1所示。橋梁結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度的最優(yōu)化設(shè)計與區(qū)域?qū)嶋H情況相關(guān)，將我國標(biāo)準(zhǔn)與歐美相比，目標(biāo)可靠度更高，應(yīng)該與我國正處于快速發(fā)展時期有關(guān)，橋梁設(shè)計時需考慮未來可能面臨荷載快速增長的情況，因此留有更多富裕度。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)目標(biāo)可靠指標(biāo)

2.2 耐久性設(shè)計目標(biāo)

為了更好地描述橋梁耐久性變化情況，本文從實用性出發(fā)，并結(jié)合ISO13823：2008耐久性設(shè)計一般原則，提出橋梁耐久性設(shè)計目標(biāo)。

第1階段耐久性極限狀態(tài)，指的是結(jié)構(gòu)開始劣化的耐久性初始極限狀態(tài)，針對結(jié)構(gòu)使用過程中表觀狀態(tài)的定義。如：鋼筋混凝土碳化、鋼筋銹蝕、鋼/木結(jié)構(gòu)表面腐蝕等，此時認(rèn)為橋梁需進(jìn)行修復(fù)。

第2階段耐久性極限狀態(tài)，指的是橋梁實際使用性能的耐久性最終極限狀態(tài)，針對結(jié)構(gòu)使用功能的定義。如：鋼筋混凝土裂縫、鋼筋外露、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕至外觀嚴(yán)重破壞等，此時認(rèn)為橋梁需進(jìn)行構(gòu)件更換或結(jié)構(gòu)大修。

根據(jù)ISO13823：2008要求，結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的可靠度，需綜合考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計使用壽命、結(jié)構(gòu)養(yǎng)修難度與成本以及結(jié)構(gòu)的失效后果等諸多因素，并參考相關(guān)專家意見、客戶需求，可靠度表達(dá)如下：

式中：Z（t）-結(jié)構(gòu)在某時刻的耐久性功能函數(shù)；R（t）-t時刻廣義抗力；S（t）-t時刻廣義作用效應(yīng)；Pf（t）-t時刻結(jié)構(gòu)失效概率；βD（t）-t時刻結(jié)構(gòu)耐久性可靠度。

橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命期間耐久性指標(biāo)的變化如圖1所示，其中，P（t）是結(jié)構(gòu)目標(biāo)失效概率，Pt=Pf（TD）。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命期間耐久性指標(biāo)變化情況

3 實例探析橋梁的安全性及耐久性設(shè)計

3.1 工程概況

本項目為連續(xù)鋼構(gòu)橋，橋梁長度320m，四跨，主跨100m、兩邊跨60m。橋梁主梁設(shè)計為單箱雙室變高箱梁，頂、底板寬度分別為21.2m、14.2m；支座位置梁高6m，跨中位置2.5m，頂板厚度相同，全部控制在0.3m。本文主要針對此橋梁設(shè)計中的安全性、耐久性設(shè)計做重點探討。

3.2 主梁構(gòu)造設(shè)計

本項目橋梁設(shè)計時，為提高結(jié)構(gòu)耐久性，嚴(yán)格按細(xì)部設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，強化構(gòu)造設(shè)計與材料控制。主梁設(shè)計為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，考慮橋梁跨徑大，設(shè)計時考慮增強主梁間橫向整體性，布置預(yù)應(yīng)力筋。

本項目結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)受力與施工要求，確定主梁結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋布置方案，具體設(shè)計方案如下：φ15.2鋼絞線，設(shè)計采用交錯單端張拉方法，布置于箱梁腹板；每束鋼絞線由3根組成，設(shè)計采用扁錨體系，縱橋向布置，布置間距50cm；邊跨端橫隔板，設(shè)計采用φ32精軋螺紋鋼筋。設(shè)計過程中，考慮鋼筋避讓問題，減少后期施工問題，提高橋梁結(jié)構(gòu)安全性。

3.3 載重結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁設(shè)計中，載重結(jié)構(gòu)指的是橋墩、承臺，此類結(jié)構(gòu)受力集中，一旦設(shè)計失誤，極易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)安全性受到極大威脅。本項目結(jié)合橋梁實際情況進(jìn)行載重結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：①橋墩：橫向橋梁寬度14.2m，縱向高度60m、60m、15m，相應(yīng)的寬度參數(shù)不同，橋墩間距4m；②橋臺：重力式U型橋臺，基礎(chǔ)擴大處理，縱向?qū)挾?1.2m、厚度5m，橫向?qū)挾?6.2m、厚度5m。

根據(jù)項目地質(zhì)條件調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋頭分布有軟土地基，為保證橋梁運營中車輛行駛安全，需做好地基處理設(shè)計，嚴(yán)格控制沉降，臺后路基填土設(shè)計采用填土預(yù)壓、鉆孔成樁的方法。支座設(shè)計時，需充分考慮變形因素，設(shè)置上下鋼板，預(yù)制梁端底部設(shè)墊塊，保證支座可靠受力。

3.4 結(jié)構(gòu)材料選擇

橋梁安全性及耐久性設(shè)計中，結(jié)構(gòu)材料選擇是重要內(nèi)容之一。此橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計選用C50混凝土，邊跨位置現(xiàn)澆，現(xiàn)澆段9m、合攏段2m。橋面鋪裝設(shè)計選用耐久性水泥材料，適當(dāng)摻加聚丙烯纖維；混凝土層上方，設(shè)計選用水性瀝青基滲透性防水材料。預(yù)制梁頂位置，設(shè)計采用抗剪連接鋼筋，以此增強橋梁結(jié)構(gòu)整體性能。

3.5 附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

為提升橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，必須重視結(jié)構(gòu)防護(hù)問題，科學(xué)開展附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。本項目橋梁設(shè)計中，保證伸縮縫與橋面鋪裝層有效契合，防止出現(xiàn)滲水問題，進(jìn)而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)腐蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)性能。

4 結(jié)語

綜上所述，在橋梁設(shè)計中需充分考慮結(jié)構(gòu)安全性、耐久性問題，保證橋梁使用安全，減少因環(huán)境侵蝕或是交通荷載所致的各種病害，合理控制養(yǎng)護(hù)管理成本。橋梁安全性、耐久性設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮交通荷載、橋址環(huán)境以及相關(guān)規(guī)范等因素，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇與相關(guān)優(yōu)化工作，保證橋梁整體安全、可靠、耐久。