公路橋梁設(shè)計(jì)的安全性和耐久性分析

朱凡

（中鐵第五勘查設(shè)計(jì)院，北京 大興 102600）

0 引言

在公路規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的靈活運(yùn)用能夠更好地適應(yīng)于不同的建設(shè)環(huán)境， 特別是一些大跨境的河流需要通過連續(xù)橋的建設(shè)實(shí)現(xiàn)兩岸接通。 在橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)于安全性和耐久性的保障和其使用壽命與道路運(yùn)營之間有十分密切的聯(lián)系，必須要引起設(shè)計(jì)人員的關(guān)注，同時(shí)平衡好建設(shè)施工的質(zhì)量和成本，優(yōu)化公路橋梁的建設(shè)水平。

1 國內(nèi)公路橋梁設(shè)計(jì)的安全耐久現(xiàn)狀分析

公路橋梁的建設(shè)和其應(yīng)用負(fù)載之間有十分密切的聯(lián)系，一些橋梁的設(shè)計(jì)、施工存在隱患問題，長時(shí)間的使用會(huì)出現(xiàn)耐久度下降的情況， 給公路的養(yǎng)護(hù)成本、安全保障等都帶來了負(fù)面影響，也不利于公路交通網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模發(fā)展。 2011 年福建地區(qū)就發(fā)生過橋梁吊桿斷裂、橋面垮塌的情況，造成了一定的傷亡事故。盡管國內(nèi)新建公路橋梁的速度較快，但仍有許多橋梁的建設(shè)年限較長，包括了七星大橋（1999 年建成）、觀瀾河大橋（1997 年建成）等，在耐久度上還有較長的發(fā)展空間。 橋梁在對(duì)近年來國內(nèi)公路安全耐久事故分析的過程中發(fā)現(xiàn)，各類隱患事故頻發(fā)的背后是橋梁設(shè)計(jì)不到位、工程施工不足等問題必須要引起行業(yè)重視， 分別從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等多方面展開安全耐久保障工作，動(dòng)態(tài)化的跟蹤當(dāng)前的橋梁使用情況，在保證對(duì)經(jīng)濟(jì)效益追求的同時(shí)，維護(hù)好人民群眾的生命安全。

2 重視公路橋梁設(shè)計(jì)安全耐久性的重要意義

在公路橋梁的應(yīng)用過程當(dāng)中對(duì)其安全性和耐久性提出了較高的要求：必須要能夠滿足不同類型、載重車輛的反復(fù)碾壓； 抵抗地下水系和河流對(duì)梁體結(jié)構(gòu)的沖刷；符合公路橋梁建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在公路橋梁的應(yīng)用過程當(dāng)中，其整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部零件都會(huì)存在著實(shí)際荷載不斷上升的情況，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)隨著環(huán)境和使用年限而發(fā)生老化，一旦超出橋梁結(jié)構(gòu)的極限形變狀態(tài)就會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，這不僅會(huì)影響橋梁本身的使用壽命，還會(huì)對(duì)其行駛的車輛造成較大的安全威脅，必須要引起行業(yè)重視，并從設(shè)計(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)等不同的階段予以關(guān)注，更好地提升我國公路橋梁的建設(shè)水平和使用壽命。 在公路橋梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，能夠更好地明確風(fēng)力、壓力等方面的荷載參數(shù)，提前做好橋梁使用中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3 影響公路橋梁設(shè)計(jì)安全耐久性的主要因素

3.1 缺乏理論支撐

在進(jìn)行公路橋梁的設(shè)計(jì)工作過程中，對(duì)于專業(yè)知識(shí)的需求量極大，給設(shè)計(jì)人員的工作也帶來了一定的挑戰(zhàn)。 由于橋梁建設(shè)環(huán)境狀況的差異性較大，巖溶、黃土、滲漏等情況在設(shè)計(jì)規(guī)劃的過程中都必須要予以充分的考慮， 保證好橋梁的結(jié)構(gòu)安全耐久，部分設(shè)計(jì)人員在工作者存在著專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備不充足的情況，未能根據(jù)已有的地質(zhì)水文資料對(duì)橋梁建設(shè)的要點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)梳理，過分依賴于個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)，單純地將之前的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模仿套用，給橋梁工程建設(shè)質(zhì)量帶來了一定的負(fù)面影響。國內(nèi)的部分設(shè)計(jì)人員在工作的理論體系上還存在一定的問題，不利于建立成熟的工作流程制度，和設(shè)計(jì)預(yù)期之間存在著一定的偏差問題。

3.2 施工管理不足

在落實(shí)公路橋梁設(shè)計(jì)方案的過程中，需要嚴(yán)格把握施工技術(shù)運(yùn)用、建材質(zhì)量等方面的情況，避免因?yàn)槭┕そㄔO(shè)不當(dāng)而產(chǎn)生的安全耐久性下降問題。由于公路橋梁的建設(shè)周期偏長、 突發(fā)情況較多，在進(jìn)行工程管理時(shí)的難度明顯加大，較容易造成紕漏和疏忽。 部分施工單位在建設(shè)的過程中，沒有嚴(yán)格參考設(shè)計(jì)規(guī)劃的要求開展工作， 存在著工序不當(dāng)、質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)偏低等問題，在項(xiàng)目的交付、使用過程中存在較大的安全隱患。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)

在公路橋梁的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)部分對(duì)于安全耐久性的影響程度較大，必須要經(jīng)歷科學(xué)完善的規(guī)劃計(jì)算后才能夠確定設(shè)計(jì)方案，確保與地質(zhì)環(huán)境之間具有更強(qiáng)的適配性。部分設(shè)計(jì)人員在工作過程中未關(guān)注到橋梁結(jié)構(gòu)的重要性，在拉索、伸縮裝置、涵洞結(jié)構(gòu)等部分的建設(shè)細(xì)節(jié)性要求偏低，不能較好地滿足橋梁建設(shè)的目標(biāo)壽命要求。

4 提升公路橋梁設(shè)計(jì)耐久性的有效對(duì)策

4.1 明確設(shè)計(jì)原則

橋梁設(shè)計(jì)與建設(shè)的過程中要秉持基本設(shè)計(jì)原則的相關(guān)要求，從耐久、安全、適用、環(huán)保等多個(gè)角度出發(fā)，做好綜合化的設(shè)計(jì)統(tǒng)籌，確保公路橋梁的建設(shè)項(xiàng)目能夠更好地服務(wù)于民眾。 特大、大跨度的橋梁由于建設(shè)難度大、投入成本高，在各級(jí)公路的設(shè)計(jì)過程中都必須要按照100 年的建設(shè)年限予以規(guī)劃，中規(guī)模的橋梁在高速和一級(jí)橋梁中的壽命要求為100 年，二、三、四級(jí)公路的壽命年限為50 年，小規(guī)模的橋梁和涵洞等設(shè)計(jì)壽命一般以30～50 年為主[1]。 在明確了橋梁的設(shè)計(jì)要求后開展對(duì)應(yīng)的工作會(huì)更具參考性和方向性，有效促進(jìn)設(shè)計(jì)方案的橋梁質(zhì)量保障性。 在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的過程中，還需要考慮到建材和氣候的影響性，如對(duì)于一些氣候潮濕的區(qū)域，在選擇混凝土材料時(shí)要具有更強(qiáng)的防水抗?jié)B能力，確保能夠和橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間形成更好地適配，滿足50、100 年的壽命要求。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

在公路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中必須要明確工作流程和規(guī)范要求，避免在設(shè)計(jì)時(shí)由于流程錯(cuò)誤導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)不適配的現(xiàn)象。要求設(shè)計(jì)人員提前在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地的勘察與分析，在充分掌握橋梁應(yīng)用需求和環(huán)境特征的基礎(chǔ)之上再開展設(shè)計(jì)工作，為后續(xù)方案的可行性論證提供重要的基礎(chǔ)資料。實(shí)地勘察的內(nèi)容包括了地質(zhì)結(jié)構(gòu)橫縱截面的信息獲取、地質(zhì)水文條件、橋梁平面布置的建設(shè)范圍和結(jié)構(gòu)參數(shù)等，分別從工程的必要性、經(jīng)濟(jì)性和可行性三方面進(jìn)行充分論證[2]。

4.3 提升專業(yè)認(rèn)知

設(shè)計(jì)人員需充分認(rèn)識(shí)到公路橋梁安全耐久對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目工程的重要意義，明晰在設(shè)計(jì)與施工過程當(dāng)中對(duì)其安全耐久性可能產(chǎn)生影響的主要因素并予以有針對(duì)性的預(yù)防處理，不斷提升在公路橋梁設(shè)計(jì)工作方面的專業(yè)認(rèn)知。一些發(fā)達(dá)國家在公路橋梁的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案當(dāng)中將耐久性作為了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一，其適用性能表現(xiàn)更優(yōu)，可以為設(shè)計(jì)人員的工作提供更多的思路參考，積極吸納和借鑒成功的經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化個(gè)人設(shè)計(jì)方案水平[3]。

4.4 完善設(shè)計(jì)體系

對(duì)于不同的公路橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在具體的規(guī)劃實(shí)操過程當(dāng)中會(huì)存在一定的差異性，要求設(shè)計(jì)人員要積極建立成熟科學(xué)的工作體系，為設(shè)計(jì)規(guī)劃工作提供一定的專業(yè)參考。如在處理不同地質(zhì)狀況下的公路橋梁建設(shè)需求時(shí)， 對(duì)梁體的實(shí)際荷載能力、施工技術(shù)選擇會(huì)產(chǎn)生很大的影響，特別是對(duì)于一些巖溶地區(qū)和地下水系分布較為豐富的區(qū)域，需要在地基建設(shè)的過程當(dāng)中做好防水抗?jié)B和基坑支護(hù)建設(shè)，確保橋梁應(yīng)用的安全性和耐久性[4]。

4.5 疲勞損傷研究

在公路橋梁受到外力作用的情況之下，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的作用，特別是累計(jì)振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞損傷情況對(duì)于橋梁的使用壽命威脅性較大，容易造成一些可見的梁體裂縫，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)斷裂坍塌，必須要在設(shè)計(jì)的過程中提前做好方案疲勞損傷的測(cè)試工作，確保實(shí)際壽命和設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)更具適配性[5]。 由于橋梁的疲勞損傷是在逐步累積而形成的，在實(shí)際應(yīng)用過程中很難及時(shí)予以探測(cè)發(fā)現(xiàn)，且具有一定的不可逆特點(diǎn)，實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作開展的難度較大。

4.6 優(yōu)化荷載設(shè)計(jì)

在對(duì)公路橋梁的荷載設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，需要明確不同的荷載類型和影響因素，確保設(shè)計(jì)方案更具綜合性、全面性，充分滿足安全耐久的應(yīng)用需求。首先，橋梁的恒載是指梁體本身的重力作用，包括了梁體、欄桿和其中的管線等；活載是指橋梁在使用過程中產(chǎn)生的外界壓力；材料荷載是指構(gòu)成梁體結(jié)構(gòu)的混凝土材料在長時(shí)間應(yīng)用過程中出現(xiàn)的收縮徐變、老化情況；另外還包含了環(huán)境因素帶來的影響，如風(fēng)荷載、沉降荷載等[6]。

4.7 結(jié)構(gòu)加固處理

優(yōu)化橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋和選材可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路橋梁的耐久性的有效提升，其在使用的過程中能夠形成一個(gè)較為穩(wěn)定的包裹狀態(tài)，通過提升結(jié)構(gòu)抗力的方式來保證橋梁的實(shí)際使用壽命。橋梁模型的耐久度與鋼筋混凝土材料的碳化水平、結(jié)構(gòu)安全系數(shù)、 使用年限之間存在著一定的數(shù)量關(guān)系，在進(jìn)行計(jì)算的過程中能夠幫助設(shè)計(jì)人員掌握參數(shù)的范圍限定，確保應(yīng)力計(jì)算的精確度[7]。

4.8 關(guān)注防水防裂

橋梁建設(shè)過程中的防水防裂設(shè)計(jì)十分重要，會(huì)直接影響其使用安全性和耐久性，這就要求設(shè)計(jì)人員要結(jié)合施工地的實(shí)際環(huán)境做好個(gè)性化的方案規(guī)劃。首先，由于橋梁的底部和地下水系直接接觸，在設(shè)計(jì)的過程中必須要提前建立好防水層，使用高強(qiáng)度、高密度的混凝土材料進(jìn)行施工實(shí)操，確保其使用壽命[8]。

5 結(jié)語

在公路橋梁的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員必須要結(jié)合建設(shè)環(huán)境和應(yīng)用需求明確設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，特別是橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的確定會(huì)直接影響其疲勞損傷和應(yīng)用超載的情況， 必須利用BIM 設(shè)計(jì)模型反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，遵從科學(xué)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程推進(jìn)工作，確保橋梁荷載與安全耐久要求之間的適配性。在施工單位參照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建設(shè)的過程當(dāng)中要做好橋梁梁體的防水防裂工作，所使用的建材和零件必須要滿足設(shè)計(jì)方案的要求，避免因管理不當(dāng)而留存質(zhì)量隱患。