公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性設(shè)計(jì)研究

高偉

（保定市保通公路勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河北保定 071000）

1 引言

某高速公路項(xiàng)目，全長(zhǎng)182 km，共設(shè)計(jì)橋梁103 座。項(xiàng)目所在位置地勢(shì)變化較大，表現(xiàn)出西北方向地勢(shì)較高、東南方向地勢(shì)較低、北部區(qū)域地勢(shì)較高、南部區(qū)域地勢(shì)較低等特點(diǎn)。地勢(shì)高差較大會(huì)增加公路橋梁的規(guī)劃難度。結(jié)合區(qū)域內(nèi)震害頻發(fā)的特點(diǎn)，需進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)，提升公路橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性。本文結(jié)合橋梁工程的設(shè)計(jì)需求，從結(jié)構(gòu)安全、耐久形兩個(gè)方面給出設(shè)計(jì)方案，保證公路橋梁項(xiàng)目的整體質(zhì)量。

2 公路橋梁整體設(shè)計(jì)思路

該項(xiàng)目所在區(qū)域地震發(fā)生頻率較高，橋梁設(shè)計(jì)位置河谷較深，山谷內(nèi)彎道數(shù)量多、地勢(shì)高差較大，初期進(jìn)行公路橋梁規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，秉承結(jié)構(gòu)安全、項(xiàng)目耐久兩個(gè)設(shè)計(jì)原則開展公路橋梁的整體設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目應(yīng)側(cè)重關(guān)注橋位的設(shè)計(jì)方案，考量結(jié)構(gòu)安全性。結(jié)合環(huán)境因素形成的限制作用，綜合選出安全性較高的位置。如果橋位地勢(shì)含不利因素，需及時(shí)給出補(bǔ)救措施，消除不利影響。同時(shí)，橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)側(cè)重落實(shí)抗震設(shè)計(jì)工作，積極采取抗震措施，切實(shí)增強(qiáng)項(xiàng)目整體的抗震效果。橋梁孔跨設(shè)計(jì)需結(jié)合橋位周邊的環(huán)境特點(diǎn)，如地勢(shì)、河床寬度等，以此保障方案的可行性。如果橋位周邊環(huán)境比較復(fù)雜、施工難度大，可采用大跨徑結(jié)構(gòu)。

3 橋梁安全性設(shè)計(jì)

3.1 選擇橋型

表1所示是按照橋長(zhǎng)劃分的橋型。本案例項(xiàng)目中多數(shù)為中橋。結(jié)合該項(xiàng)目的橋梁結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)要求以及JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，抗震設(shè)防類別為B 類。

表1 按橋長(zhǎng)劃分的橋型

參照項(xiàng)目所在區(qū)域的震害特征、周邊路網(wǎng)防震的設(shè)計(jì)實(shí)況，需采取多種措施綜合防控，以此保障橋梁結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。橋型選擇期間，參照項(xiàng)目所在區(qū)域往期的震害資料可知，震害中橋梁受損嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)大多為落梁，此種梁型中下部分的受損量較小，修復(fù)工作簡(jiǎn)單，并且各類公路橋梁中，中橋、小橋均表現(xiàn)出橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、橋梁剛性較高、橋梁質(zhì)地均衡、工程操作方法簡(jiǎn)單、工程造價(jià)較少等特點(diǎn)。為此，選擇橋型方案時(shí)應(yīng)注意：少數(shù)位置對(duì)橋梁寬度要求較高時(shí)，可使用連續(xù)梁設(shè)計(jì)方案；斜交橋梁在地震過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大的位置偏移量，相比正交橋梁的震害表現(xiàn)更為嚴(yán)重，因此，對(duì)于斜交橋梁，需給出交錯(cuò)布孔方案，以此控制橋梁位移[1]。

3.2 支座設(shè)計(jì)

如果橋梁跨度較小、一個(gè)方向支座的水平調(diào)整量能夠滿足主梁水平溫度形變量的需求，可在兩個(gè)墩柱中設(shè)置相同的支座。如果是橫跨溝谷的簡(jiǎn)支梁，可結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)同聯(lián)橋墩高度進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，盡量減少橋墩高度差異。位置相鄰、橋梁高度差異較大的橋梁結(jié)構(gòu)，橋墩容易因?yàn)樗降卣鸩ǖ淖饔枚Х€(wěn)，破壞結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。因此，需要改變支座設(shè)計(jì)參數(shù)，增強(qiáng)橋墩、支座連接位置的整體強(qiáng)度，以此增強(qiáng)橋梁的抗震性能。

項(xiàng)目的第四區(qū)分布有V 形河道，部分橋墩高度大于40 m，橋梁聯(lián)數(shù)量大于3 聯(lián)，可將V 形孔梁結(jié)構(gòu)添加在分聯(lián)位置，形成抗震支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 V形抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在地震工況下，圖1 中的摩擦墊片會(huì)發(fā)揮作用，使蓋梁、梁體兩部分處于暫時(shí)分離狀態(tài)，以此減少橋梁結(jié)構(gòu)受到的震害作用，同時(shí)借助穩(wěn)定銷的設(shè)計(jì)，保持各類連接組件的完整性。地震停止后，各結(jié)構(gòu)可恢復(fù)為和震前一樣，以此維持橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。由此可知，圖1 的抗震設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的減振功能，可保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性。

3.3 防落梁

在該項(xiàng)目中，為了積極改善橋梁抗震性，還要有效控制梁體結(jié)構(gòu)位置移動(dòng)問(wèn)題，從而減少落梁發(fā)生的地震損壞。梁體限位措施如下：（1）梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度主要參考蓋梁頂層的寬度有效值；（2）對(duì)于簡(jiǎn)支T 梁結(jié)構(gòu)，可在伸縮縫的側(cè)邊添加防落鏈；（3）箱梁、橋墩間隔位置，需增加限位設(shè)計(jì)。

3.4 其他措施

在橋臺(tái)、橋墩等位置可使用防震擋塊，如橡膠墊塊，增加抗震緩沖空間，提高抗震性能。如果河岸區(qū)域地質(zhì)條件表現(xiàn)出軟弱黏性、失穩(wěn)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，需增加孔跨長(zhǎng)度，合理確定橋墩及橋臺(tái)的位置，以此增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。橋臺(tái)位置使用抗震性能較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，合理調(diào)整橋臺(tái)高度，以此控制動(dòng)土壓力對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，增強(qiáng)橋梁整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。

4 特殊位置橋梁設(shè)計(jì)

4.1 跨越橋梁設(shè)計(jì)

對(duì)于跨越河流地段的橋梁，橋梁孔位設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)項(xiàng)目所在位置的河道實(shí)況給出設(shè)計(jì)方案；對(duì)于跨越既有橋梁的橋梁，橋址區(qū)域分布有較深的泥石流溝壑，應(yīng)盡量增加跨徑，盡量采用一孔跨越的方法，增加橋梁下方凈空，使其形成安全防護(hù)結(jié)構(gòu)；針對(duì)具有潛在泥石流險(xiǎn)情的地段，需要給出必要的泥石流應(yīng)對(duì)措施，合理改造溝壑，采取添加橋墩、調(diào)整橋墩設(shè)計(jì)形式、增設(shè)抗沖擊裝置等措施，以此增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。對(duì)于活動(dòng)性較強(qiáng)的支溝，適當(dāng)添加攔擋壩，以此抵擋泥石流的沖擊作用，提升橋梁結(jié)構(gòu)的安全性[2]。

4.2 陡坡橋梁設(shè)計(jì)

陡坡區(qū)域，橋梁工程具有地勢(shì)高差大、橋墩高、工程施工困難性大等特點(diǎn)。如果挖方量較大，會(huì)影響邊坡結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。因此，采取如下措施：

1）對(duì)于路線涉及的陡峭位置，準(zhǔn)確給出豎向斷面、水平斷面等測(cè)量結(jié)果，作為工程地質(zhì)分析的關(guān)鍵資料；

2）可合理增加跨徑，控制陡坡橋梁個(gè)數(shù)，以此有效減少樁基施工對(duì)陡坡的干擾。針對(duì)柱式墩，可使用高低墩的橋墩設(shè)計(jì)形式，以此控制開挖量，各側(cè)樁頂高度應(yīng)有一定的差異，也可采取樁端相連形式，使樁基與墩柱成為一體。如果墩位較高，可使用獨(dú)柱空心墩。

5 耐久性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

提高橋梁的耐久性，主要通過(guò)使用性能優(yōu)異的施工材料實(shí)現(xiàn)，具體應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）混凝土用料主要選擇水化熱參數(shù)較小、含堿量不高、性能穩(wěn)定的水泥材料，不可選擇早強(qiáng)水泥用料。

2）摻合料配制時(shí)，可選擇粉煤灰、礦物等用料。

3）骨料選擇應(yīng)以吸水性不高、膨脹能力不強(qiáng)的用料為首選。

4）合理給出混凝土配比設(shè)計(jì)，切實(shí)增強(qiáng)用料密實(shí)性[3]。

5）裂縫控制，需參照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，盡可能地控制裂縫寬度。

6）案例項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)部分，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)板材耐久性的目標(biāo)見表2。另外，增加橋梁耐久性時(shí)，還應(yīng)以結(jié)構(gòu)優(yōu)化為首要措施，構(gòu)造方面，應(yīng)防止出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，避免結(jié)構(gòu)疲勞受損。

表2 增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)板材耐久性的處理目標(biāo)

6 耐久性設(shè)計(jì)方法

6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁項(xiàng)目正式使用后，其結(jié)構(gòu)耐久性的主要干擾條件有：車輛運(yùn)行的荷載作用、雨水沖刷等。因此，耐久性設(shè)計(jì)期間，應(yīng)加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)調(diào)整，以此減少橋梁性能受到環(huán)境因素的影響。橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)期間，可有效聯(lián)合梁體、鋪裝兩個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化橋梁整體的耐久性，使其具有較強(qiáng)的抗損傷性能，以此避免雨水滲透導(dǎo)致的材料腐蝕問(wèn)題，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的可用時(shí)間。在鋪裝間隔位置，合理添加鋼筋網(wǎng)，防止用料出現(xiàn)開裂問(wèn)題。在主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，添加排氣孔，以此提升橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部降溫能力。

6.2 抗疲勞設(shè)計(jì)

橋梁由多個(gè)結(jié)構(gòu)組成，上部組成長(zhǎng)時(shí)間承受車輛運(yùn)行的荷載的作用，會(huì)將部分荷載傳遞給下部結(jié)構(gòu)，改變橋梁結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布，此種應(yīng)力分布的動(dòng)態(tài)變化會(huì)降低橋梁結(jié)構(gòu)整體性能，甚至?xí)魅鯓蛄航Y(jié)構(gòu)的耐久性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞損傷問(wèn)題。在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性能損傷后，逐步演變成結(jié)構(gòu)裂縫，甚至?xí)D(zhuǎn)化成脆性破壞問(wèn)題。為有效控制結(jié)構(gòu)損傷問(wèn)題，應(yīng)對(duì)案例橋梁進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)。

1）選材時(shí)以優(yōu)質(zhì)用料為主，側(cè)重選擇具有抗腐蝕能力的用料。

2）以結(jié)構(gòu)安全、性能耐久為起點(diǎn)，全面落實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此防控橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷問(wèn)題。樁基、墩柱各位置均存在一定腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，此類結(jié)構(gòu)與地表水接觸，會(huì)受到水中鎂離子、氯離子的侵蝕。在耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，需增強(qiáng)用料設(shè)計(jì)，調(diào)整保護(hù)層厚度，以此達(dá)到抗腐蝕效果。

3）開展抗荷載設(shè)計(jì)，合理布置支座點(diǎn)位，以此展現(xiàn)支座功能，防止支座受到撞擊。在橋梁表層添加監(jiān)測(cè)設(shè)備，全面監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)問(wèn)題，提早排查風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)橋梁耐久性。

6.3 抗震設(shè)計(jì)

耐久性設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。橋梁下部位置的抗震設(shè)計(jì)，以增加配筋量為主要措施。橋墩、墩柱各處可增設(shè)保護(hù)構(gòu)件，達(dá)到抗震效果。在發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范的內(nèi)容進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。橋梁的抗震設(shè)計(jì)，可充分利用橋梁結(jié)構(gòu)的初期強(qiáng)度，提高橋梁結(jié)構(gòu)的延性。此種抗震設(shè)計(jì)，與強(qiáng)度設(shè)計(jì)法具有一定差別。延性抗震是選擇特定的塑性形變位置來(lái)抵消地震作用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用時(shí)間，削弱地震作用。在抗震設(shè)計(jì)期間，使用塑性形變抵消地震的慣性作用，防止橋梁結(jié)構(gòu)受損，維持橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，是耐久性設(shè)計(jì)的有效措施。

6.4 防水構(gòu)造設(shè)計(jì)

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行防排水設(shè)計(jì)，可以減少結(jié)構(gòu)滲水問(wèn)題，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性。具體可以在橋面鋪裝中鋪設(shè)防滲較強(qiáng)能力的防水層，保證防水質(zhì)量。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，項(xiàng)目所在地域表現(xiàn)出地震頻率高、地勢(shì)高差大等特點(diǎn)，需給出合理的公路橋梁規(guī)劃，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全、耐久性等設(shè)計(jì)要求，逐一給出設(shè)計(jì)方案，提升工程整體的質(zhì)量，發(fā)揮公路橋梁設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。