公路橋梁安全性和耐久性設(shè)計(jì)研究

徐遠(yuǎn)賀

（江西贛北公路勘察設(shè)計(jì)院，江西九江 332000）

0 引言

公路橋梁的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)嚴(yán)重影響其耐久性與安全性。隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，公路橋梁的荷載量顯著提升，公路橋梁結(jié)構(gòu)破損時(shí)有發(fā)生，提高了安全事故的發(fā)生概率。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是提升公路橋梁安全性與耐久性最有效的措施，能夠大幅度延長(zhǎng)公路橋梁的使用壽命，使公路橋梁具有較強(qiáng)的抗破損能力，避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。

1 轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念

1.1 借鑒公路橋梁設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)

公路橋梁的安全性與耐久性在早期設(shè)計(jì)工作中并未受到重視，設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念較為陳舊，因此在公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重視轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念，借鑒成功經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解國(guó)內(nèi)外公路橋梁設(shè)計(jì)的成功案例，分析其設(shè)計(jì)方案中用于提升安全性與耐久性的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，深入學(xué)習(xí)其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，并在公路橋梁設(shè)計(jì)工作中貫徹該理念，將安全性與耐久性作為設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家公路橋梁建設(shè)項(xiàng)目發(fā)展時(shí)間早，研究安全性與耐久性設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，已積累了較多的成功經(jīng)驗(yàn)，吸取這些國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)有助于快速轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念。發(fā)達(dá)國(guó)家的公路橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)計(jì)人員可研究其安全性與耐久性?xún)?yōu)勢(shì)，借鑒其成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1.2 明確設(shè)計(jì)規(guī)范

公路橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范是設(shè)計(jì)方案的最低標(biāo)準(zhǔn)，為保證設(shè)計(jì)人員的工作成果滿足公路橋梁建設(shè)需求，在轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念前應(yīng)明確我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范。規(guī)范內(nèi)容如下所述：第一，公路橋梁設(shè)計(jì)方案的使用壽命為100年，設(shè)計(jì)人員需按照公路橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)需要在一定范圍內(nèi)合理調(diào)整使用壽命。第二，公路橋梁設(shè)計(jì)方案的支座形式需依據(jù)公路橋梁的壓力確定，壓力在300t 以下盡量使用板式支座，壓力在300～800t 之間優(yōu)先考慮球型支座。第三，在設(shè)計(jì)方案中，公路橋梁搭板的厚度需高于250mm，長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)5m。第四，遵守公路橋梁的縱坡設(shè)計(jì)規(guī)范，橋上縱坡小于4%，橋頭引道縱坡小于5%，保證公路橋梁縱坡與路線布設(shè)相互協(xié)調(diào)。第五，在公路橋梁設(shè)計(jì)中，應(yīng)包含排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與防水層設(shè)計(jì)，減少水分對(duì)公路橋梁安全性與耐久性的影響。第六，在一級(jí)公路橋梁設(shè)計(jì)中，瀝青混凝土鋪裝厚度應(yīng)大于70mm，二級(jí)及二級(jí)以下公路橋梁鋪裝厚度大于50mm。

1.3 了解公路橋梁工程的現(xiàn)場(chǎng)情況

為提升公路橋梁設(shè)計(jì)方案的安全性與耐久性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入了解公路橋梁建設(shè)位置的實(shí)際情況，依據(jù)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，調(diào)整設(shè)計(jì)方案，提升公路橋梁設(shè)計(jì)方案的實(shí)際可行性，為公路橋梁建設(shè)提供具有較強(qiáng)安全性與耐久性的設(shè)計(jì)方案。

首先，設(shè)計(jì)人員應(yīng)明確影響公路橋梁設(shè)計(jì)的外界因素，識(shí)別影響安全性與耐久性的外部條件，將解決外部隱患作為設(shè)計(jì)工作開(kāi)展的基礎(chǔ)。

其次，與公路橋梁項(xiàng)目管理人員保持緊密聯(lián)系，掌握公路橋梁項(xiàng)目需具備的功能與質(zhì)量，形成書(shū)面材料用于設(shè)計(jì)工作開(kāi)展，制定公路橋梁設(shè)計(jì)工作的目標(biāo)。

最后，借助現(xiàn)代化先進(jìn)設(shè)備對(duì)公路橋梁建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè)，詳細(xì)記錄現(xiàn)場(chǎng)情況勘測(cè)結(jié)果，綜合考慮工程項(xiàng)目的建設(shè)需求與外部環(huán)境，確定公路橋梁的設(shè)計(jì)方向，為安全性與耐久性設(shè)計(jì)工作開(kāi)展提供參考資料。

2 增加保護(hù)層厚度

2.1 明確保護(hù)層厚度的規(guī)定

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度時(shí)，應(yīng)重視研究公路橋梁保護(hù)層的厚度規(guī)定，明確公路橋梁不同結(jié)構(gòu)的最小保護(hù)層厚度，以此為基礎(chǔ)合理增加保護(hù)層的厚度，提升公路橋梁的安全性與耐久性，使用年限為100年的公路橋梁保護(hù)層設(shè)計(jì)最小厚度規(guī)范見(jiàn)表1，使用年限在50年以下的公路橋梁保護(hù)層最小厚度為表1 中數(shù)據(jù)的0.7 倍。在增加公路橋梁保護(hù)層厚度時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意保護(hù)層材料強(qiáng)度對(duì)保護(hù)層厚度的影響，當(dāng)所用保護(hù)層材料強(qiáng)度小于C25，應(yīng)在規(guī)定基礎(chǔ)上增加5mm，強(qiáng)度等級(jí)C25 代表材料抗壓強(qiáng)度在25～30MPa 之間。除此之外，在設(shè)計(jì)公路橋梁保護(hù)層厚度時(shí)可增設(shè)基礎(chǔ)墊層，增設(shè)墊層后，保護(hù)層厚度從墊層上表面開(kāi)始計(jì)算，一般厚度不應(yīng)小于40mm。公路橋梁保護(hù)層最小厚度與保護(hù)層材料強(qiáng)度關(guān)系緊密，設(shè)計(jì)人員在確定保護(hù)層厚度時(shí)，需結(jié)合材料性能合理調(diào)整保護(hù)層的厚度范圍。

表1 保護(hù)層最小厚度

2.2 制定保護(hù)層的控制措施

為使設(shè)計(jì)方案中保護(hù)層厚度在實(shí)際施工中不受影響，設(shè)計(jì)人員需制定控制保護(hù)層厚度的措施，充分發(fā)揮保護(hù)層設(shè)計(jì)方案在提升公路橋梁安全性與耐久性設(shè)計(jì)中的作用。保護(hù)層厚度控制措施如下所述：第一，按照公路橋梁質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置合理的厚度偏差范圍，保護(hù)層厚度允許偏差范圍為5mm 之內(nèi)。第二，按照公路橋梁保護(hù)層設(shè)計(jì)需求，加強(qiáng)施工人員培訓(xùn)力度，提升施工位置的準(zhǔn)確性，有效控制公路橋梁保護(hù)層的厚度在合理范圍內(nèi)。第三，在設(shè)計(jì)方案時(shí)，規(guī)范施工所用設(shè)備，保證設(shè)備的性能符合公路橋梁施工的精度要求，使公路橋梁的保護(hù)層厚度與設(shè)計(jì)方案相符，充分發(fā)揮自身的保護(hù)作用，體現(xiàn)公路橋梁設(shè)計(jì)的安全性與耐久性原則。第四，規(guī)范保護(hù)層材料振搗的技術(shù)要點(diǎn)，振搗棒的落點(diǎn)位置需控制在距離鋼筋10～15cm 位置范圍內(nèi)。

3 注重材料的選擇

3.1 確定材料目標(biāo)

材料的選擇直接影響設(shè)計(jì)的結(jié)果，為保證公路橋梁設(shè)計(jì)方案的安全性與耐久性，設(shè)計(jì)人員需按照工程要求合理選擇施工材料。第一，混凝土的選擇?；炷潦枪窐蛄菏┕さ闹饕牧希O(shè)計(jì)人員在開(kāi)展設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)對(duì)混凝土的性能進(jìn)行規(guī)范，根據(jù)工程的建設(shè)需要確定混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、水灰比等指標(biāo)，避免混凝土性能不達(dá)標(biāo)影響設(shè)計(jì)方案的實(shí)際應(yīng)用效果。第二，鋼筋的選擇。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確定公路橋梁項(xiàng)目對(duì)鋼筋的強(qiáng)度需求，合理選擇性能與尺寸合適的鋼筋，避免設(shè)計(jì)方案在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，影響公路橋梁的安全性與耐久性。

3.2 混凝土性能選擇

混凝土材料的選擇是設(shè)計(jì)過(guò)程中材料選擇工作的重點(diǎn)，所選混凝土的性能直接決定設(shè)計(jì)方案的可行性。在選擇混凝土?xí)r需遵循以下原則：

第一，計(jì)算公路橋梁項(xiàng)目對(duì)混凝土強(qiáng)度的需求，按照下述公式計(jì)算混凝土所需抗壓強(qiáng)度：

式（1）中：k 為公路橋梁需承受的破壞荷載力；s 為公路橋梁的受壓面積；得出的抗壓強(qiáng)度值應(yīng)精確到0.1MPa。

第二，制定材料性能選擇標(biāo)準(zhǔn)后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)要求施工人員按照設(shè)計(jì)方案制作樣本，檢驗(yàn)混凝土的真實(shí)抗壓強(qiáng)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土材料性能標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題，快速調(diào)整設(shè)計(jì)方案，保證公路橋梁的安全性與耐久性。

第三，檢驗(yàn)混凝土的抗碳化能力，混凝土碳化現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)式為：

設(shè)計(jì)人員應(yīng)明確混凝土的成分含量與酸堿性，科學(xué)規(guī)定公路橋梁項(xiàng)目混凝土材料的穩(wěn)定性。以混凝土為主要材料的公路橋梁占我國(guó)橋梁總數(shù)的90%以上，因此選擇高質(zhì)量的混凝土是設(shè)計(jì)人員的主要工作任務(wù)，設(shè)計(jì)人員務(wù)必按照設(shè)計(jì)要求制定材料選購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為完成高質(zhì)量公路橋梁設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，提升公路橋梁設(shè)計(jì)方案的安全性與耐久性。

4 重視公路橋梁疲勞計(jì)算

4.1 明確公路橋梁的外力荷載因素

識(shí)別公路橋梁的外力荷載因素是計(jì)算公路橋梁疲勞值的前提條件，而外力荷載量也是影響公路橋梁安全性與耐久性的首要因素。造成公路橋梁疲勞的主要原因有以下幾種，設(shè)計(jì)人員需精確掌握并以此為基礎(chǔ)完成公路橋梁設(shè)計(jì)工作。第一，公路橋梁設(shè)計(jì)方案的荷載量極限值小于公路橋梁實(shí)際荷載量，使設(shè)計(jì)的公路橋梁長(zhǎng)期處于超載狀態(tài)，設(shè)計(jì)方案不符合實(shí)際情況，影響公路橋梁設(shè)計(jì)的安全性與耐久性。第二，車(chē)輛是公路橋梁受到的主要外力，因此設(shè)計(jì)人員在計(jì)算公路橋梁疲勞值之前，應(yīng)調(diào)查公路橋梁建設(shè)路段的車(chē)流量，保證公路橋梁設(shè)計(jì)方案的極限荷載量高于實(shí)際車(chē)流量的10%。第三，公路橋梁實(shí)際使用會(huì)對(duì)荷載能力造成不良影響，因此在設(shè)計(jì)公路橋梁荷載能力時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)置的數(shù)值，延長(zhǎng)公路橋梁的使用壽命。

4.2 計(jì)算應(yīng)力幅與應(yīng)力范圍

計(jì)算公路橋梁的應(yīng)力幅與應(yīng)力范圍是優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提條件。設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照計(jì)算結(jié)果開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，提升公路橋梁的抗壓強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)安全性與耐久性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員需按照下述公式計(jì)算公路橋梁的應(yīng)力幅：

按照公式（4）能夠計(jì)算得出公路橋梁應(yīng)力平均值，確定公路橋梁所受壓力的基本情況，而后按照公式（5）計(jì)算應(yīng)力波動(dòng)范圍：

以此為基礎(chǔ)確定公路橋梁抗壓強(qiáng)度的極限值，使公路橋梁的設(shè)計(jì)方案可承載公路橋梁的實(shí)際外力，具有較強(qiáng)的安全性與耐久性。據(jù)調(diào)查顯示，公路橋梁抗壓強(qiáng)度的降低主要原因?yàn)椴考睦匣捎诮饘俨考?dǎo)致公路橋梁抗壓能力下滑的概率占90%以上。因此，設(shè)計(jì)人員在獲取應(yīng)力計(jì)算結(jié)果后，應(yīng)按照實(shí)際設(shè)計(jì)需要強(qiáng)化公路橋梁金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減緩部件老化與磨損的速度，有效增強(qiáng)公路橋梁的耐久性。

5 提升設(shè)計(jì)人員素養(yǎng)

5.1 加大培訓(xùn)力度

設(shè)計(jì)人員的素養(yǎng)對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量具有決定性作用，因此提升公路橋梁安全性與耐久性的同時(shí)應(yīng)加大設(shè)計(jì)人員的培訓(xùn)力度，提升設(shè)計(jì)人員的業(yè)務(wù)能力。加大培訓(xùn)力度的方式如下所述：第一，邀請(qǐng)領(lǐng)域內(nèi)優(yōu)秀人士與專(zhuān)家召開(kāi)講座，組織公路橋梁設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，了解領(lǐng)域前沿設(shè)計(jì)思想和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提升自身的設(shè)計(jì)能力。第二，完善設(shè)計(jì)人員考核制度，建立與培訓(xùn)工作相匹配的考核方式與考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)培訓(xùn)工作開(kāi)展效果進(jìn)行驗(yàn)收，及時(shí)發(fā)現(xiàn)培訓(xùn)工作中存在的問(wèn)題，調(diào)整培訓(xùn)方式與培訓(xùn)內(nèi)容，充分發(fā)揮培訓(xùn)對(duì)提升設(shè)計(jì)人員綜合素質(zhì)的作用。第三，將考核結(jié)果與設(shè)計(jì)人員薪資待遇相聯(lián)系，引起設(shè)計(jì)人員對(duì)培訓(xùn)工作的重視，積極參與培訓(xùn)，不斷提升自身設(shè)計(jì)水平，保證公路橋梁設(shè)計(jì)方案的安全性與耐久性。第四，設(shè)置專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)培訓(xùn)檢查的督導(dǎo)小組，保證培訓(xùn)制度的落實(shí)效果，打造高水平的公路橋梁設(shè)計(jì)人才隊(duì)伍。

5.2 構(gòu)建設(shè)計(jì)理論體系

設(shè)計(jì)人員所掌握設(shè)計(jì)理論體系結(jié)構(gòu)影響公路橋梁設(shè)計(jì)工作的結(jié)果。隨著公路橋梁設(shè)計(jì)理念的改革，相關(guān)部門(mén)應(yīng)幫助設(shè)計(jì)人員建立全新的理論體系，使設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平滿足公路橋梁的安全性與耐久性需求。首先，將安全性與耐久性作為公路橋梁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)原則，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中重視設(shè)計(jì)方案的安全性與耐久性，科學(xué)設(shè)置設(shè)計(jì)方案的各項(xiàng)參數(shù)，形成與公路橋梁建設(shè)需求相符合的工作模式。其次，將信息技術(shù)引入公路橋梁設(shè)計(jì)工作，借助信息技術(shù)的計(jì)算優(yōu)勢(shì)提升設(shè)計(jì)工作計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證公路橋梁設(shè)計(jì)方案的各項(xiàng)參數(shù)滿足公路橋梁的實(shí)際運(yùn)行需求，使公路橋梁的安全性與耐久性得到保證，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行并為安全出行創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

5.3 完善人員管理制度

公路橋梁建設(shè)相關(guān)部門(mén)應(yīng)建立完善的設(shè)計(jì)人員管理機(jī)制，創(chuàng)新設(shè)計(jì)人員的組織結(jié)構(gòu)，清晰劃分設(shè)計(jì)人員在公路橋梁設(shè)計(jì)工作中承擔(dān)的責(zé)任。管理制度應(yīng)包含以下內(nèi)容：第一，規(guī)范設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展流程與開(kāi)展目標(biāo)，將公路橋梁的安全性與耐久性作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，強(qiáng)化公路橋梁設(shè)計(jì)工作的實(shí)用性。第二，結(jié)合設(shè)計(jì)理念改革后的工作需求調(diào)整設(shè)計(jì)人員的組織結(jié)構(gòu)，建立適用于公路橋梁設(shè)計(jì)工作開(kāi)展的管理層級(jí)，明確劃分各個(gè)設(shè)計(jì)人員的工作職責(zé)。安全性與耐久性強(qiáng)的公路橋梁設(shè)計(jì)工作包含的工作內(nèi)容多且設(shè)計(jì)難度大，增強(qiáng)人員管理力度至關(guān)重要，為保證設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量，精確劃分設(shè)計(jì)人員的責(zé)任范圍成為設(shè)計(jì)工作發(fā)展的必然結(jié)果，該管理制度下設(shè)計(jì)人員可針對(duì)性提升自身的工作能力，全面提高公路橋梁設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段可采用多種方式提升公路橋梁的安全性與耐久性，不斷研究影響安全性與耐久性的因素，積極采取措施調(diào)整公路橋梁設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)工作開(kāi)展中，重視檢查設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，確保公路橋梁的設(shè)計(jì)成果滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的安全性與耐久性，可用于公路橋梁建設(shè)，能夠承受建設(shè)位置的實(shí)際荷載量。