公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性設(shè)計(jì)研究

朱喜

（湘西土家族苗族自治州交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院長(zhǎng)沙分院，湖南 長(zhǎng)沙 416099）

0 引言

公路橋梁建設(shè)工程質(zhì)量應(yīng)符合質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，包括結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度、彎曲剛度、安全系數(shù)、可靠性和耐久性等方面。值得注意的是，公路橋梁工程施工受眾多條件的限制，施工難度大，應(yīng)該開(kāi)展全面的準(zhǔn)備工作，尤其是對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的合理控制，借此提升工程的安全性與耐久性。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)就需要提升總體設(shè)計(jì)質(zhì)量與水準(zhǔn)，改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與方式，在此基礎(chǔ)上做好安全、進(jìn)度與質(zhì)量管理，推動(dòng)工程建設(shè)的順利進(jìn)行。

1 公路橋梁的安全性與耐久性設(shè)計(jì)概述與基本要求

1.1 概述

建筑的安全系數(shù)與構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)等級(jí)、構(gòu)件重要系數(shù)以及構(gòu)件荷載組合有關(guān)，在開(kāi)展公路橋梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要重點(diǎn)注意構(gòu)件的彎矩剪力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和扭矩。橋梁耐久性與結(jié)構(gòu)原材料的等級(jí)、最少混凝土的強(qiáng)度級(jí)別、最大含堿量等有關(guān)，耐久性好的公路橋梁的維修次數(shù)少，使用年限長(zhǎng)。我國(guó)目前公路建設(shè)工程的總數(shù)呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大，然而一些公路橋梁在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中有關(guān)數(shù)值計(jì)算上存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致公路橋梁工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案總體質(zhì)量無(wú)法達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從而使工程項(xiàng)目投入使用后出現(xiàn)安全性與耐久性問(wèn)題。

1.2 基本要求

公路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，受地形、地質(zhì)等環(huán)境的影響，很難保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能完全適應(yīng)具體地形。為保證公路橋梁設(shè)計(jì)方案的精確性，務(wù)必綜合考慮設(shè)計(jì)過(guò)程所涉及的材料和結(jié)構(gòu)問(wèn)題，制定合理的計(jì)劃方案，保證公路橋梁安全性和耐久性。

橋梁建設(shè)環(huán)節(jié)中應(yīng)注意橋梁布置和地形地貌，保證整體設(shè)計(jì)效果，考慮到周邊住戶或其他環(huán)境對(duì)橋梁建設(shè)產(chǎn)生的影響。在公路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，明確使用地基結(jié)構(gòu)的方式，挑選節(jié)省財(cái)力物力的工程施工方案，保證后續(xù)工程施工對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)施工全面性和易用性，強(qiáng)化附屬設(shè)施鋪裝安裝特殊效應(yīng)。值得注意的是，環(huán)境因素具備難以控制的特征，因而施工隊(duì)伍應(yīng)靈活應(yīng)用先進(jìn)的施工技術(shù)，在做好安全防護(hù)的基礎(chǔ)上能積極應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。此外，可以搭配應(yīng)用有利于運(yùn)輸?shù)臋C(jī)器設(shè)備，提升公路橋梁工程質(zhì)量和設(shè)計(jì)科學(xué)性[1]。

2 公路橋梁安全性和耐久性設(shè)計(jì)問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)不完善

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中除了關(guān)注施工規(guī)范外，還要多考慮結(jié)構(gòu)的合理化、周邊原材料的品質(zhì)、后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)等，不然無(wú)法保證公路橋梁的長(zhǎng)期使用。橋梁設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用的狀況下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，主要有對(duì)結(jié)構(gòu)全面性和延展性把握不全面、測(cè)算策略和承受力線路不清楚、混凝土的強(qiáng)度等級(jí)太低、結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度過(guò)小、結(jié)構(gòu)斷面尺寸偏小等，上述問(wèn)題的存在均會(huì)降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 施工管理水平低

一般來(lái)說(shuō)，工程事故通常是野蠻施工及管理不規(guī)范所造成的。橋梁的突然破壞和塌陷，通常是工程質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)定所造成的，如材料的強(qiáng)度不夠，施工工藝不過(guò)關(guān)，橋梁材料存有以次充好、偷工減料等問(wèn)題，為橋梁安全性帶來(lái)致命的影響。與此同時(shí)，很多公路和橋梁并沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的使用年限就出現(xiàn)了損壞和老化的問(wèn)題，這也與工程施工質(zhì)量不高相關(guān)。現(xiàn)階段，施工工地經(jīng)常出現(xiàn)的保護(hù)層不夠、構(gòu)件裂開(kāi)等棘手的問(wèn)題，可能是由于采用的混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護(hù)落實(shí)不到位、預(yù)應(yīng)力不科學(xué)所造成的。這種工程施工缺陷在短期內(nèi)不會(huì)明顯影響橋梁的正常使用，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，會(huì)對(duì)橋梁工程的安全性與耐久性產(chǎn)生不良影響[2]。

2.3 預(yù)應(yīng)力損失

管道壁和預(yù)應(yīng)力間的相互摩擦，臺(tái)座間產(chǎn)生了應(yīng)力松弛，而溫度差也產(chǎn)生了應(yīng)力破壞。公路施工過(guò)程中所使用的建筑材料和錨具，會(huì)由于環(huán)境溫度、外部條件而變形和壓縮。此外，公路橋梁設(shè)計(jì)需要使用很多水泥，混凝土具有強(qiáng)彈力、高壓縮的特點(diǎn)，在收縮過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生變形問(wèn)題。

2.4 橫截抗裂性能較差

預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件影響時(shí)，在各種級(jí)別抗震特性的共同影響下作用在整個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，并隨著短期效應(yīng)組合的配合應(yīng)用，使混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生正截面拉應(yīng)力的情況，部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)超過(guò)了極限應(yīng)力值。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于公路橋跨度較大，且總體結(jié)構(gòu)重力較高，為了按照結(jié)構(gòu)的耐用性規(guī)定來(lái)設(shè)計(jì)，選擇了全應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

2.5 結(jié)構(gòu)擾度有待提升

公路橋梁中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的撓度值受載荷和部分應(yīng)力的共同影響。為確保公路橋梁外觀的美觀性，部分設(shè)計(jì)者制定了各種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)有考慮到以上兩種結(jié)構(gòu)撓度值因素對(duì)承受力混凝土結(jié)構(gòu)具體變動(dòng)的影響，造成混凝土往上反拱，不符公路橋面平整度規(guī)定。在后續(xù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)精確控制應(yīng)力，控制鋼筋含量，為確?？傮w安全性，選用豎向位移結(jié)構(gòu)。

2.6 公路橋梁設(shè)計(jì)市場(chǎng)發(fā)展不夠成熟

近些年，我國(guó)公路橋梁工程項(xiàng)目總數(shù)不斷增長(zhǎng)，范圍也在逐漸擴(kuò)大。為了確保公路橋梁的設(shè)計(jì)和工程質(zhì)量，市政部門務(wù)必提早做好充足的準(zhǔn)備，從城市計(jì)劃中合理布局工程項(xiàng)目。然而實(shí)際情況卻并非如此，相關(guān)部門在設(shè)計(jì)路橋項(xiàng)目時(shí)，并沒(méi)有充足搜集相關(guān)信息，為了能追趕進(jìn)度，私自分配設(shè)計(jì)人員開(kāi)展路橋區(qū)設(shè)計(jì)，通常忽視了一些細(xì)節(jié)，造成公路橋梁設(shè)計(jì)存有較大風(fēng)險(xiǎn)，不益于公路橋梁安全性和耐久性[3]。

2.7 設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)劃方案審核不嚴(yán)格

在公路橋梁建設(shè)中，設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要，各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)也應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶銐虻闹匾暋Ｒ虼?，在具體實(shí)踐中務(wù)必嚴(yán)苛審查設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)劃方案，保證公路橋梁設(shè)計(jì)品質(zhì)符合規(guī)定。審查工程圖紙和方案時(shí)，綜合考核材料的性能和公路橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比、分析與調(diào)整，持續(xù)彌補(bǔ)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)漏洞?？墒蔷途唧w審核工作來(lái)說(shuō)，一般由設(shè)計(jì)部門統(tǒng)一設(shè)計(jì)和審核，設(shè)計(jì)和審核這兩項(xiàng)任務(wù)并不是切分進(jìn)行的。這樣即便存在設(shè)計(jì)問(wèn)題，也很難被檢測(cè)出來(lái)，留下設(shè)計(jì)安全隱患。

3 公路橋梁安全性和耐久性設(shè)計(jì)措施

3.1 完善耐久性設(shè)計(jì)方案

在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，要了解耐久性的相關(guān)要求，并按照要求科學(xué)合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)?；炷潦枪窐蛄航ㄔO(shè)關(guān)鍵施工材料，確保混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特性，才能保證結(jié)構(gòu)整體的運(yùn)用特性。除此之外，在設(shè)計(jì)里還應(yīng)注意作業(yè)人員的相關(guān)操作，推動(dòng)施工的規(guī)范化進(jìn)行，簡(jiǎn)單化施工步驟，達(dá)到橋梁設(shè)計(jì)的耐久性標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 增加保護(hù)層厚度

保護(hù)層是公路橋梁結(jié)構(gòu)不可或缺的一部分，增加保護(hù)層厚度能夠減少外在因素對(duì)鋼筋材料產(chǎn)生的影響，防止浸濕，有益于混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期應(yīng)用，是提升整體結(jié)構(gòu)耐久性的重要方式?？p隙也是影響公路橋梁耐久性的關(guān)鍵因素之一。要針對(duì)縫隙進(jìn)行合理處置，確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性[4]。

3.3 有效設(shè)計(jì)防水層

混凝土材料類型繁多，不同工程施工質(zhì)量要求不同，混凝土材料的選擇也存在一定的差異。對(duì)于鋪裝而言，必須采用密度高的混凝土材料。在鋪裝環(huán)節(jié)中，務(wù)必鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。與此同時(shí)應(yīng)當(dāng)束縛混凝土材料，防止裂開(kāi)。防水設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)注意建筑材料的防潮效果，可以選用復(fù)合纖維混凝土在屋頂開(kāi)展設(shè)計(jì)。不同位置的施工標(biāo)準(zhǔn)不一樣，防水層的設(shè)計(jì)也有一定的差別，但總體防水效果應(yīng)當(dāng)滿足要求。除此之外，還應(yīng)設(shè)排水管道，確保給排水工程的合理化，在存水過(guò)多時(shí)可立即排出。

3.4 重視路橋超載問(wèn)題

汽車超載嚴(yán)重影響公路橋梁的使用壽命，造成公路橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，維護(hù)保養(yǎng)難度加大。超載嚴(yán)重的話，公路橋梁結(jié)構(gòu)還會(huì)被破壞，行車中很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，需要重視公路橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中考慮到這些因素，針對(duì)性地加以控制，提升設(shè)計(jì)效果。

3.5 借鑒優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

我國(guó)目前公路橋梁設(shè)計(jì)上存在許多問(wèn)題，使用體驗(yàn)和穩(wěn)定性無(wú)法得到保障。管理能力低、工程質(zhì)量差是導(dǎo)致這種情況的重要原因，各種問(wèn)題難以在短期內(nèi)有所改善。這就需要設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)中要了解各個(gè)階段的細(xì)節(jié)，把握工程材料質(zhì)量以及技術(shù)，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)各種工程施工方案，挑選比較適合公路橋梁工程的施工方案，保證公路橋梁工程質(zhì)量達(dá)到對(duì)應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 提升公路橋梁抗震性

先從抗震等級(jí)的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)考慮，融合對(duì)應(yīng)措施確保結(jié)構(gòu)安全性，隨后從總體上開(kāi)展設(shè)計(jì)?？紤]到測(cè)算剖析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)型號(hào)選擇，盡量采用連續(xù)梁，以3～4 孔為最佳橋聯(lián)長(zhǎng)，設(shè)置多個(gè)制動(dòng)橋墩。其有助于分散梁橋的震害壓力，增強(qiáng)制動(dòng)墩作用，增加中小跨距離，減少大跨徑，實(shí)現(xiàn)了山區(qū)地帶的橋梁“大震不倒、中震可修、小震不壞”。

3.7 重視疲勞損傷設(shè)計(jì)

實(shí)際工作中，由于公路橋梁結(jié)構(gòu)受到載荷的長(zhǎng)期循環(huán)變化應(yīng)力，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。受到長(zhǎng)期的影響后，橋梁結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生疲勞破壞，當(dāng)橋梁磨損面積累到一定范圍時(shí)，橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)也易產(chǎn)生裂紋。公路橋梁建設(shè)初期疲勞對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用較強(qiáng)，會(huì)造成嚴(yán)重后果。因而，應(yīng)注意疲勞損傷問(wèn)題，采取措施降低其負(fù)面影響。

3.8 提升載荷承受能力

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，作為公路橋梁關(guān)鍵客戶的物流行業(yè)面臨非常大的經(jīng)營(yíng)壓力，汽車超載問(wèn)題更加明顯。針對(duì)該短板問(wèn)題，一方面要調(diào)節(jié)地市政府的宣傳政策，提升相關(guān)執(zhí)法部門的定期檢查改正；另一方面需在公路橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)盡早抵制超重問(wèn)題，采用各種對(duì)策不斷提升公路橋梁承重壓力水平，最大程度地增加公路橋梁使用壽命并提升運(yùn)行效率，井然有序地開(kāi)展各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。

3.9 橋梁耐久性設(shè)計(jì)

完美的公路橋梁設(shè)計(jì)算得上是確?？煽啃院湍途眯缘囊粋€(gè)重要的方式。因而，在具體公路橋梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，需要綜合考慮各種影響因素，保證各設(shè)計(jì)階段切合實(shí)際狀況，從而確保道路安全性。伴隨著社會(huì)的進(jìn)步，橋梁工程施工常用材料的選擇愈來(lái)愈多元化，但實(shí)際上橋梁工程施工常用材料不可避免會(huì)有形變和特性衰退問(wèn)題，特別是行車壓力與日俱增，導(dǎo)致公路橋梁耐久性慢慢降低。因而要想增加公路橋梁使用壽命，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意材料的耐久性。依據(jù)常用材料的特性設(shè)計(jì)科學(xué)合理的橋梁結(jié)構(gòu)。如公路橋梁建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用數(shù)量最多的就是混凝土結(jié)構(gòu)，為了防止其形變所引起的橋梁結(jié)構(gòu)問(wèn)題，必須在設(shè)計(jì)前期對(duì)材料進(jìn)行全方位檢測(cè)。挑選質(zhì)量過(guò)關(guān)的建筑材料，能夠從源頭上為公路橋梁安全性和耐久性打下基礎(chǔ)[5]。

3.10 樁基設(shè)計(jì)

樁基設(shè)計(jì)是否可行合理直接關(guān)系公路橋梁的建設(shè)工期和品質(zhì)。這就要求設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)階段綜合考慮公路橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取措施進(jìn)行處理以保證橋梁樁基穩(wěn)定性、安全性。相對(duì)而言橋梁的載荷非常大，不僅要仔細(xì)比對(duì)施工場(chǎng)地的地質(zhì)主要參數(shù)，還需要明確實(shí)際單樁承載力，并依據(jù)樁基具體承載力設(shè)計(jì)施工方案。此外，樁基工程完工后，應(yīng)科學(xué)開(kāi)展靜載荷試驗(yàn)，以保證施工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，公路橋梁的應(yīng)用性能指標(biāo)會(huì)嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)收益，并且對(duì)社會(huì)的發(fā)展有較大影響。為了保證公路橋梁安全、穩(wěn)定，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量也是建設(shè)工程中的重要環(huán)節(jié)。需要結(jié)合公路橋梁運(yùn)用現(xiàn)況，改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念與方式，參考國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提升公路橋梁設(shè)計(jì)水平。嚴(yán)格規(guī)范公路橋梁設(shè)計(jì)人員的技術(shù)，加強(qiáng)工程各施工環(huán)節(jié)管理，確保設(shè)計(jì)工作合理化和公路橋梁整體結(jié)構(gòu)品質(zhì)。