公路橋梁設(shè)計的安全性和耐久性研究

周龍

（江西省交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

0 引言

伴隨著現(xiàn)階段我國機(jī)動車輛總數(shù)的不斷提升，保證人民群眾的出行安全成為重中之重。針對此種情況，在公路橋梁工程設(shè)計的過程中，需要對耐久性以及安全性設(shè)計提起重視，保障公路橋梁的建設(shè)質(zhì)量，為人民群眾的安全出行奠定基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)公路橋梁設(shè)計中的安全性、耐久性解析

近幾年來，隨著公路橋梁建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大、數(shù)量的增長，出現(xiàn)了不同類型的安全事故，造成不同程度的損失。實踐調(diào)查表明，公路橋梁工程會在施工和后續(xù)投入使用期間出現(xiàn)坍塌事故，主要原因在于前期橋梁設(shè)計不科學(xué)不合理，或是施工期間沒能按照相關(guān)規(guī)定施工。主要體現(xiàn)在公路橋梁設(shè)計期間，設(shè)計工作人員沒能提起重視，忽略綜合因素的考慮，在后續(xù)的計算和核算過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，間接導(dǎo)致后續(xù)公路橋梁使用壽命降低，引發(fā)坍塌事故。不難看出，隨著公路橋梁工程安全事故頻發(fā)，人們開始重視公路橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性設(shè)計。

2 公路橋梁安全性與耐久性的影響因素

首先，就一般情況而言，在公路橋梁設(shè)計完成之后需要設(shè)置試驗室，進(jìn)行模型的構(gòu)建，對其安全性以及耐久性進(jìn)行測試，并且在測試的過程中不斷地對設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，重視技術(shù)可行性、成本控制的綜合考量，使最終的設(shè)計方案滿足我國現(xiàn)行的公路橋梁的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。但從實際情況來看，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，施工條件較差并且地形復(fù)雜，對公路橋梁施工產(chǎn)生影響的因素非常多，這就導(dǎo)致公路橋梁在設(shè)計的過程中需要考慮的因素較多，橋梁設(shè)計的整體方案以及結(jié)構(gòu)不夠靈活。很多工作人員套用單一設(shè)計模式，沒有根據(jù)實際情況進(jìn)行靈活的設(shè)計，批量化的設(shè)計導(dǎo)致很多橋梁或公路的結(jié)構(gòu)并不適合施工區(qū)域的地形。其次，公路橋梁的設(shè)計方案重視安全性設(shè)計，卻忽略耐久性這一因素。雖然已根據(jù)安全性的需要進(jìn)行材料以及結(jié)構(gòu)的選擇，但沒有考慮后續(xù)使用可能對耐久性產(chǎn)生干擾的因素，導(dǎo)致橋梁的整體耐久性下降。最后，在公路橋梁實際使用的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)大負(fù)載車輛通過的情況，這會大大降低公路橋梁使用的耐久性，使其無法達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

3 公路橋梁設(shè)計的安全性和耐久性研究

3.1 轉(zhuǎn)變設(shè)計理念

在設(shè)計工作開展的過程中，應(yīng)當(dāng)充分吸取國內(nèi)外成功案例的設(shè)計模式以及設(shè)計理念，不斷更新施工技術(shù)、擴(kuò)大施工工藝的儲備，擴(kuò)展設(shè)計思路。在進(jìn)行設(shè)計工作之前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行充分的調(diào)查，加強(qiáng)對地質(zhì)的勘察與地形的分析、數(shù)據(jù)的記錄及研究工作。根據(jù)公路橋梁建設(shè)地區(qū)的實際環(huán)境以及建設(shè)條件，分析對施工可能產(chǎn)生影響的因素，由此針對性地選取公路橋梁的結(jié)構(gòu)、材料、工藝等。在設(shè)計階段開展質(zhì)量管理模式的設(shè)計工作，加強(qiáng)對施工要點的控制。在設(shè)計完成之后與施工部門開展充分的交底工作，施工期間如果出現(xiàn)問題需要重新進(jìn)行設(shè)計，保證設(shè)計的耐久性以及安全性。

3.2 綜合考量對耐久性產(chǎn)生影響的因素

工作人員在公路橋梁耐久性設(shè)計工作開展期間，要具有以施工工藝和材料標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)針對性強(qiáng)化耐久性方案的意識，以此展開綜合考量，以公路橋梁的總體結(jié)構(gòu)作為切入點，定位其中容易被忽略的位置和環(huán)節(jié)。通過綜合的分析，準(zhǔn)確預(yù)判公路橋梁后期養(yǎng)護(hù)過程中可能遇到的問題或者故障，并在公路橋梁的養(yǎng)護(hù)方案中指明上述問題的具體處理方式，作為評價公路橋梁安全耐用性的重要依據(jù)。在公路橋梁設(shè)計過程中，盡可能全面考慮使用過程中可能遇到的問題，按部就班地開展后續(xù)維修、維護(hù)、施工管理等工作。以保證公路橋梁的應(yīng)用性能為前提，結(jié)合公路橋梁應(yīng)用的多方面需求，及時定位并處理公路橋梁應(yīng)用中可能發(fā)生的問題。結(jié)合國家針對公路橋梁頒布的各類標(biāo)準(zhǔn)，以建設(shè)規(guī)范為基礎(chǔ)，應(yīng)用不同類型的新技術(shù)，可以滿足后續(xù)維修、保養(yǎng)、檢測、加固等多方面的需求，避免對后續(xù)的使用質(zhì)量和效果產(chǎn)生不利影響。此外，還要具有綜合評估橋梁承受災(zāi)害危險的能力，也就是明確公路橋梁實際的承載力，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的災(zāi)害適應(yīng)性能，達(dá)到延長橋梁使用壽命的效果。

3.3 適當(dāng)增加混凝土層的保護(hù)厚度

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響公路橋梁的質(zhì)量。增強(qiáng)混凝土層的厚度，規(guī)范設(shè)置混凝土層的相關(guān)參數(shù)，可以對公路橋梁的鋼筋起到防護(hù)作用，最大限度地降低鋼筋遭受外部侵蝕的概率。同時產(chǎn)生一定的約束作用，避免有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。在實際使用期間，公路橋梁所處的外部環(huán)境包含較多的氯離子，附著在鋼筋材料的表面并形成保護(hù)層。通常情況下，混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)與氯離子的濃度成正比，在保護(hù)層設(shè)置階段，要考慮這一關(guān)鍵因素，確保最終的設(shè)置成果吻合實際要求，并保證擴(kuò)散效果。

3.4 提升公路橋梁截面的抗裂性能

工作人員要綜合考量截面抗震抗裂性能是否會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生限制和不利影響，結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)的裂痕狀況準(zhǔn)確分級，經(jīng)過計算與檢驗，確定公路橋梁的抗震性能是否符合要求，為公路橋梁的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。當(dāng)前對公路橋梁混凝土一般劃分為三個級別：一級要求公路橋梁施工階段不能發(fā)生裂縫，二級要求允許存在一些裂縫和非標(biāo)準(zhǔn)組合，三級要求允許存在不同影響作用下的裂縫。這就需要工作人員提起重視，保證公路橋梁的等級與應(yīng)用需求對應(yīng)。

3.5 嚴(yán)格管控公路橋梁的超載問題

需要工作人員重視以下三種情況的嚴(yán)格管控。首先，明確行駛車輛是否存在自重違規(guī)的情況。其次，車流量是否嚴(yán)重超過設(shè)計規(guī)范。最后，公路橋梁是否存在超過使用年限后仍繼續(xù)使用的情況。如果存在上述三種情況，就需要當(dāng)?shù)剀囕v管理部門提起重視，及時應(yīng)對超載現(xiàn)象對公路橋梁結(jié)構(gòu)的影響，定期落實公路橋梁內(nèi)部探傷任務(wù)，及時做好維護(hù)管理，多角度保證公路橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。全面定位公路橋梁所在環(huán)境內(nèi)的不利因素，通過行之有效的管控，保證公路橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。加大對公路橋梁材料的關(guān)注力度，通過檢測確定存在問題的公路橋梁材料，做好配套的處理補(bǔ)修工作，保證公路橋梁的應(yīng)用價值，滿足實際的應(yīng)用需求，避免出現(xiàn)更嚴(yán)重的事故。

3.6 結(jié)構(gòu)與選材

公路橋梁的設(shè)計結(jié)構(gòu)與選材都是對其安全性以及耐久性造成影響的因素，針對此種情況，在設(shè)計的過程中，工作人員應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)狀況、地形分布、降水量、氣候條件、自然侵蝕等各方面的限制性因素，合理進(jìn)行公路橋梁建設(shè)材料的選擇，并對設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。舉例來說：進(jìn)行橋梁墩施工的過程中，如果有水流經(jīng)過的情況，需對臺墩進(jìn)行鋼筋混凝土的澆灌工作，避免因為水體的腐蝕造成臺墩承載能力的下降。在材料的采購階段、入庫階段、入場階段做到嚴(yán)格的質(zhì)量控制，安排專人進(jìn)行材料的管理與檢測工作。在材料入場之前，應(yīng)當(dāng)在工地試驗室中進(jìn)行質(zhì)量檢測工作，在保證材料質(zhì)量的前提下，為公路橋梁順利應(yīng)用奠定扎實的基礎(chǔ)。

3.7 重視疲勞損傷設(shè)計

公路橋梁完成施工之后，需要對橋梁進(jìn)行疲勞測試工作，因為橋梁在使用的過程中需要面對大負(fù)荷車輛的反復(fù)碾壓，公路橋梁連接處的插板處于反復(fù)的彈性工作狀態(tài)。公路橋梁所承受到的荷載變化會直接引發(fā)自身結(jié)構(gòu)的振動，長期的使用會導(dǎo)致公路橋梁的金屬部件出現(xiàn)疲勞損傷，如果忽略后續(xù)的維護(hù)與保養(yǎng)工作，可能出現(xiàn)連接處斷裂、公路橋梁表面出現(xiàn)裂縫等各種嚴(yán)重的質(zhì)量問題，嚴(yán)重威脅過往車輛駕駛?cè)藛T的生命安全。針對此種情況，工作人員在完成設(shè)計方案之后，可以使用計算機(jī)仿真軟件對設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，不斷調(diào)整荷載重量、使用年限等數(shù)據(jù)，預(yù)估公路橋梁投入使用后是否會出現(xiàn)疲勞損傷的情況，之后對設(shè)計方案進(jìn)行針對性的優(yōu)化工作。因此，在設(shè)計公路橋梁的寬度、荷載等指標(biāo)時，應(yīng)當(dāng)結(jié)合公路橋梁所在區(qū)域的交通流量，如果公路橋梁位于交通繁忙區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)提升公路橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)，保證公路橋梁的承受能力。與此同時，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)開裂引發(fā)公路橋梁坍塌事故的主要影響因素之一包含疲勞損傷，要想避免該問題，需要應(yīng)用新型有效的解決方法。通過不同類型技術(shù)的使用，保障鋼筋結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性能滿足后續(xù)的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的強(qiáng)化混凝土技術(shù)無法達(dá)到較為理想的應(yīng)用效果，依舊存在人為損傷、材料腐蝕等問題，致使疲勞損傷逐步加劇，這就需要技術(shù)人員研究應(yīng)用技術(shù)，做好技術(shù)的革新優(yōu)化，積極應(yīng)對鋼筋疲勞損傷等問題。

3.8 防腐材料的合理應(yīng)用

在氣候條件較為惡劣的區(qū)域，公路橋梁在投入使用之后，會經(jīng)受長時間雨水的侵蝕、沙塵暴的風(fēng)蝕作用。針對此種情況，需要在設(shè)計過程中進(jìn)行防腐材料的應(yīng)用。現(xiàn)階段，環(huán)氧樹脂涂層作為一種新興的材料，能有效降低周圍環(huán)境對公路橋梁的腐蝕影響，如果能將其投入實際的施工中來，可對耐久性設(shè)計起到有效的促進(jìn)作用。公路橋梁的錨頭區(qū)是最容易出現(xiàn)腐蝕的區(qū)域，在外部環(huán)境因素的長期腐蝕下，性能逐步降低，甚至導(dǎo)致坍塌。在設(shè)計公路橋梁的錨頭時，可以在鋼筋材料外部涂抹環(huán)氧樹脂涂層，提升鋼筋材料抵御侵蝕的能力，如圖1 所示。

圖1 環(huán)氧樹脂涂層鋼筋

3.9 加強(qiáng)保護(hù)層設(shè)計

鋼筋混凝土構(gòu)件是公路橋梁保護(hù)層設(shè)計的重要關(guān)注點，應(yīng)確保鋼筋材料與外部環(huán)境絕緣，避免鋼筋材料發(fā)生碳化。一般在設(shè)計的過程中，公路橋梁鋼筋材料構(gòu)件之間的距離相當(dāng)于保護(hù)層的厚度，保護(hù)層的厚度與保護(hù)性能成正比，借助厚實的保護(hù)層，最大限度地保證鋼筋的防護(hù)效果，并為構(gòu)件的長久應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

在設(shè)計過程中需要注意，過厚的保護(hù)層不僅會降低保護(hù)效果，還會增加構(gòu)件澆灌的成本。分析主要原因為保護(hù)層厚度過大的情況下，會使鋼筋混凝土構(gòu)件受到更大的外來壓力，間接提升發(fā)生裂縫的概率，不利于維持鋼筋混凝土構(gòu)件的性能。要高度重視保護(hù)層的厚度參數(shù)，結(jié)合公路橋梁所在區(qū)域的基本特征、環(huán)境特性以及自身結(jié)構(gòu)，進(jìn)行厚度的反復(fù)試驗與修正，使其滿足施工的需要。在驗證鋼筋混凝土性能的過程中，要注意混凝土的強(qiáng)度因素，需要在配比的過程中加強(qiáng)對坍落度、強(qiáng)度的控制，避免使用低強(qiáng)度的水泥?；炷僚浔韧瓿芍?，需要快速運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，避免長時間的運輸造成混凝土強(qiáng)度下降。有條件的區(qū)域，要開展鋼筋混凝土構(gòu)件的預(yù)制工作，簡化施工工序，避免由于現(xiàn)場施工不當(dāng)導(dǎo)致的質(zhì)量問題。鋼筋保護(hù)層示意如圖2 所示。

圖2 鋼筋保護(hù)層示意圖

4 結(jié)語

綜上所述，伴隨著我國現(xiàn)階段市場化經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度的進(jìn)一步加快，公路橋梁在基礎(chǔ)交通系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要，良好的公路橋梁能為城市之間的互聯(lián)互通提供高質(zhì)量的支持。因此，需要提升公路橋梁自身的安全與耐用性能，注重先進(jìn)理念與公路橋梁設(shè)計方案的融合，真正服務(wù)于交通體系的建設(shè)，為“交通強(qiáng)國”的建設(shè)提供重要支撐，彰顯公路橋梁的價值。