市政道橋設(shè)計中存在問題與改進措施研究

吳思凱

(湛江市規(guī)劃勘測設(shè)計院，廣東 湛江 524002)

0 引 言

當前在經(jīng)濟技術(shù)與交通運輸技術(shù)快速發(fā)展的趨勢下，市政道橋的數(shù)量越來越多，種類越來越豐富，道橋建筑規(guī)模也日益增大。市政道橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜，在質(zhì)量與使用性能中存在一定不足[1]?；诖耍疚膶κ姓罉蛟O(shè)計中存在的問題與不足進行了分析，并提出了相應(yīng)的改進措施，為我國市政道橋的進一步發(fā)展做出貢獻。

1 市政道橋設(shè)計中存在的問題

市政道橋設(shè)計若是不夠完善，會嚴重降低道橋的使用性能，存在較大的安全隱患[2]。目前的市政道橋設(shè)計中存在設(shè)計理念過于落后、規(guī)劃布局缺乏清晰性與合理性、設(shè)計人員專業(yè)度較低等問題?；谠O(shè)計合理性分析，有些設(shè)計人員在方案比選中，過于重視建設(shè)成本，而對后期運維管理等長期成本的重視度較低，這就降低了道橋的使用壽命[4]；在設(shè)計過程中，缺乏對使用環(huán)境、使用條件的綜合考慮與創(chuàng)新，導(dǎo)致道橋整體美觀性較差，無法符合現(xiàn)代化城市發(fā)展的高要求[5]。此外，傳統(tǒng)的道橋設(shè)計方法對于使用極限狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的疲勞性能等方面研究較少，導(dǎo)致部分道橋未達到使用年限就出現(xiàn)了性能問題[6]。

道橋設(shè)計規(guī)劃布局缺乏清晰性與合理性，包括規(guī)劃選址不夠合理與規(guī)劃針對性不夠清晰，不符合所在城市總體規(guī)劃的要求[7]。部分道橋設(shè)計沒有以當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展與交通出行的需求為主，導(dǎo)致道橋與城市用地規(guī)劃布局形成的交通運輸網(wǎng)存在一定的偏差。在道橋設(shè)計階段，未能綜合考慮建設(shè)地區(qū)的地形、水文條件、景觀配置等，無法保證道橋設(shè)計與城市環(huán)境、面貌相符，降低了城市環(huán)境的整體美觀[8]。也有一些橋梁在深化設(shè)計中忽略了對道橋走向、斷面形式的調(diào)整，降低了規(guī)劃針對性的清晰性。

道橋建設(shè)行業(yè)蓬勃發(fā)展，對相關(guān)設(shè)計人員的需求不斷增大，然而，越來越多缺乏實踐經(jīng)驗與專業(yè)技術(shù)的設(shè)計人員不斷涌入道橋建設(shè)行業(yè)，導(dǎo)致道橋建設(shè)的人才隊伍過于混亂，不利于道橋建設(shè)的發(fā)展。設(shè)計人員的專業(yè)知識與自身能力存在不足，在設(shè)計中通常只考慮道橋設(shè)計的基本安全要求，忽略了材料選擇、道橋結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計以及后期運維等問題，造成道橋耐久性較差、建設(shè)成本高，甚至存在安全隱患。

在道橋模型計算中，傳統(tǒng)的道橋設(shè)計方法缺乏對實際運營中超載情況引發(fā)的結(jié)構(gòu)疲勞損傷的計算，無法對道橋運行的交通量進行預(yù)測，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果與實際脫節(jié)情況的出現(xiàn)。部分道橋在瀝青面層設(shè)計中，瀝青鋪設(shè)的厚度設(shè)計與標準要求存在偏差，導(dǎo)致道橋后續(xù)使用階段，不能很好地吸收道橋板塊間釋放的應(yīng)力，降低了道橋瀝青路面的使用性能與使用壽命。受到反復(fù)荷載的作用，道橋的彈性模量會大幅度降低，道橋彈性模量設(shè)計不足，導(dǎo)致道橋路面會形成一些破碎的網(wǎng)裂，嚴重情況下道橋穩(wěn)定層會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

在傳統(tǒng)的道橋設(shè)計中，部分設(shè)計人員未能綜合考慮道路橋梁銜接位置的結(jié)構(gòu)物材料設(shè)計，導(dǎo)致道橋的剛度與縮脹度存在一定差異，在路基與橋臺之間出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。另一方面，市政道橋新舊路基拼接方面的設(shè)計也存在較大的缺陷，缺乏對舊路基土體固結(jié)、沉降速度、應(yīng)力釋放的綜合考量，增加了應(yīng)力釋放與應(yīng)力分布，形成一系列的路面裂縫，對市政環(huán)境造成嚴重的影響。

2 改進措施

2.1 確定市政道橋?qū)嶓w屬性

市政道橋設(shè)計由多個路段構(gòu)成，其設(shè)計、養(yǎng)護與管理的方式存在一定的不同。本文對市政道橋的層次結(jié)構(gòu)進行了劃分，構(gòu)建的道橋?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 市政道橋?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，本文針對道橋的結(jié)構(gòu)進行了劃分，包括車行道、人行道、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中，主要以道路、路段、橋梁及具體的部件為單位進行實施?；谑姓罉虻慕Y(jié)構(gòu)特點與后期運維需求，在明確道橋?qū)嶓w屬性時，應(yīng)當根據(jù)道橋?qū)嶓w的三個層次進行提取，道橋的實體組成的第一層抽象層次為道路；第二層抽象層次為橋梁；第三層抽象層次包含的實體屬性較多，為隧道、廣場以及分隔帶綠島、道路綠化帶、出租車站牌、公交車站牌、變電箱裝置、廣告燈箱、廣告牌、道路宣傳欄、自動售貨亭、報紙雜志欄、人行道樹木、大型停車場等。

為了實現(xiàn)對道橋設(shè)計的改進，首先要明確市政道橋?qū)嶓w屬性與實體之間的關(guān)系，為道橋?qū)嶓w增加屬性字段。本文對市政道路實體的等級進行劃分，劃分為4個類別：快速路、支路、主干路與次干路。針對等級劃分結(jié)果，獲取道路的長度與等級之間存在的關(guān)聯(lián)，為后續(xù)道橋改進措施的設(shè)計提供保障。

通過市政道橋?qū)嶓w屬性可知，市政道橋是由多個路段共同組成的，道橋與路段之間的實體關(guān)系為一對多的關(guān)系，不屬于某個具體路段。因此，在道橋設(shè)計改進措施中，需要全方位地考慮道橋的實體屬性。

2.2 計算道橋結(jié)構(gòu)基本特征

道橋結(jié)構(gòu)基本特征是道橋設(shè)計的重要組成部分，能夠為后續(xù)道橋性能約束條件提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。首先，分析道橋的主梁截面特性，根據(jù)主梁截面幾何特性計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力作用效應(yīng)組合。道橋結(jié)構(gòu)基本特征如圖2所示。

圖2 道橋結(jié)構(gòu)基本特征

本文依據(jù)編制力學(xué)原理，采用有限元的方式，進行道橋結(jié)構(gòu)基本特征計算。道橋結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計階段中，截面的幾何特性不同，本文將其劃分為不同的結(jié)構(gòu)階段，分別進行計算求解。市政道橋截面總面積計算公式：

An=∑Ai

(1)

道橋全截面重心至梁頂距離計算公式：

(2)

道橋分塊截面至重心軸慣性矩計算公式：

Ix=Ai(yn-yi)2

(3)

道橋截面慣性矩計算公式：

I=∑Ix+∑Ii

(4)

式中：An為道橋截面總面積；Ai為道橋結(jié)構(gòu)中各個分塊面積；yi為道橋分塊截面重心至梁頂距離；Ix為道橋截面分塊慣性矩；Ii為道橋分塊截面自身分塊重心軸慣性矩。根據(jù)上述計算公式，獲取道橋截面的幾何特性參數(shù)，采用力學(xué)函數(shù)公式，將各個特性參數(shù)進行組合求解。

依據(jù)市政道橋設(shè)計規(guī)范，在道橋設(shè)計中，應(yīng)當保障道橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性，使結(jié)構(gòu)受力公式滿足道橋抗剪承載力要求，避免結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險。設(shè)定X與Y分別表示道橋設(shè)計中未知和已知的變量參數(shù)，結(jié)合道橋結(jié)構(gòu)抗彎承載力的要求，得出道橋受彎構(gòu)件受壓區(qū)高度限制與配筋限制表達式：

(5)

u2≤u4≤u3Y5

(6)

式中：Y1為道橋混凝土抗拉強度標準值；Y3為道橋主筋強度設(shè)計值；u1為道橋受彎構(gòu)件配筋百分率；u2為道橋受壓區(qū)鋼筋重心上緣距離；u4為道橋受彎受壓區(qū)變形高度；u3為道橋截面混凝土的有效高度；Y5為道橋相對界限受壓區(qū)高度。道橋結(jié)構(gòu)除了需要滿足抗彎承載力以外，還需要滿足抗剪截面限制條件，以控制道橋截面箍筋的配筋率，表達式為：

Y6(u5+Y8)≤u6

(7)

式中：Y6為道橋結(jié)構(gòu)抗剪截面的安全性系數(shù)；Y8為車輛引起的支點剪力；u5為道橋箍筋的抗剪力；u6為道橋結(jié)構(gòu)中第一段抗剪力箍筋配筋率。

基于上述計算公式與表達式，獲取市政道橋設(shè)計的結(jié)構(gòu)基本特征以及安全性約束條件，在道橋設(shè)計改進措施中，應(yīng)當在滿足結(jié)構(gòu)特征的同時，還要符合道橋承載能力極限狀態(tài)以及抗彎與抗剪承載力的需求。

2.3 構(gòu)建市政道橋耐久性模型

道橋耐久性是提高道橋使用時間與壽命的重要指標，也是反映道橋結(jié)構(gòu)后期碳化深度與運維管理的主要形式。本文通過構(gòu)建市政道橋耐久性模型，進一步對道橋設(shè)計進行優(yōu)化改進。

首先，基于道橋設(shè)計的壽命，對混凝土橋梁的耐久性進行定量分析，設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)。結(jié)合橋梁T梁耐久性設(shè)計的計算方法，本文在耐久性模型中輸入以下參數(shù)作為耐久性的主要指標：道橋混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度、道橋使用中的碳化深度、道橋混凝土表面的抗壓強度、道橋建設(shè)環(huán)境溫度與濕度。通過模型中輸入的性能指標，實時記錄道橋物理化學(xué)反應(yīng)的變化過程，獲取道橋成分與化學(xué)性能的變化，進而掌握使用功能。相關(guān)研究表明，道橋混凝土碳化區(qū)的深度可達到鋼筋的表面，當鋼筋出現(xiàn)脫鈍現(xiàn)象時，表明此時為道橋耐久性的極限狀態(tài)，道橋耐久性的功能函數(shù)為：

s(t)=c-c0-c(t)

(8)

式中：s(t)為道橋T梁耐久性函數(shù)；c為模型中道橋保護層厚度；c0為模型中道橋碳化深度；c(t)為道橋受到應(yīng)力時的碳化深度。通過函數(shù)表達式，獲取道橋耐久性保護層的相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，基于大氣碳化環(huán)境的作用下，通過道橋結(jié)構(gòu)受彎可靠度指標與受剪可靠度指標，取標定的基準值，獲取道橋可靠度統(tǒng)計參數(shù)，見表1。

表1 市政道橋耐久性可靠度統(tǒng)計參數(shù)

在道橋設(shè)計中，綜合考慮可靠度統(tǒng)計參數(shù)的變化，完成市政道橋耐久性改進措施。分析道橋耐久性失效的主要原因，判斷車輛荷載作用與道橋截面結(jié)構(gòu)碳化作用時間之間的關(guān)系?；谛旭傑囕v的荷載作用，設(shè)計道橋后續(xù)的維護與管理方式，全方位提高我國道橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

綜上所述，本文在市政道橋設(shè)計改進措施中，在約束條件設(shè)計方面增加了道橋的耐久性設(shè)計，共同校正并修改道橋設(shè)計的不足。

3 對比分析

為了驗證本文設(shè)計的市政道橋改進措施的可行性，設(shè)計如下文所示的對比實驗。本次實驗以某地區(qū)項目建設(shè)橋梁為研究對象，該項目建設(shè)橋梁總長度為 752.03 m，橋面的整體凈寬為 2×15.35 m，橋梁整體寬度為 25.65 m，包括雙向 6 排車道，車道凈寬 2×12.35 m，邊支點及跨中梁高為 2.8 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)主要采用 25、30 m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁頂板厚度為 0.35 m，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩，整體橋梁為連續(xù)橋面結(jié)構(gòu)體系。首先，根據(jù)市政道橋設(shè)計的規(guī)范與要求，新建結(jié)構(gòu)樣板項目，調(diào)整項目單位，采用毫米為單位建立橋梁 BIM 模型，獲取橋梁構(gòu)件定位，以模型線的方式繪制橋梁中心線，如圖3所示。

圖3 橋梁中心線平面單位

如圖3所示，為本次實驗中，橋梁設(shè)計的中心線平面單位，以橋梁的起點和終點樁，作為BIM模型線的起始點。創(chuàng)建市政橋梁的箱梁族，并保存在族庫中，將道橋設(shè)計項目載入具體的箱梁族，并設(shè)置箱梁的具體參數(shù)，作為橋梁自動布置的起始參數(shù)。本次實驗的箱梁自動布置起始參數(shù)見表2。

表2 箱梁自動布置起始參數(shù)

完成上述實驗準備后，將本文設(shè)計的市政道橋改進措施應(yīng)用到實驗中，結(jié)合傳統(tǒng)的道橋設(shè)計方法，對比兩種設(shè)計方法對橋梁改進處理后橋梁的應(yīng)力值變化情況，對比結(jié)果見表3。

表3 橋梁應(yīng)力值對比結(jié)果

根據(jù)表3可知，本文提出的市政道橋改進措，對橋梁改進處理后，上下緣最大應(yīng)力值可達19.24，最小應(yīng)力值可達13.97，與采取傳統(tǒng)方法的橋梁的應(yīng)力值之間差異性較大，各項應(yīng)力值均高于傳統(tǒng)方法改進的橋梁，因此證明了本文設(shè)計的改進措施能夠有效地提高道橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

綜上所述，在我國交通運輸行業(yè)快速發(fā)展的趨勢下，道橋數(shù)量與種類越來越多，對道橋設(shè)計的標準與規(guī)范也在不斷提高。然而，現(xiàn)階段，我國部分市政道橋設(shè)計中仍然存在一定的質(zhì)量與技術(shù)問題?；诖耍疚膶Ξ斍笆姓罉虼嬖诘膯栴}與不足進行了全面的分析，并提出了相應(yīng)的改進措施。本文的研究有效地提高了道橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，改進了傳統(tǒng)道橋設(shè)計的不足，為我國市政交通的發(fā)展提供了一定的借鑒價值。