公路橋梁設計中的安全性和耐久性問題分析

文／龔萬明 十堰市路緯交通勘察設計有限公司 湖北十堰 442000

引言：

安全性和耐久性是公路橋梁工程設計中的關鍵內容，隨著我國交通行業(yè)快速發(fā)展，安全性和耐久性也面臨著更高的要求。在公路橋梁工程設計過程中，往往將重點放在了構件的強度或剛度方面，針對耐久性問題考慮的深度有所欠缺，對公路橋梁設計的安全性和耐久性都帶來了一定的影響，影響工程使用壽命。

1、公路橋梁設計現狀

公路橋梁設計工作直接關系著工程的整體質量。在公路橋梁結構設計中，設計內容不科學、不規(guī)范的問題一旦出現，必然會使公路橋梁安全性能或使用性能無法達到規(guī)定要求，在投入使用后存在一定的安全隱患。公路橋梁結構設計應該在掌握設計方案要點的前提下，還需要考察工程現場，梳理設計內容并編制方案，對設計方案進行審核評估。工作人員為了提高設計方案的可操作性，應該按照規(guī)范文件論證設計方案。然而，在實際工作中有不少設計人員過度依賴以往經驗，沒有落實勘察工作，收集的工程資料內容不全面，同時受到自身專業(yè)能力的限制，沒有使用科學、精準的算法，不能提高結構設計參數的準確度。設計人員不能清晰地把握公路橋梁設計要點與難點，使設計方案達不到規(guī)范標準，從而無法保障工程施工質量。設計公路橋梁的施工方案，首先要研究公路橋梁結構設計要求，分析公路橋梁耐久性設計要求，必須保證橋梁達到規(guī)定的使用壽命，擁有良好的耐久性。然而，設計人員在方案編制階段，需要在成本控制和公路橋梁耐久性問題上進行平衡，設計人員可能會側重考慮提高工程項目經濟效益，所以容易導致公路橋梁耐久性設計不合理?；蛘邔蛄航Y構強度作為設計關注重點，在施工材料性能、抗震技術、構建技術等方面關注不足。公路橋梁設計時必須綜合考慮抗震技術、構建技術，讓橋梁結構在保證耐久性的前提下，達到規(guī)定的抗震等級，保證使用壽命。

2、路橋設計中安全性和耐久性差的原因

2.1 管理水平低

我國基礎設施建設中占比最大的是公路橋梁工程，其是我國經濟發(fā)展中的核心組成部分。在公路橋梁工程建設過程中，必須嚴格按照設計規(guī)范操作，如果未遵守施工規(guī)范，會給公路橋梁工程后續(xù)使用的耐久性和安全性造成影響。在我國公路橋梁工程建設中，中堅力量為農民工，他們的操作技能較差，自身素質較低，加之缺少完善的過程管理制度，使得整個工程的管理水平普遍不高，嚴重影響公路橋梁工程后續(xù)使用的耐久性和安全性。

2.2 缺少完善的設計理論和結構構造體系

在科學技術不斷發(fā)展的過程中，設計人員要有長遠的發(fā)展眼光，不能只局限于現行的技術力量和社會環(huán)境中，應放眼全球，借鑒西方國家先進的生產技術和成功經驗，引進新材料和新技術，推動我國公路橋梁工程建設朝著更加先進的方向發(fā)展。超強的專業(yè)知識加之自身多年積累的豐富經驗，提升公路橋梁工程設計方案的可行性和合理性，使橋梁的耐久性和安全性滿足標準。大多數公路橋梁工程在設計過程中基本上能夠滿足規(guī)范標準，但是在投入使用一段時間以后，其耐久性和安全性問題就會暴露出來，給整體結構造成了致命的損傷。

2.3 截面裂縫問題

在公路橋梁設計考慮安全性的同時，需要重點考慮橋梁構件的抗裂性能。通常情況下，橋梁采用施加預應力來防止構件裂縫的產生，常見的預應力混凝土公路橋梁按預應力類型可分為：全預應力混凝土構件、部分預應力混凝土構件2種類型，全預應力混凝土構件主要是為了確保公路橋梁在頻遇組合下不會出現正截面拉應力；而部分預應力混凝土A類構件確保在頻遇組合下正截面拉應力不超過規(guī)定限值。當在相應荷載工況下，構件正截面不產生拉應力或拉應力數值不超過規(guī)定限值，確保構件截面不會產生裂縫，增加結構安全性、耐久性，設計人員必須結合公路的級別及公路橋梁的重要性、跨徑等信息，靈活確定采用哪類構件，在保證公路橋梁滿足設計要求的同時，降低工程造價，實現資源的合理應用。

2.4 預應力不足

在橋梁工程建設過程中，橋梁預應力構件需要保證足夠的應力儲備。一旦橋梁主體結構混凝土質量、預應力鋼筋張拉應力偏差以及同管道壁摩擦作用、施工階段精度控制偏差等問題出現，都會導致預應力降低或損失加大。針對應力不足的問題，必須要將公路橋梁設計與各種實際情況綜合在一起進行分析，并利用科學有效的算法來進行結構計算。設計過程中應充分考慮錨具變形、管壁摩擦系數、安裝過程中管道偏差系數、項目所在地區(qū)溫度及濕度參數等多方面因素對預應力設計的影響；在施工階段，還要按照批號來檢測進場鋼絞線，開展彈性模量實驗，在預應力張拉和采漿過程中，也一定要選用智能化設備。在橋梁工程項目建設過程中，必須要按照規(guī)范性原則來展開施工，最大限度減少預應力降低所帶來的損失，從而提高橋梁工程結構的整體安全性。

2.5 忽視安全性、耐久性設計

實施工程的重要依據之一是工程設計方案的編制，施工各個環(huán)節(jié)需按照方案中所設計的內容執(zhí)行，如果設計方案本身存在問題，忽視了安全性與耐久性的考慮，必然會將其潛在影響延伸到工程施工中，最終將潛在危害體現到公路橋梁質量問題上，甚至引起坍塌、損毀等嚴重后果。有些設計人員在設計階段缺乏對工程整體的考察和規(guī)劃，致使設計方案中缺乏工程安全性、耐久性的相關設計措施。例如，有些大橋在遭受撞擊之后出現大面積的損毀，甚至不能繼續(xù)使用，這種情況往往與公路橋梁工程的結構設計不科學存在很大關系，導致工程損毀、經濟損失以及人員傷亡等嚴重后果。

2.6 設計人員綜合素質不高

設計人員是公路橋梁設計的主體，自身綜合素質水平高低很大程度上影響著公路橋梁整體安全性和耐久性，做好設計人員的專業(yè)培訓十分必要。但從實際情況來看，目前公路橋梁設計人員的素質水平并不高，還有很大的提升空間，表現在以下幾點：一是設計人員對公路橋梁設計中的安全性和耐久性不夠重視，認知存在局限性，部分設計人員為了節(jié)約時間，加快工作進度，經常出現在未實地考察項目區(qū)域實際情況的基礎上盲目進行設計，這就導致公路橋梁設計方案在后期落實中可能存在與實地不符合的情況。即便設計速度較快，但是質量卻無法得到保障。二是設計人員專業(yè)能力較為滯后，不符合現代公路橋梁工程設計要求。部分設計人員習慣了使用CAD設計軟件，卻不懂得如何運用更加高效的BIM技術，新技術掌握程度不足，不僅導致工作效率偏低，還會影響最終公路橋梁工程的安全性和耐久性，導致使用壽命大大下降。

3、公路橋梁設計中的安全性和耐久性控制策略分析

3.1 合理選擇和配置施工材料

公路橋梁工程建設規(guī)模大，需要大量的混凝土材料，混凝土施工質量一定程度上決定了工程總體性能。所以，應加強混凝土配合比設計，選擇高質量的原材料，嚴格控制水泥、添加劑和水等各種材料用量。施工前進行工藝性試驗，分析實際結構和設計標準的差異，基于實際情況適當地優(yōu)化調整，確定最佳配合比設計?；炷聊途眯栽O計，保護鋼筋，避免鋼筋與氧氣充分接觸發(fā)生大面積銹蝕；做好混凝土養(yǎng)護和支模工作，避免混凝土出現裂縫或表面受損。另外，為了確保設計工作高質量進行，還要建立相較于完善的路橋設計體系，積極吸收和借鑒西方發(fā)達國家路橋設計體系建立經驗，契合我國公路橋梁工程建設實際情況形成更具特色的設計體系，為公路橋梁工程的耐久性和安全性提供堅實保障。

3.2 重視結構、構件的合理選型

在路橋的設計中，建議盡可能多地運用箱形截面，這種截面形式能夠有效提高整體結構的剛度，降低路橋的疲勞振動。另外，為了防止路橋出現結構性裂縫問題，可在主橋結構的垂直、水平構件上分別施加預應力，形成一個全預應力結構，從而達到控制結構形變、防止裂縫的作用。設計構件的斷面時，應適當加強混凝土棱角外觀斷面的密度與強度，同時控制混凝土骨料粒度的分布、密度以及強度，合理安排鋼筋設置間距。另外，針對橋梁結構，以通過設置具有防滲透、抗剪切與拉伸作用的防水層。需要注意的是，防水涂層與瀝青混凝土的鋪裝層之間，其附著力應高于瀝青混凝土路面與鋼筋混凝土橋之間存在的附著力，在橋面的頂面、連續(xù)梁負彎矩界面上適當設置該防水層，以達到防治水分滲透的作用，從而避免影響工程質量。

3.3 注重美觀性設計

在我國建筑行業(yè)高速發(fā)展的當下，在公路橋梁施工領域出現了很多新工藝、新技術與新材料，設計人員需要學習和了解相關內容，重新思考公路橋梁設計方式，一方面需要在新材料、新工藝的輔助下，讓工程施工達到合同提出的質量要求，另一方面要提高橋梁的觀賞性，與工程周邊的環(huán)境相適應，同時擁有美化區(qū)域的作用。因此，設計人員在設計開始前應該勘察現場，掌握周圍環(huán)境概況，關注工程周邊環(huán)境與公路橋梁工程設計的內在聯系，在科學的控制方式下，讓自然與橋梁工程可以有機地融合在一起，工程所在區(qū)域的生態(tài)平衡，不會因為工程施工遭到破壞。在因地制宜的原則下設計方案，使自然與橋梁建筑可以相互映襯，不會出現突兀的既視感。具體設計時，一方面，設計人員應該清楚公路橋梁建設目標，結合自身的工作經驗，發(fā)現設計工作的要點，挑出工作的主干部分進行權衡，在橋梁工程進行期間，不會因為過度關注項目經濟效益或某單一元素，破壞橋梁結構的整體性與美觀性。另一方面，設計人員在橋梁美觀設計方面，應該控制橋梁的橋型、布線、橋塔等部位，在設計規(guī)范下調整工程參數，讓橋梁景觀與選線的協調性不會遭到破壞。

3.4 提升橋梁使用壽命

橋梁建成后的使用壽命被稱之為橋梁耐久性，橋梁使用的時間會給其安全性和經濟性帶來直接的影響。我國在開展橋梁工程設計工作時，將整體結構設計工作放在了重要位置上，忽視了細節(jié)設計。在橋梁后期維修和養(yǎng)護工作中沒有過多考慮最終的設計理念，使得人力、物力、財力浪費非常嚴重，影響了橋梁的耐久性。在橋梁工程設計的過程中，設計人員應全面考慮每一個細節(jié)，注重提升養(yǎng)護人員和施工人員的專業(yè)技術水平，使設計效果真實體現出來。橋梁的整體結構設計與耐久性設計之間存在很大差別，從定性角度來分析橋梁的耐久性如今逐漸轉向了定量分析。在橋梁設計和施工階段重點關注其牢固性、安全性和耐久性，借助后期使用的先進養(yǎng)護技術、檢測技術深入剖析橋梁投入使用后可能會遇到的各種災害，使橋梁的耐久性、安全性滿足使用需求。

3.5 強化上、下部結構設計

3.5.1 上部結構設計

公路橋梁上部結構設計，要求設計人員在充分實地勘察結果基礎上，進一步分析橋梁整體結構受力與技術可行性等因素優(yōu)化設計。一些地形平緩區(qū)域的中小型公路橋梁工程，選擇筒支空心板結構，跨度小、操作便捷，在保證橋梁功能的同時，減少總體施工成本。但是此種方式不適合山區(qū)建設環(huán)境，跨徑無法滿足施工要求。對于此類情況，可以選擇預制T梁結構，設計中適當增加跨徑，便于預制T梁結構優(yōu)勢，優(yōu)化工程結構同時，減少總體成本支出。另外，T梁屬于曲線梁，結構受力平衡性與抗扭能力有所不足，可能對下部結構穩(wěn)定性產生不良影響。所以，小彎矩曲線橋工程適合采用直梁結構，在可控范圍內適當地調整翼緣板寬度，曲面橋平面線形得到優(yōu)化改進同時，顯著改善T梁橋彎矩不足的問題。

3.5.2 下部結構設計

下部結構設計至關重要，其功能在于支撐，這就需要做好橋墩選型設計，結合區(qū)域施工地質條件和上部結構特點綜合考量。雙薄壁墩和柱式墩是較為常見的橋墩，其中柱式墩施工期間操作便捷，并且整體的外觀美感良好。在具體設計中為了保證橋墩穩(wěn)定性，可以通過增加橫截面，鋼管外包以及碳纖維材料加固等方式進行加固處理。如果鋼管外包加固可以選擇橢圓形鋼管，碳纖維材料加固就要結合施工環(huán)境合理安排工序，加強施工過程控制。增加墩底接觸面積方式也可以起到加固處理作用，促使橋墩整體支撐力大大提升，盡可能規(guī)避橋梁結構變形。

3.6 重視橋梁工程超載問題

目前，超載問題較為常見，其很容易威脅到橋梁工程結構的安全性和耐久性。超載問題主要體現在以下幾個方面：部分橋梁工程在長期使用過程中，可承重能力下降，而且安全性能也逐漸降低，這時就需要對各種類型的橋梁工程進行有效改進；橋梁自身的承重能力超出了其可承載能力；是否有違法超載通行的大型車輛。上述幾個問題的出現主要是以下原因導致：橋梁承載能力無法滿足當前車輛通行需求，對橋梁工程的管理和維修不足。在上述兩種原因基礎之上，在對橋梁結構設計的過程中，需要將區(qū)域中交通現有狀況、輻射水平以及四周經濟環(huán)境因素考慮其中，對設計方案進行合理化制定。此外，對此問題必須要依靠交管部門加強對違章車輛管控，在此基礎上加強橋梁工程的主要構造和路面維護，確保在提高橋梁工程使用壽命的同時還可以減少橋梁工程的破壞，在現場維修養(yǎng)護的基礎上來延長橋梁工程的整體使用壽命。

3.7 耐久性設計

公路橋梁設計工程時，同時要重點考慮公路橋梁工程的經濟性與耐久性之間的關系。提高公路橋梁的使用時間，可以增加公路橋梁的經濟效益。因此，在橋梁工程設計環(huán)節(jié)，應該從經濟層面考量，提高橋梁的耐久性，則需要設計人員收集過往公路橋梁工程案例，查看橋梁在應用后的使用情況，整理公路橋梁在投入后出現的問題，逆推設計方案在車輛因素與自然因素方面的設計是否合理，在設計方案中，是否考慮到了車輛荷載的影響，是否考慮了圍繞強風、雨水對橋梁形成的傷害進行合適的干預等。設計公路橋梁疲勞損傷內容時，應分析工程所在區(qū)域的氣候環(huán)境，掌握風荷載和車輛荷載對橋梁結構穩(wěn)定性造成的沖擊，計算此類因素引發(fā)的內力，給出應對疲勞損失的方法，調整設計內容，應對因超載與疲勞損失形成的應力，提高橋梁結構的耐久性。

3.8 加強工程隔震設計

工程隔震設計，主要是將隔震裝置設置在各結構之間，可以增加結構整體阻尼，減少能量輸出的裝置，可以起到提升工程結構穩(wěn)定性的作用。受行車荷載和地質環(huán)境因素影響，會導致橋梁結構穩(wěn)定性受到不良影響，這就需要做好工程結構的隔震設計，按照特定公式來計算等效剛度和等效阻尼等隔震裝置性能。另外，橋梁附屬結構的設計需要保持高度重視，類型多樣，如限位裝置、伸縮縫等，通過時程分析法進行分析，細部構造對附屬結構整體性能影響較大，應在設計時注重附屬結構細部優(yōu)化，提升設計合理性。

3.9 注疲勞損傷問題

動荷載是橋梁結構使用階段承受的主要荷載，常年累積的動荷載會給橋梁內部帶來交變應力，橋梁出現強烈振動，長時間以后疲勞破壞的問題隨之產生。橋梁施工使用的原材料無法整齊劃一，有些材料勢必存在微小的問題，在交變應力的作用下，這些問題會不斷累積增加，最終形成橋面裂縫，給橋梁工程帶來負面影響。如果不采取措施處理出現的裂縫，會使其發(fā)生脆性斷裂。值得注意的是，早期損傷很難在第一時間被檢測出來，這些無法檢測的微小損傷易導致毀滅性的災難，必須遵循橋梁疲勞損傷分析流程進行分析，疲勞損傷處理不能只局限于橋梁的整體結構上，仔細分析所有部位，特別是重點關注關鍵性部位，否則會影響橋梁整體結構的耐久性和安全性。

結語：

總之，公路橋梁工程項目的耐久性和安全性具有較強的系統(tǒng)性和復雜性，其將施工、設計和后期養(yǎng)護融合在一起。在我國路橋工程建設的過程中，往往將施工進度放在了頭等重要位置上，而對影響公路橋梁工程耐久性的各種因素放在了次要位置上，設計人員應以整個工程的實際情況為切入點，學習和借鑒國外先進的經驗，總結自身的實踐經驗，將自身專業(yè)知識優(yōu)勢體現出來，使用規(guī)范化的管理模式，不斷提升施工人員的綜合素質，保證和提高公路橋梁工程的耐久性和安全性，延長路橋的使用壽命。