公路橋梁設(shè)計的安全性和耐久性分析

張浩、張坤

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230000）

0 引言

隨著建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，公路橋梁的安全性問題日益突出，而許多事故的發(fā)生都是由于安全性設(shè)計不足導(dǎo)致的，造成了巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)耐久性試驗側(cè)重于單一因素影響，在結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計上存在缺陷。因此，公路橋梁設(shè)計要充分結(jié)合施工、運營、管理等后期工作，從全壽命周期的角度出發(fā)，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

1 公路橋梁安全性和耐久性問題及影響因素

1.1 公路橋梁安全性和耐久性問題分析

橋梁的安全性指在正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下，橋梁仍然能夠保證通行要求的性能，通常用結(jié)構(gòu)抗力和外部作用效應(yīng)來衡量，不但要計算永久作用、偶然作用、可變作用，而且要將環(huán)境作用融入其中，如侵蝕作用、溫度作用等。橋梁的耐久性指結(jié)構(gòu)在使用一定年限，并與環(huán)境發(fā)生各種物理化學反應(yīng)后仍然能夠保持各項功能的能力，主要是考慮橋梁結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)隨時間的變化，關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。關(guān)于具體病害的表現(xiàn)形式，公路橋梁安全性問題主要包括結(jié)構(gòu)裂縫、失穩(wěn)、沉陷等；而耐久性問題則更為復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)形式耐久性退化表現(xiàn)不同。在我國，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁占絕大多數(shù)，常見的耐久性病害表現(xiàn)為橋面鋪裝破壞、橋頭跳車、混凝土開裂、鋼筋銹蝕以及附屬設(shè)施病害，嚴重影響駕車體驗和交通通行，甚至成為交通事故發(fā)生的主要誘因[1]。

1.2 公路橋梁安全性和耐久性影響因素

影響公路橋梁安全性和耐久性的因素有很多，包括勘察、設(shè)計、施工、使用、養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)，而且因橋梁的結(jié)構(gòu)形式、使用環(huán)境等方面的不同而不同。在勘察方面，勘察成果文件不全面、不準確，影響了后期設(shè)計效果。在設(shè)計方面，隨著公路交通通行壓力的不斷增大，原有的荷載標準已經(jīng)不能滿足當前汽車荷載要求，同時由于技術(shù)水平和經(jīng)濟效益的限制，公路橋梁在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造細節(jié)設(shè)計方面要求較低。在進行方案比選時，主要由地質(zhì)條件、經(jīng)濟指標、技術(shù)能力、施工方法等方面確定，對耐久性評價不夠，缺乏全面有效的評價指標。在設(shè)計計算過程中，沒有充分考慮非荷載因素的影響，如溫度應(yīng)力，混凝土收縮、徐變等，而且對施工方法、施工荷載、施工順序等的影響分析不全面。在特殊部位，由于局部應(yīng)力分布和傳遞作用可能出現(xiàn)應(yīng)力突變，如果計算方法不當，很容易出現(xiàn)構(gòu)造配筋不合理的問題。除此之外，施工和運營管理方面的影響也比較大。在公路橋梁設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮這些問題，通過有效的設(shè)計手段減少質(zhì)量缺陷和隱患的發(fā)生，提高橋梁結(jié)構(gòu)整體的安全性和耐久性。

2 公路橋梁安全性和耐久性的優(yōu)化設(shè)計策略

2.1 科學計算車輛荷載

公路橋梁安全性指標主要通過結(jié)構(gòu)能夠承受荷載的能力來衡量，著重考慮由荷載變化引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，所以在進行安全性設(shè)計時，必須全面準確計算橋梁結(jié)構(gòu)可能承受的荷載大小。車輛荷載是主要的可變荷載，其取值大小直接關(guān)系到橋梁的安全性。雖然相關(guān)設(shè)計規(guī)范明確了車輛荷載標準值，但是隨著交通運輸模式和特點的不斷變化，交通量增長迅猛，車輛重型化趨勢越來越明顯，許多橋梁垮塌事故都是由于車輛超載導(dǎo)致的，除了加大管理力度外，還應(yīng)該提高車輛荷載計算的可靠度，完善橋梁安全性設(shè)計方法?；诳煽慷仍O(shè)計方法，建立符合實際交通狀況的不同車道類型車輛荷載概率模型，針對不同跨徑公路橋梁的車輛荷載敏感性，采用考慮跨徑影響的車輛荷載分項系數(shù)計算公式，針對公路橋梁車輛橫向和縱向隨機分布的特點，確定多車道荷載橫向折減系數(shù)，使多車道橋梁構(gòu)件的可靠指標基本一致，從而提高公路橋梁車輛荷載計算的可靠性，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性[2]。

2.2 充分重視抗震設(shè)計

抗震設(shè)計也是影響公路橋梁安全性的重要因素，考驗著橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用力下的安全性和穩(wěn)定性。首先，明確橋梁工程抗震設(shè)防等級、設(shè)防分類、設(shè)防目標；其次，根據(jù)抗震設(shè)計要求，構(gòu)建完善的抗震設(shè)計體系，包括抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計、減隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計以及其他結(jié)構(gòu)控制設(shè)計；最后，根據(jù)不同部位產(chǎn)生的震害，進行針對性的構(gòu)造設(shè)計和細節(jié)處理。

橋梁上部結(jié)構(gòu)移位比較常見，移位嚴重時會出現(xiàn)落梁，如果撞擊到下部結(jié)構(gòu)，就會造成二次傷害，所以必須加強防落梁設(shè)計?？梢赃m當增大墩臺支撐面寬度，將上部結(jié)構(gòu)位移限制在防落梁范圍內(nèi)，也可以安裝相應(yīng)的約束裝置，如混凝土擋塊，同時協(xié)調(diào)相鄰橋墩高度差，避免出現(xiàn)相鄰跨動力特性相差較大的情況，增加落梁和碰撞的風險。對于下部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，主要體現(xiàn)在墩臺和基礎(chǔ)方面。以墩臺抗震設(shè)計為例，主要破壞形式有彎曲破壞和剪切破壞，情況嚴重的會引起橋梁倒塌。彎曲破壞是一種延性破壞形式，剪切破壞是一種脆性破壞形式。相對而言，剪切破壞的后果更嚴重，不僅難以耗散地震能量，而且震后修復(fù)困難，因此要盡可能加強橋梁結(jié)構(gòu)延性設(shè)計。根據(jù)以往經(jīng)驗，許多橋梁墩柱震害都是由于鋼筋構(gòu)造不合理導(dǎo)致的，需要根據(jù)橋墩截面和受力變化，合理設(shè)置箍筋，保證縱向主筋的連接強度、分布數(shù)量以及鋼筋錨固長度能夠滿足抗震要求，提高橋墩抗震能力。另外，充分利用減隔震技術(shù)，根據(jù)技術(shù)應(yīng)用原則選擇合適的減隔震裝置，能夠有效發(fā)揮隔震、耗能雙重作用，提升橋梁整體抗震性能[3]。

2.3 合理選擇結(jié)構(gòu)形式

在準確計算外部荷載的基礎(chǔ)上，如何選擇合適的結(jié)構(gòu)形式成為橋梁安全性設(shè)計的重要內(nèi)容。根據(jù)地質(zhì)條件、地形地貌、水文條件、氣候變化、施工技術(shù)、工程造價等綜合因素，合理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。按照承載結(jié)構(gòu)劃分，公路橋梁可以分為梁式橋、拱式橋、鋼架橋、懸索橋、組合式橋等。梁式橋又包括簡支梁式橋、連續(xù)梁式橋、懸臂梁式橋。明確不同類型橋梁的應(yīng)用范圍，簡支梁式橋主要適用于小跨度橋梁；連續(xù)梁式橋是大跨度橋梁廣泛采用的結(jié)構(gòu)體系之一，一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；懸臂梁式橋通常為奇數(shù)跨布置，掛孔跨與懸臂跨相交替。在豎向荷載作用下，拱式橋兩拱腳處不但會產(chǎn)生豎向反力，而且會產(chǎn)生水平推力，所以采用拱式橋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要嚴格勘察現(xiàn)場地質(zhì)條件，必須保證地質(zhì)和地基條件良好。鋼架橋是由梁式橋跨結(jié)構(gòu)與墩臺整體相連而形成的結(jié)構(gòu)體系，其梁柱節(jié)點為鋼結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代懸索橋主要包括橋塔、主纜索、吊索、錨碇、索鞍、加勁梁等組成部分，通過橋面標高和主纜索垂跨比，科學計算橋塔高度，作為主要的承重構(gòu)件，必須保證主纜索的承載能力能夠符合設(shè)計要求。大跨度吊橋通常選擇平行絲束鋼纜，加勁梁是承受風荷載及其他橫向水平力的主要構(gòu)件。大跨度懸索橋的加勁梁都是鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁只能用于跨徑在500m 以下的懸索橋，而且大多采用箱型梁。除此之外，橋墩、橋臺、基礎(chǔ)形式的選擇也至關(guān)重要，需要綜合各項影響因素進行合理化設(shè)計，保證橋梁下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，能夠為上部結(jié)構(gòu)提供有力支撐，保證橋梁整體安全。圖1 為某懸索橋效果圖。

圖1 某懸索橋效果圖

2.4 明確結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命

設(shè)計壽命是設(shè)計人員用來作為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的主要依據(jù)，指橋梁在使用過程中僅需一般維護不需大修的期限。在實際工程設(shè)計中，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限往往是根據(jù)相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗確定的，主要針對的是橋梁主體結(jié)構(gòu)。由于橋梁組成構(gòu)件眾多，各組成構(gòu)件的功能和材料不同，退化模式、維護管理存在差異，不能僅僅使用一個整體設(shè)計使用壽命來要求所有構(gòu)件，可以對不同橋梁構(gòu)件分別制定設(shè)計使用壽命，在橋梁主體設(shè)計使用年限內(nèi)，對部分構(gòu)件進行更換或大修，并盡可能減少更換或大修的次數(shù)，所以既要確定橋梁設(shè)計使用壽命，又要確定橋梁構(gòu)件設(shè)計使用壽命，以作為橋梁及橋梁構(gòu)件耐久性設(shè)計的依據(jù)。在考慮設(shè)計壽命時，需要著重從技術(shù)、經(jīng)濟、功能三個方面出發(fā)，確定壽命終結(jié)標準。我國的橋梁大部分是結(jié)構(gòu)構(gòu)件形狀不定的混凝土橋梁，應(yīng)該按照結(jié)構(gòu)體系劃分構(gòu)件，明確不同構(gòu)件的耐久性類別、耐久性要求以及維修維護方式，然后使用壽命簡化公式計算設(shè)計使用年限，充分結(jié)合環(huán)境、養(yǎng)護管理、重要等級、更換難度等，獲得相對準確的構(gòu)件設(shè)計使用壽命取值[4]。

2.5 結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量要求

橋梁的耐久性與所處工作環(huán)境密切相關(guān)。在耐久性設(shè)計時，必須合理劃分環(huán)境類別，準確表達環(huán)境作用，充分考慮橋梁實際使用過程中受到的各類環(huán)境因素影響。橋梁結(jié)構(gòu)材料需要根據(jù)環(huán)境類別、設(shè)計年限、作用等級等綜合因素合理選擇，能夠同時滿足承載能力和耐久性要求。比如，在環(huán)境類別和作用等級為Ⅰ-A 的情況下，如果混凝土結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計使用年限為100 年，那么混凝土最低強度等級為C30；如果設(shè)計使用年限為50 年，那么混凝土最低強度等級為C25；無論在何種情況下，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的混凝土最低強度等級為C40。作為主要結(jié)構(gòu)材料，鋼材的選擇也至關(guān)重要。對于6mm 的細直徑熱軋鋼筋，如果作為受力主筋使用，通常只能局限在一般環(huán)境條件下，而且對環(huán)境作用等級也提出了明確的要求。冷加工鋼筋不宜作為按塑性設(shè)計構(gòu)件的受力主筋，也不宜作為預(yù)應(yīng)力筋使用，如果直徑小于6mm，那么只能在Ⅰ-A、Ⅰ-B 等級的環(huán)境作用中作為受力鋼筋使用，而且構(gòu)件設(shè)計使用年限要控制在50 年之內(nèi)，在同一構(gòu)件中的受力鋼筋，盡可能選擇同種材質(zhì)，保證受力穩(wěn)定、傳力良好。

2.6 結(jié)構(gòu)具體構(gòu)造設(shè)計

傳統(tǒng)的公路橋梁耐久性設(shè)計主要是從材料耐久性的角度出發(fā)，對于通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計改善橋梁耐久性的研究相對較少，通過實踐表明，良好的構(gòu)造設(shè)計能夠有效提高橋梁耐久性。鋼材腐蝕是降低結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，而開始銹蝕的時間與混凝土保護層厚度密切相關(guān)。不同環(huán)境作用下，不同鋼筋的保護層厚度應(yīng)該滿足鋼筋與混凝土之間黏結(jié)力傳遞及鋼筋防銹要求，在符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范的情況下，考慮到目前的耐久性需求和施工技術(shù)水平，可以適當增加一定值，雖然可能造成表面裂縫寬度加大的問題，但是不會對開裂處鋼筋銹蝕產(chǎn)生明顯影響。做好鋼筋的布置與防護工作，可以采用焊接鋼筋骨架或更大直徑鋼筋，有效減少鋼筋數(shù)量，方便混凝土澆筑施工，避免出現(xiàn)鋼筋移位的情況；暴露在結(jié)構(gòu)構(gòu)件外的金屬部件需要做好防腐處理。公路橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造和形狀應(yīng)該盡可能避免水、汽、有害物質(zhì)的聚集?？梢酝ㄟ^細部構(gòu)造處理，獲得有效的防護效果。

水是發(fā)生鋼筋銹蝕、凍融破壞、堿-骨料反應(yīng)的重要誘因，所以做好橋梁防水設(shè)計是提高橋梁耐久性的有效舉措。充分考慮橋面部分的防水施工，同時加強接縫、伸縮縫等部位的防水效果，保證水流被及時收集和排出。橋梁防水系統(tǒng)應(yīng)該與周圍其他排水系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致，并且要與其他構(gòu)件一樣易于更換、維護、管理。

同時，合理設(shè)置橋面縱橫坡，橋面的橫坡一般采用1.5%～3%。做好橋面排水設(shè)計，排水管道直徑不宜小于15cm，保證設(shè)置排水管的截面積能夠滿足排水需求。盡可能不把排水管道澆筑在混凝土內(nèi)，在合適位置設(shè)置滲水管、排水口，橋面鋪裝層下設(shè)置防水層，將滲透下來的水及時匯集到排水設(shè)施中。排水系統(tǒng)必須能夠抵抗一般化學物質(zhì)侵蝕。另外，橋梁伸縮縫、支座的構(gòu)造設(shè)計也非常重要，應(yīng)該從可更換、可維修的角度出發(fā)，在設(shè)計使用年限內(nèi)保持適用性，采取抵抗環(huán)境破壞的保護措施，并方便后續(xù)的更換、檢查、維護[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，橋梁的安全性設(shè)計必須保證在正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下依然能夠滿足通行要求，這就需要加強外部作用荷載分析，提高結(jié)構(gòu)承載能力和抵抗能力。橋梁的耐久性設(shè)計與安全性相比更為復(fù)雜，需要充分考慮不同階段各項影響因素，明確不同構(gòu)件設(shè)計壽命，強化材料質(zhì)量要求，做好細部構(gòu)造處理，保持橋梁各項功能良好運行。