橋梁設計中的安全性及耐久性研究

甄國君

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司,天津 300381）

0 引言

橋梁是我國交通網(wǎng)絡的重要組成部分。隨著人們交通出行需求增加，城市高架橋、跨河跨海大橋等項目亦增多。在橋梁結構設計環(huán)節(jié)，安全性、耐久性關系到出行安全和便利，可降低交通事故的發(fā)生風險，是最基礎、最重要的設計內容[1]。其中，安全性指的是正常使用環(huán)境中，在各種荷載作用下橋梁結構不會破壞損壞。耐久性指的是在設計壽命內，采用正常維護管理方案，橋梁結構能發(fā)揮出相關功能，且這個過程中不需要大修。以下結合實踐，探討了橋梁設計中的安全性及耐久性問題，供同業(yè)人員參考。

1 安全性及耐久性設計目標及重要意義

1.1 安全性設計目標

橋梁的安全性設計包括兩方面內容：一是保證橋梁結構自身的使用安全，二是保證使用者的生命安全。綜合考慮材料構件、疲勞極限、使用環(huán)境等因素，橋梁結構能承受設計荷載，才能滿足安全性要求。依據(jù)《公路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》（JTG2120—2020），一級、二級、三級安全等級的橋梁，其結構重要性系數(shù)分別是1.1、1.0 和0.9[2]。安全性設計中，以規(guī)定的目標可靠指標為依據(jù)，見表1。

表1 橋梁結構的承載能力極限狀態(tài)目標可靠指標

1.2 耐久性設計目標

在《公路工程混凝土結構耐久性設計規(guī)范》（JTG/T 3310—2019）中，明確指出耐久性要求包括6 個方面：①合理設計橋梁結構型式，優(yōu)化構造細節(jié)，以減輕外部環(huán)境作用和干擾；②橋梁結構的鋼筋混凝土部位，其保護層厚度＞最小設計值；③大體積混凝土澆筑期間，采取有效的防裂措施，減少水化熱帶來的不利影響；④注重防水、排水設計，能及時排除橋面積水，避免降水滲透結構內部；⑤采用后張法施加預應力，要采取科學的防護措施；⑥在作業(yè)空間設置上，既滿足現(xiàn)場施工需求，又要考慮到后期檢修維護的要求，預留出一定的操作空間。在公路橋梁工程中，公路的等級不同，橋梁的使用年限設計值也有差異，見表2。

表2 公路橋梁結構的設計使用年限 /年

1.3 安全性及耐久性設計的重要意義

（1）提升經(jīng)濟效益。做好橋梁的安全性及耐久性設計，不論是結構型式還是材料使用均符合要求，可以保證現(xiàn)場施工順利進行，有助于縮短建設周期、避免資金浪費，并在運行階段減少養(yǎng)護頻率、降低維護費用，從而提升經(jīng)濟效益。

（2）提升社會效益。做好橋梁的安全性及耐久性設計，能提升社會效益，主要體現(xiàn)在以下方面：①能保證區(qū)域交通運輸能力，讓人們獲得良好的交通出行體驗；②能加快商品流通速度，促進周邊第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展；③能完善城市的基礎設施體系，有助于招商引資。

2 橋梁結構的安全性設計要點

2.1 高架橋工程概況

某城市高架橋項目，采用雙幅橋設計，其中左線樁號起點為ZK15+146.920，止點為ZK19+776.450，長度共計4 629.53 m；右線樁號起點為YK15+146.780，止點為YK19+785.680，長度共計4 638.90 m。單幅橋寬18.5 m，上部采用預應力混凝土工字梁，整體支架施工；下部采用U 形橋臺、花瓶墩及群樁基礎。以下重點介紹該橋梁工程的安全性設計方案。

2.2 結構設計

2.1.1 上部結構設計

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該高架橋項目的上部結構擬采用預應力混凝土工字梁、預應力混凝土箱梁、鋼混組合梁三種方案。其中，預應力混凝土工字梁的優(yōu)點是構件剛度大、施工難度小，結構的整體穩(wěn)定性好；缺點是梁體的尺寸較大，需要配置高性能的吊裝設備[3]。預應力混凝土箱梁的優(yōu)點是單個梁體的穩(wěn)定性強，尤其抗扭剛度大，具有較高的觀賞價值；缺點是施工難度大，對預制作業(yè)的精度提出高要求，箱梁自重較大，對吊裝機械的要求高。鋼混組合梁的優(yōu)點是自重輕，抗壓和抗剪能力強，施工時的場地占用面積?。蝗秉c是鋼構件易腐蝕，會增加后期維護作業(yè)量及成本。綜合比選后，上部結構最終選擇預應力混凝土工字梁，見表3。

表3 橋梁上部結構設計方案對比

2.1.2 下部結構設計

該項目所在場地的抗震烈度為7°，遂采用8°設防標準。通過地質勘察，發(fā)現(xiàn)樁基的持力層是粉砂，黏性差，具有透水性，總體上地質條件較差，很容易發(fā)生不均勻沉降。為保證橋梁結構的安全性，綜合現(xiàn)場地質水文條件，確定下部結構采用花瓶墩+群樁基礎。其中，花瓶墩不僅強度高、抗沖擊性強，而且線條流暢、造型精美，兼顧穩(wěn)定性與美觀性。群樁基礎的特點是承臺質量較大，樁身部分露在沖刷線以上，樁與土的相互作用明顯，能進一步提高承載力。

2.2 材料設計

材料設計以混凝土為例，科學確定混凝土的配合比，才能保證混凝土構件的抗壓、抗彎、抗劈裂強度，滿足安全性設計要求。

（1）水泥。該項目選用水化熱低、含堿量小的PO 42.5 水泥，且水泥中不摻雜石灰粉，嚴格控制水泥的細度，從而預防水化熱帶來的問題，避免構件早期開裂。經(jīng)過計算，將混凝土中的堿含量控制在1.8 kg/m3以內。

（2）骨料。對骨料的要求是級配良好、密集堅硬，其中粗骨料的堆積密度＞1 500 kg/m3，空隙率＜40%，壓碎值＜10%，吸水率＜2%，針片狀顆粒占比＜5%，最大粒徑為25 mm[4]。細骨料控制好細度模數(shù)，累計篩余量0.16 mm 達到95%，0.653 mm 達到40%~70%，5 mm達到5%。

（3）粉煤灰。在混凝土材料中加入適量粉煤灰，能提高混凝土的安全性和耐久性。這是因為，粉煤灰作為礦物摻合料，能控制混凝土的水化熱問題，降低內部空隙率，從而增強防護性能。該次工程中，粉煤灰等級為1級，燒失量＜4%，需水量＜95%，SO3含量＜3%，7 d、28 d 混合砂漿活性指數(shù)分別＞75%、＞85%。

2.3 抗震設計

橋梁抗震設計能提高結構的抗震性能，避免或減輕地震作用帶來的危害和影響。首先落實現(xiàn)場調查，收集工程地質、氣候、水文條件，綜合現(xiàn)有資料編制抗震設計方案。其次要計算橋梁的使用壽命，綜合地震風險、安全事故風險、耐久性影響等因素，計算公式：

式中，L——橋梁使用壽命；L0——橋梁壽命建議使用數(shù)值；C——修正系數(shù)；C1——氣候影響系數(shù)；C2——橋位小環(huán)境影響系數(shù)；C3——養(yǎng)護系數(shù)；C4——重要性系數(shù)；C5——更換難度系數(shù)。

2.4 加固設計

（1）橋面加固。橋面與通行車輛直接接觸，隨著車輛荷載增加，受到摩擦、振動因素的影響，容易造成橋面損壞，甚至引起內部結構損害。對橋面加固設計，一是設計標準防水層，如流水槽、排水系統(tǒng)，將橋面的降水及時有效排除，防止積水浸泡橋面結構。二是在橋面與路面交界處加固設計，解決裂縫、平整度不足等問題，避免發(fā)生橋頭跳車事故，提高行車舒適度[5]。

（2）鋼筋混凝土構件加固。針對局部鋼筋混凝土強度不足的問題，需對此類構件加固處理，常用方法如下：①在原構件基礎上增大截面，或對內部鋼筋配置進行優(yōu)化，從而增強結構的承載力和穩(wěn)定性。該方法的缺點是對構件結構的改變明顯，需要重新進行受力分析；②強度較低的混凝土、有質量缺陷的混凝土，將其剔除后重新澆筑，選用品種相同但強度等級更高的混凝土，增強混凝土結構的局部強度。該方法的缺點是工程量大，適用于改建擴建項目，不適用于新建項目；③針對受力不合理的部位，使用結構膠粘劑向內部灌注，形成整體受力體系。該方法的缺點是施工工藝復雜，加固效果無法準確預測；④在鋼筋混凝土表面粘貼鋼板或復合纖維材料，提高延展性和承載力，產(chǎn)生表面防護屏障。該方法不僅操作簡單，而且不會影響構件的受力特征，能產(chǎn)生良好的加固效果。該項目中，最終選擇粘貼復合纖維材料的方法，對局部鋼筋混凝土構件進行加固。

3 橋梁結構的耐久性設計要點

3.1 跨海大橋工程概況

某跨海大橋工程，全長約4.5 km。該項目采用獨塔斜拉橋結構，橋面最大寬度60 m，包括6 個車道、2 個超寬路肩車道、一個自行車道和行人道，設計使用壽命120 年。該橋梁采用鋼混組合結構，橋墩、橋塔采用現(xiàn)澆+預制混凝土相結合的施工方法，主橋采用鋼箱梁，所有橋墩墩帽采用預制鋼結構。以下重點介紹該橋梁工程的耐久性設計方案。

3.2 耐久性設計面臨的挑戰(zhàn)

該橋梁在耐久性設計上，面臨的挑戰(zhàn)包括：

（1）環(huán)境惡劣。當?shù)靥鞖舛嘧?，降水量大，冬季氣溫最低?25 ℃，易產(chǎn)生凍融循環(huán)現(xiàn)象，使用除冰鹽對橋梁結構尤其是混凝土中的鋼筋破壞性較大。

（2）工期緊張。該工程工期僅有48 個月，上下游通航時海面上不能搭建鋼結構；且冬季結冰期接近3個月，會影響混凝土澆筑施工。

（3）使用壽命長。隨著新技術、新設備、新材料的使用，該橋梁設計使用壽命為120 年，超過傳統(tǒng)橋梁的50~80 年，這對耐久性設計提出高要求。

（4）養(yǎng)護成本低。該橋梁在設計之初就考慮到全壽命周期成本，為了降低后期養(yǎng)護成本，大量使用不銹鋼鋼材，將建成后30 年的養(yǎng)護成本包含在總預算中。

（5）環(huán)境保護嚴格。該橋梁建設除了滿足經(jīng)濟、美觀、功能等要求，還要考慮環(huán)境保護問題，采用預制拼裝、駁船吊裝等技術，將生態(tài)影響降至最低。

3.3 耐久性設計方法

為滿足耐久性要求，該橋梁在設計中大量使用不銹鋼鋼筋，其中業(yè)主指定了三種型號的鋼筋，分別是S32304 型、S32101 型和S30400 型。經(jīng)過性能檢測和成本核算，最終確定選用S32304 型雙相不銹鋼鋼筋，全橋用量達到17 000 t，集中在橋面鋪裝層、引橋及伸縮縫周圍、橋墩等部位。S32304 型鋼筋的使用，能滿足耐久性設計要求：

（1）耐蝕性強。相較于普通碳鋼鋼筋，S32304 型鋼筋的耐蝕性更強。以耐點蝕當量（PREN）為準，普通碳鋼鋼筋的PREN 值為5，S32304 型鋼筋的PREN 值達到27。進一步開展耐蝕性能試驗，結果顯示S32304 型鋼筋的耐蝕性能是普通碳鋼鋼筋的65 倍[6]。

（2）耐高溫、低溫。S32304 型鋼筋中的鉻和鎳比例較高，決定了其入編強度較高，在高溫條件下依然能持續(xù)作業(yè)，在低溫條件下不會發(fā)生脆性斷裂，從而保證橋梁的運營安全，延長使用壽命。

（3）經(jīng)濟性好。一方面，S32304 型鋼筋在制作中能節(jié)約鎳、鉬資源，因此材料成本降低，在工程建設中得到廣泛應用。另一方面，該型號鋼筋在后期基本不需要養(yǎng)護，橋梁混凝土結構中的阻銹劑不須過量添加、保護層厚度不須增大，因此養(yǎng)護成本降低。

（4）力學性能良好。相較于316 奧氏體、410 馬氏體不銹鋼鋼筋，S32304 型鋼筋的抗拉強度、屈服強度明顯提高，兼具奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，更適合在混凝土結構工程中應用，見表4。

表4 不同類型不銹鋼鋼筋的力學性能對比

（5）可循環(huán)使用。S32304 型鋼筋實現(xiàn)了100%回收利用，在節(jié)約資源的同時，施工期間無懼磕碰問題，滿足綠色減碳的要求。

4 結語

綜上所述，橋梁工程建設過程中，設計方案直接影響施工和運營環(huán)節(jié)，其中安全性與耐久性是兩個設計要點。該文結合橋梁工程案例，分別介紹了安全性、耐久性設計方法，希望為實際設計作業(yè)提供新思路。在未來工作中，應積極轉變設計理念，豐富專業(yè)知識，落實現(xiàn)場勘查，積極推行四新技術，以實現(xiàn)設計質量的提升。