中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題探析

文/丁強(qiáng)、彭侃

1 前言

在中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性要求非常高。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員需要按照橋梁工程的選址情況設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、合理的方案，以保證后期情況建設(shè)的質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)性達(dá)到預(yù)期要求。

2 總體設(shè)計(jì)原則

在目前的大型或者特大的橋梁項(xiàng)目中，橋位應(yīng)該達(dá)到運(yùn)營(yíng)的路線(xiàn)要求，并且將其作為主要控制點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮分析。從專(zhuān)業(yè)性出發(fā)，制定切實(shí)可行實(shí)施方案，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化與整改處理。

跨徑尺寸確定時(shí)，需要保證高跨比達(dá)到協(xié)調(diào)性的要求，符合美觀性、經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)工程和環(huán)境的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。

結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該達(dá)到統(tǒng)一性的要求，并且盡量采取工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化的特點(diǎn)要求，盡量降低工程造價(jià)，縮短項(xiàng)目周期，提升經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)地勢(shì)與地質(zhì)條件的標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的橋跨位置，避免因?yàn)榭鐝皆O(shè)置不合理而導(dǎo)致墩臺(tái)要進(jìn)行大量開(kāi)挖施工，進(jìn)而有效預(yù)防嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害影響的出現(xiàn)[1]。

盡量避免設(shè)置斜橋，特別是角度超過(guò)45°的斜橋，另外可以選擇使用錯(cuò)孔、增大跨徑等方法進(jìn)行。但是在河流與橋梁斜交的情況下，為了防止發(fā)生阻水，外面需要通過(guò)斜橋斜做的方法。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題現(xiàn)狀

3.1 結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題

我國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，考慮到工程的實(shí)際情況，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得以?xún)?yōu)化。但是有些研究會(huì)更加注重材料與統(tǒng)計(jì)方面的分析，并沒(méi)有在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮到耐久性方面的效果。在工程的實(shí)踐中，因?yàn)榄h(huán)境因素干擾影響，耐久性成為橋梁設(shè)計(jì)中重要的考慮到因素；同時(shí)，其也是需要達(dá)到性能的核心要素，但在具體施工時(shí)往往因?yàn)槭┕げ僮鞑划?dāng)容易導(dǎo)致耐久性不達(dá)標(biāo)。

比如，受力計(jì)算分析就有著嚴(yán)重的缺陷，特別是一些特殊位置的受力分析計(jì)算，其效果很差，并不能達(dá)到橋梁的使用需要。導(dǎo)致該問(wèn)題的原因就是設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足，僅僅從理論角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有綜合分析工程的具體情況，進(jìn)而造成設(shè)計(jì)圖紙有明顯的不足，橋梁工程的質(zhì)量、耐久性等方面無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

3.2 橋承載能力設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題

鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的承載性能設(shè)計(jì)尤為重要，根據(jù)當(dāng)前我國(guó)的公路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)人員需要考慮到極限條件以及正常工作狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)是即將發(fā)生損壞的狀態(tài)，以計(jì)算鋼筋砼的理論參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行，構(gòu)件不被損壞的最大承受能力，這是極為重要的橋梁性能技術(shù)參數(shù)。

橋梁結(jié)構(gòu)在達(dá)到正常極限運(yùn)行的條件下，一般在計(jì)算中會(huì)選擇使用彈性理論或者碳素理論進(jìn)行。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算階段，要從裂縫、變形方面的數(shù)據(jù)分析出發(fā)進(jìn)行，保證結(jié)構(gòu)或者應(yīng)力不會(huì)超出使用的極限，且正常運(yùn)行不被損壞，因此相關(guān)人員要從耐久性、工作狀態(tài)方面出發(fā)進(jìn)行施工。

通常情況下在橋梁設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員會(huì)更加關(guān)注承載力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)抗力并未從實(shí)際情況考核控制，也沒(méi)有重點(diǎn)關(guān)注極限狀態(tài)指標(biāo)參數(shù)。在結(jié)構(gòu)使用的周期范圍內(nèi)，最為關(guān)鍵的是考慮使用的性能，這是提高結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵所在[3]。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能

橋梁工程項(xiàng)目處于地震區(qū)，如果發(fā)生地震災(zāi)害，會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞影響，且橋梁設(shè)計(jì)中已經(jīng)詳細(xì)分析了動(dòng)載荷所產(chǎn)生的作用，所以在達(dá)到動(dòng)載荷標(biāo)準(zhǔn)下，橋梁還應(yīng)該滿(mǎn)足抗震性的要求，并實(shí)現(xiàn)兩者的統(tǒng)一。

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性是重要的指標(biāo)，其要求也非常高，因此施工必須要滿(mǎn)足橋梁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且各個(gè)細(xì)節(jié)部分都不能存在安全隱患。比如在施工工藝改進(jìn)的過(guò)程中，應(yīng)該保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部材料組合能夠成為整體結(jié)構(gòu)；橋梁支座錨固處理，墩臺(tái)與基礎(chǔ)部分的連接強(qiáng)度性能夠合格；根據(jù)需要增加配筋的數(shù)量，提升結(jié)構(gòu)延性；如果橋梁結(jié)構(gòu)處于基礎(chǔ)性能較差的土層條件中，可以根據(jù)需要做好替換處理或者加強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能不足的情況，應(yīng)該進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)整改處理。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要將抗震性作為重要的指標(biāo)，不能僅滿(mǎn)足動(dòng)載荷的要求，還要保證地震發(fā)生后不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞。

4 中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

對(duì)于中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與承載力以及抗震性是非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)容，以下是本文對(duì)這方面的設(shè)計(jì)措施進(jìn)行的分析。

4.1 橋梁耐久性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在混凝土結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中需要嚴(yán)格執(zhí)行耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，全面考慮混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，并結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)體系、防護(hù)方法確定設(shè)計(jì)方案，以此最終符合使用壽命的要求，滿(mǎn)足橋梁的運(yùn)行實(shí)際需要[4]。

充分了解鋼筋混凝土應(yīng)用中使用壽命的影響因素，主要從溫度、應(yīng)力、裂縫方面出發(fā)，準(zhǔn)確判斷其使用壽命的長(zhǎng)度，然后了解耐久性參數(shù)，確定符合使用要求的應(yīng)對(duì)措施。適當(dāng)增大混凝土保護(hù)層厚度尺寸，保證鋼筋混凝土的壽命滿(mǎn)足要求，是最為直接且經(jīng)濟(jì)效果最好的方式。但是保護(hù)層厚度也不能毫無(wú)限制的增加，在比較厚的情況下，因?yàn)榛炷敛牧嫌写嘈浴⑹湛s性，極易導(dǎo)致保護(hù)層發(fā)生裂縫損壞，另外還會(huì)使其失去保護(hù)效果。

根據(jù)研究結(jié)論分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，存在裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部件，發(fā)生主筋腐蝕的速度為沒(méi)有裂縫部件的3 倍左右，而箍筋腐蝕速度會(huì)達(dá)到主筋結(jié)構(gòu)的5 倍左右，因此，相關(guān)人員需要嚴(yán)格控制裂縫的問(wèn)題，選擇合適的防滲結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而使得滲水能夠及時(shí)排除，保證橋梁的耐久性滿(mǎn)足要求。

4.2 橋承載能力設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題

在橋梁的設(shè)計(jì)荷載確定過(guò)程中，最為重要的是要考慮到可變活載問(wèn)題，即汽車(chē)荷載。汽車(chē)荷載分為公路Ⅰ級(jí)及公路Ⅱ級(jí)，車(chē)道荷載主要體現(xiàn)在均布荷載與集中荷載兩種。從實(shí)際情況分析，在橋梁的計(jì)算過(guò)程中可以分析計(jì)算車(chē)道荷載，另外局部加載、涵洞、橋臺(tái)以及擋土墻的壓力也可以通過(guò)車(chē)輛荷載計(jì)算確定，但是兩者不能疊加計(jì)算[5]。

橋梁荷載設(shè)計(jì)中，結(jié)合不同橋梁項(xiàng)目的極限狀態(tài)、正常運(yùn)行情況可以實(shí)現(xiàn)作用效應(yīng)組合，然后選擇最利于效應(yīng)組合的方式開(kāi)展設(shè)計(jì)。具體的情況如下：

4.2.1 持久狀況

這是橋涵運(yùn)行中因?yàn)槭艿阶灾亍⑵?chē)荷載的同時(shí)影響，根據(jù)實(shí)際的使用功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，就是在承載能力極限條件、正常狀態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2.2 暫時(shí)狀況

這是橋涵在運(yùn)行中因?yàn)榕R時(shí)性的反應(yīng)而產(chǎn)生的狀態(tài)，要保證承載性能極限運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)，如有必要，可以通過(guò)正常應(yīng)用條件開(kāi)展設(shè)計(jì)。

4.2.3 偶然狀況

偶然狀況為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中橋涵可能發(fā)生地震災(zāi)害引起的病害問(wèn)題，在具體設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中要保證其達(dá)到承載能力極限的運(yùn)行條件，并保證其應(yīng)用性能與適用效果達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)要求。

4.3 橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

第一階段設(shè)計(jì)：小震一般是通過(guò)使用眾值烈度的方法進(jìn)行，然后計(jì)算最終的技術(shù)參數(shù)，且符合彈性運(yùn)行狀態(tài)中的地震使用條件。即使有小震作用也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞問(wèn)題，同時(shí)還要實(shí)施結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算分析，達(dá)到設(shè)防烈度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形性的要求，真正地實(shí)現(xiàn)小震不壞。

第二階段設(shè)計(jì)：中震可以根據(jù)需要使用第二水準(zhǔn)烈度振動(dòng)系數(shù)，分析剛度退化參數(shù)，計(jì)算截面開(kāi)裂、屈服和強(qiáng)度破壞的荷載位移變化關(guān)系，然后對(duì)比地震荷載效應(yīng)，達(dá)到安全性的要求，符合第二級(jí)設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)，真正地實(shí)現(xiàn)中震可修。

第三階段設(shè)計(jì)：大震發(fā)生之后可以通過(guò)第三水準(zhǔn)地震參數(shù)進(jìn)行地震效應(yīng)計(jì)算分析；與截面破壞荷載對(duì)比，達(dá)到安全性的要求，同時(shí)還應(yīng)該考慮倒塌機(jī)制，確保穩(wěn)定性合格，真正地實(shí)現(xiàn)大震不倒的目標(biāo)。

以上三個(gè)階段設(shè)計(jì)原則明確規(guī)定了三級(jí)地震水平下所產(chǎn)生的反應(yīng)，即在發(fā)生地震反應(yīng)后，橋梁彈性反應(yīng)范圍結(jié)構(gòu)并未損壞，而在設(shè)防烈度的地震影響下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生塑性變形，但是最大變形值不會(huì)超出容許變形；大地震發(fā)生之后，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)比較大的彈塑變形，最大變形為結(jié)構(gòu)變形容許值，但是沒(méi)有超出該值，并最終實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

總體而言，在公路橋梁總數(shù)中中小跨徑橋梁占據(jù)比例較大，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)要點(diǎn)分析對(duì)提升橋梁工程的使用功能有很大幫助。在具體設(shè)計(jì)周期內(nèi)容時(shí)，有關(guān)設(shè)計(jì)人員需根據(jù)工程的特點(diǎn)，全面把握中小跨徑設(shè)計(jì)原則，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等指標(biāo)達(dá)到總體設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，以便于后期工程項(xiàng)目的開(kāi)展。