公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性與耐久性

覃佳

（聊城市公路勘測設(shè)計(jì)院，山東聊城252000）

0 引言

目前，我國公路橋梁的大量修建，對提高人民的生活品質(zhì)和工程質(zhì)量有很大的推動(dòng)作用。與此同時(shí)，在公路橋梁設(shè)計(jì)中，要特別關(guān)注安全性與耐用性的需求，不斷提高公路橋梁工程質(zhì)量的管理水平。

1 公路橋梁的耐久性與安全性

1.1 混凝土滲水

混凝土滲水破壞是目前普遍存在的一種類型，其主要表現(xiàn)為鋼筋混凝土的腐蝕和凍害。其主要原因是由于混凝土本身的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其本身的抗?jié)B性較低，如氯等有害物質(zhì)滲透到混凝土中，使鋼筋受到腐蝕；混凝土抗?jié)B性能的好壞，直接關(guān)系到鋼筋的抗腐蝕性能和抗凍性以及混凝土的使用壽命與安全。而強(qiáng)化混凝土的抗?jié)B性主要是對其性能和結(jié)構(gòu)搭配的研究[1]。

1.2 混凝土的碳化

混凝土碳化是一個(gè)物理及化學(xué)反應(yīng)的過程。在一定時(shí)間內(nèi)，大氣中的二氧化碳進(jìn)入水泥與水泥中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，會(huì)改變水泥的化學(xué)成分。混凝土的碳化損傷主要包括混凝土堿度的喪失、鋼筋表面鈍化膜的破壞、混凝土保護(hù)能力的下降、混凝土的收縮和加固、混凝土裂縫的增加等?；炷恋暮剂繉ζ淠途眯院桶踩杂兄匾绊憽ｋS著工業(yè)的迅速發(fā)展，大氣中的二氧化碳含量急劇上升，將會(huì)使混凝土碳化的程度大大提高。所以，在公路橋梁設(shè)計(jì)中，必須重視混凝土的碳化問題[2]。

1.3 鋼筋的腐蝕

混凝土的腐蝕主要由水中的氯離子、硫酸鹽、酸性介質(zhì)、二氧化碳等酸性物質(zhì)組成。這些物質(zhì)與鋼筋材料中的鐵發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氧化，水將進(jìn)一步溶解電樞中的金屬陽離子。鋼筋銹蝕后，鋼筋體積將隨著銹蝕量的增加而增加，導(dǎo)致混凝土裂縫，鋼筋與混凝土之間的附著力降低，混凝土層坍塌，鋼筋沿線混凝土裂縫，對橋梁的整體耐久性和安全性有重大影響。

1.4 堿骨集料的反應(yīng)破壞

堿骨集料的反應(yīng)破壞是以膨脹開裂破壞為主，使結(jié)構(gòu)失去原有的特性，逐步引起多種協(xié)同破壞，進(jìn)而對橋梁的耐久性和安全性產(chǎn)生不利影響。造成混凝土開裂的原因是混凝土的組成成分，水泥、混合材料中的氧化鉀、氧化鈉等堿性物質(zhì)、外加劑、骨料中的活性物質(zhì)，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)引起的混凝土的膨脹。結(jié)果表明，在混凝土中均勻分布的活性骨料和堿性骨料之間會(huì)產(chǎn)生大量的膨脹和破裂，這是一種致命的破壞，唯一的辦法就是將其拆除。因此，在設(shè)計(jì)高速公路的時(shí)候，就應(yīng)該充分考慮到這些問題[3]。

2 安全性與耐用性的重要性

2.1 社會(huì)發(fā)展方面

如果設(shè)計(jì)方案不合理，公路橋梁工程的安全性和耐久性就無法得到保障，而在以后的運(yùn)行過程中，不但會(huì)出現(xiàn)安全隱患，而且還會(huì)由此造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)對人民的生活、工作、學(xué)習(xí)造成不良的影響，對整個(gè)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展產(chǎn)生很大的影響。

2.2 安全方面

在確定公路橋梁的設(shè)計(jì)時(shí)，既要綜合考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，又要對交通運(yùn)行的需求進(jìn)行分析，而不能一味追求外觀上的美觀和經(jīng)濟(jì)上的利益，否則會(huì)對橋梁的安全性和耐久性造成很大的影響，甚至引發(fā)行車安全事故。造成這種狀況的原因，是由于在設(shè)計(jì)、施工時(shí)，沒有對當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行全面的分析，使其設(shè)計(jì)方案有明顯的缺陷和問題，使其施工難度大，提高了事故的發(fā)生概率。另外，由于工程建設(shè)過程中未對工程進(jìn)行有效的管理與控制，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，影響了工程的整體效益[4]。

2.3 重要性分析

公路橋梁是推動(dòng)城市現(xiàn)代化、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要力量，因此對高速公路橋梁的安全要求很高。安全性的改善，應(yīng)從承載力、結(jié)構(gòu)性能等方面著手，對橋梁進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)與管理，并對各種安全指標(biāo)進(jìn)行全面的分析，以了解其在承載力上的需求，以保證各構(gòu)件的設(shè)計(jì)符合合理的要求。耐用性是指在工程運(yùn)行期間，能夠達(dá)到一定的壽命，這需要從工藝、材料、成分等方面進(jìn)行分析和控制。高速公路橋梁工程建設(shè)中存在的問題若得不到有效的處理，將會(huì)造成重大的安全事故。比如發(fā)生塌陷、開裂等問題，都會(huì)造成安全隱患，因此要加強(qiáng)對橋梁的安全性和耐用性的管理[5]。

3 安全性與耐久性的影響因素

3.1 設(shè)計(jì)理論與理念尚有缺陷

近年來，我國高速公路橋梁建設(shè)水平有了很大提高，施工理論、施工工藝和施工技術(shù)也在逐步完善，然而，在設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)理念上仍然存在著一些缺陷。高速公路橋梁的理論體系仍然基于橋梁的靜態(tài)施工，并且在高速公路橋梁完工后，更多地考慮了運(yùn)行性能參數(shù)。對路橋材料的微觀、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的研究還不夠。同時(shí)，公路道路設(shè)計(jì)理論體系更加注重公路橋梁的建設(shè)成本。在路橋運(yùn)營過程中，養(yǎng)護(hù)維修成本仍然缺乏足夠的重視。設(shè)計(jì)人員在橋梁結(jié)構(gòu)的整體控制、耐久性和安全性方案的優(yōu)化、橋梁結(jié)構(gòu)和受力系統(tǒng)的合理控制等方面還存在很大不足。

3.2 設(shè)計(jì)思路尚不夠嚴(yán)密

目前，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行路橋施工設(shè)計(jì)時(shí)，通常先確定經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上可行的設(shè)計(jì)方案，然后根據(jù)規(guī)范選擇技術(shù)條件，以保證橋梁技術(shù)的安全系數(shù)。在橋梁的施工中，設(shè)計(jì)者往往只考慮強(qiáng)度來保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，忽視了對橋梁、橋梁結(jié)構(gòu)材料、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)耐久性的影響能力的綜合計(jì)算。特別是在公路橋梁施工的運(yùn)營階段，沒有考慮到可能的人為因素、不可抗力和其他事故影響公路橋梁的耐久性和安全性。在橋梁施工期間，橋梁施工表面的混凝土厚度并沒有統(tǒng)一規(guī)定，因此導(dǎo)致在公路橋梁的運(yùn)營階段，由于混凝土厚度的影響，車輛壓力過高，導(dǎo)致混凝土板斷裂，導(dǎo)致橋梁倒塌。

3.3 管理上的不協(xié)調(diào)

目前，我國公路橋梁工程的規(guī)模不斷擴(kuò)大，但安全事故仍有發(fā)生，影響著社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展。造成這種現(xiàn)象的主要原因包括工程設(shè)計(jì)與施工中的不合理、施工組織不能正常進(jìn)行、工程設(shè)計(jì)與現(xiàn)場的實(shí)際情況不符、施工觀念的執(zhí)行有很大偏差等。施工過程中存在著偷工減料、不按設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范組織施工、外部自然環(huán)境、地形條件等諸多原因，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案存在著明顯的缺陷，現(xiàn)場管理問題時(shí)有發(fā)生，使項(xiàng)目難以實(shí)施，嚴(yán)重影響了工程整體的質(zhì)量。

3.4 后期養(yǎng)護(hù)問題

許多從事后期公路橋梁維護(hù)的員工缺乏全面的專業(yè)知識，這也是橋梁耐久性差的主要原因。下雨天，橋梁會(huì)被雨水浸泡，如果不及時(shí)進(jìn)行人工清理，空氣和雨水中的雜質(zhì)會(huì)腐蝕橋梁，損壞鋼筋混凝土，造成不同程度的裂縫。如果沉淀物長時(shí)間不能清理，將產(chǎn)生污垢。橋梁無法按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)改造，部分構(gòu)件將受損。在橋梁設(shè)計(jì)初期，如果不及時(shí)維護(hù)和管理承重核心構(gòu)件，將影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。如果不及時(shí)更換和維護(hù)承重核心構(gòu)件，則會(huì)減少橋梁的使用壽命。

4 安全性和耐久性的具體關(guān)鍵環(huán)節(jié)

4.1 預(yù)置方案

在工程建設(shè)之前，為保證工程的使用壽命、質(zhì)量符合要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入工地進(jìn)行實(shí)地勘察、分析，并組織有關(guān)人員對工程的實(shí)際情況進(jìn)行全面的調(diào)查和分析，以確保工程的各項(xiàng)指標(biāo)和數(shù)據(jù)符合要求，從而為工程的設(shè)計(jì)方案制定提供有利的依據(jù)，提高工程的整體水平，減少工程的安全風(fēng)險(xiǎn)和問題。對施工形式、施工材料等進(jìn)行全面的分析，確保后期的維修、管理工作能夠井然有序地進(jìn)行，尤其是施工工藝的選用，必須與施工現(xiàn)場的實(shí)際情況相適應(yīng)，做好各種技術(shù)參數(shù)的管理與控制，對橋梁的承載力進(jìn)行分析，并及時(shí)地解決隱患，防止出現(xiàn)質(zhì)量問題。另外，要對某些不可控的因素進(jìn)行全面的分析，并制訂相應(yīng)的對策，靈活的施工，并根據(jù)不可抗力的影響作出相應(yīng)的調(diào)整。

4.2 總體上的結(jié)構(gòu)連續(xù)性

結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性要不斷提高，結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位要達(dá)到平滑性的要求，防止在施工過程中造成損傷。在公路橋梁施工中，采用柱形結(jié)構(gòu)的支承結(jié)構(gòu)，會(huì)造成結(jié)構(gòu)的非平順變化，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免采用柱形結(jié)構(gòu)，以確保結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、韌性和穩(wěn)定性。在施工階段，采用冗余的設(shè)計(jì)方法，使結(jié)構(gòu)更加安全，避免了局部變形，提高了抗震性能。

4.3 完善設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

目前，我國高速公路橋梁的設(shè)計(jì)還沒有建立起完整的結(jié)構(gòu)體系和理論支持，因此，在設(shè)計(jì)上也存在許多問題。所以，要使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)理論得到進(jìn)一步的改進(jìn)，才能使其更加科學(xué)。主要包括：對系統(tǒng)進(jìn)行必要的系統(tǒng)評價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的問題，明確安全系數(shù)、強(qiáng)度計(jì)算公式和失效應(yīng)力的要求，并對各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行全面的分析，使計(jì)算結(jié)果更加精確。

4.4 設(shè)計(jì)師職業(yè)素質(zhì)

目前，在我國的高速公路橋梁工程施工中，施工人員的素質(zhì)普遍偏低，設(shè)計(jì)水平整體偏低。因此，要提高公路橋梁的質(zhì)量，設(shè)計(jì)師必須主動(dòng)借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)，提高自己的設(shè)計(jì)能力。各有關(guān)部門應(yīng)定期組織有關(guān)人員參加培訓(xùn)、進(jìn)修，提高他們的認(rèn)識。在項(xiàng)目前期，對公路橋梁的現(xiàn)狀進(jìn)行全面的認(rèn)識，對其各部位的狀態(tài)進(jìn)行全面的了解，并對施工現(xiàn)場的具體情況進(jìn)行合理的分析，有條不紊地組織施工，以確保工程的安全、耐用性符合要求，為提高公路橋梁的使用性能打下基礎(chǔ)。

4.5 后期維護(hù)強(qiáng)度

除以上原因外，超載還會(huì)對車輛的安全和使用壽命造成負(fù)面影響。在高架橋工程建設(shè)完成后，由于高架橋在正常運(yùn)行中出現(xiàn)了嚴(yán)重的超負(fù)荷現(xiàn)象，導(dǎo)致橋體承受的荷載逐漸增加，從而導(dǎo)致橋梁逐漸惡化，從而影響橋梁的使用壽命和發(fā)生重大安全事故。

5 提升公路橋梁設(shè)計(jì)耐久性的有效對策

5.1 強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)性

公路橋梁是最基本的交通工具，它的設(shè)計(jì)既要兼顧美觀，又要降低造價(jià)，還要注重橋梁的安全性和耐用性。在進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要嚴(yán)格控制承載力的范圍，還要注意在提高承載力后，能否延長其使用壽命，提高其使用品質(zhì)。同時(shí)，相關(guān)人員也要改變自己的工作觀念，主動(dòng)提升自己的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，并且要注意每一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，從各個(gè)角度去理解設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從而達(dá)到更高的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。因此，必須綜合考慮各種因素，科學(xué)地設(shè)計(jì)公路橋梁的形式與結(jié)構(gòu)，以保證其結(jié)構(gòu)滿足不同的環(huán)境特點(diǎn)和使用要求。

5.2 完善相關(guān)規(guī)章制度

為了更好的滿足公路橋梁的設(shè)計(jì)需求，必須制定相應(yīng)的法規(guī)體系，以促進(jìn)高速公路橋梁的建設(shè)。國家有關(guān)部門要有能力制定出符合公路橋梁建設(shè)發(fā)展?fàn)顩r的相關(guān)制度，保證其順利進(jìn)行，并嚴(yán)格遵守有關(guān)法規(guī)和規(guī)章，從而有效地改善公路橋梁的建設(shè)和施工質(zhì)量，降低交通事故。在公路橋梁的設(shè)計(jì)中，要對各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的管理，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行施工。

5.3 重視公路橋梁疲勞損傷的設(shè)計(jì)研究

公路橋梁工程在運(yùn)營過程中可承受多種荷載。例如，車輛荷載和風(fēng)荷載都會(huì)對橋梁產(chǎn)生很大的內(nèi)力影響，受此內(nèi)力的影響，會(huì)產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)響應(yīng)，造成疲勞累積損傷，使公路橋梁出現(xiàn)裂縫，如果這些裂縫得不到有效控制，勢必造成橋梁損壞或直接倒塌。由于疲勞損傷引起的事故在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中很常見，因此疲勞損傷是鋼結(jié)構(gòu)橋設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)因素。此外，疲勞損傷的研究不僅要從橋梁結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，還要考慮公路橋梁的整體連接。在很多情況下，部分疲勞損傷會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能，最終導(dǎo)致整個(gè)工程的疲勞損傷破壞，威脅到橋梁的行車安全。

5.4 強(qiáng)化后期維護(hù)

在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)了公路橋梁之后，設(shè)計(jì)并沒有完全完成，為了提高公路橋梁的耐久性，有必要改進(jìn)后期養(yǎng)護(hù)理念。在施工中，要及時(shí)對公路橋梁進(jìn)行維修和保養(yǎng)，避免出現(xiàn)小問題，隨時(shí)掌握橋梁變化的動(dòng)態(tài)，并制定相應(yīng)的解決方案。在識別出潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的情況下，相關(guān)人員必須及時(shí)預(yù)測潛在風(fēng)險(xiǎn)，并向主管部門報(bào)告。此外，有關(guān)部門還應(yīng)對公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行充分的預(yù)算審查，防止下屬施工養(yǎng)護(hù)單位因財(cái)務(wù)問題受到限制，養(yǎng)護(hù)工作無法順利進(jìn)行。

6 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)充分重視公路橋梁的建設(shè)，確保其安全性和耐久性滿足人們的使用需求，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。目前，我國公路橋梁工程設(shè)計(jì)還存在著某些缺陷，影響著工程質(zhì)量和安全。結(jié)合實(shí)際問題，梳理切實(shí)可行的對策，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高設(shè)計(jì)水平，對推動(dòng)未來路橋事業(yè)發(fā)展，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定和發(fā)展將起到積極作用。