橋梁設計中的安全性及耐久性分析

趙強

（云南交通職業(yè)技術學院，云南 昆明 650500）

0 引言

橋梁工程是現(xiàn)代交通系統(tǒng)的重要組成部分，具有投資大、規(guī)模大、影響因素多等特征，設計難度相對較大。現(xiàn)代橋梁設計中，安全性、耐久性逐漸得到重點關注，直接關系到橋梁使用安全與成本，只有保證橋梁結構可滿足不斷增加的交通荷載需求，減少混凝土碳化、裂縫以及鋼筋銹蝕等問題，減輕養(yǎng)護維修負擔，方可獲得良好的社會經(jīng)濟效益。

1 橋梁設計存在的隱患分析

橋梁設計中，安全性、耐久性是重要考慮因素，然而工程實踐中常因設計人員考慮不足、未嚴格按規(guī)范設計，導致橋梁結構存在諸多隱患，主要表現(xiàn)為耐久性不足、安全性不足、結構承載富余量不足等問題，給整個交通系統(tǒng)安全、可靠運行帶來一定的威脅。本文從安全性、耐久性兩大角度出發(fā)，橋梁設計主要問題如下：

（1）過度追求設計效率，未充分考橋梁使用后的耐久性、耐腐蝕問題。橋梁設計需考慮因素眾多，部分設計人員未能夠綜合考慮所有問題，如：過度追求快速設計，甚至在設計前未勘探施工現(xiàn)場，橋梁設計存在盲目性，橋梁投入使用后發(fā)生斷裂、倒塌等嚴重事故。

（2）不重視安全問題，橋梁質量設計不高。部分橋梁設計方案不重視規(guī)范，設計錯誤多，設計質量不高，以至于橋梁施工、運營中存在較大的安全隱患。此外，監(jiān)管不到位也是導致橋梁安全問題出現(xiàn)的重要原因之一，無論在橋梁設計還是施工過程中，必須監(jiān)管各個環(huán)節(jié)，切實保證橋梁設計方案安全、可靠。

2 橋梁設計中的安全性及耐久性目標

為了提高交通安全、減小運維成本，橋梁設計中必須重視安全性及耐久性，下文主要針對橋梁設計中的安全性、耐久性目標展開分析。

2.1 安全性設計目標

橋梁的安全性主要包括兩個方面內容：①使用者的生命安全；②結構自身使用安全，對應的是承載能力極限狀態(tài)。對于橋梁結構而言，可安全承受各項設計荷載是基本要求。

橋梁是承受循環(huán)荷載的結構，需考慮構件疲勞壽命、疲勞極限，且部分重要橋梁要求損傷后快速修復，因此安全性設計中必須考慮可恢復性。根據(jù)《公路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準（JTG 2120—2020）》（以下簡稱“標準”），對橋梁結構目標可靠性提出要求，如表1所示。橋梁結構目標可靠度的最優(yōu)化設計與區(qū)域實際情況相關，將我國標準與歐美相比，目標可靠度更高，應該與我國正處于快速發(fā)展時期有關，橋梁設計時需考慮未來可能面臨荷載快速增長的情況，因此留有更多富裕度。

表1 橋梁結構承載能力極限狀態(tài)目標可靠指標

2.2 耐久性設計目標

為了更好地描述橋梁耐久性變化情況，本文從實用性出發(fā)，并結合ISO13823：2008耐久性設計一般原則，提出橋梁耐久性設計目標。

第1階段耐久性極限狀態(tài)，指的是結構開始劣化的耐久性初始極限狀態(tài)，針對結構使用過程中表觀狀態(tài)的定義。如：鋼筋混凝土碳化、鋼筋銹蝕、鋼/木結構表面腐蝕等，此時認為橋梁需進行修復。

第2階段耐久性極限狀態(tài)，指的是橋梁實際使用性能的耐久性最終極限狀態(tài)，針對結構使用功能的定義。如：鋼筋混凝土裂縫、鋼筋外露、鋼結構銹蝕至外觀嚴重破壞等，此時認為橋梁需進行構件更換或結構大修。

根據(jù)ISO13823：2008要求，結構耐久性極限狀態(tài)的可靠度，需綜合考慮結構和構件設計使用壽命、結構養(yǎng)修難度與成本以及結構的失效后果等諸多因素，并參考相關專家意見、客戶需求，可靠度表達如下：

式中：Z（t）-結構在某時刻的耐久性功能函數(shù)；R（t）-t時刻廣義抗力；S（t）-t時刻廣義作用效應；Pf（t）-t時刻結構失效概率；βD（t）-t時刻結構耐久性可靠度。

橋梁結構使用壽命期間耐久性指標的變化如圖1所示，其中，P（t）是結構目標失效概率，Pt=Pf（TD）。

圖1 橋梁結構使用壽命期間耐久性指標變化情況

3 實例探析橋梁的安全性及耐久性設計

3.1 工程概況

本項目為連續(xù)鋼構橋，橋梁長度320m，四跨，主跨100m、兩邊跨60m。橋梁主梁設計為單箱雙室變高箱梁，頂、底板寬度分別為21.2m、14.2m；支座位置梁高6m，跨中位置2.5m，頂板厚度相同，全部控制在0.3m。本文主要針對此橋梁設計中的安全性、耐久性設計做重點探討。

3.2 主梁構造設計

本項目橋梁設計時，為提高結構耐久性，嚴格按細部設計標準與規(guī)范，強化構造設計與材料控制。主梁設計為鋼筋混凝土結構，考慮橋梁跨徑大，設計時考慮增強主梁間橫向整體性，布置預應力筋。

本項目結合橋梁結構受力與施工要求，確定主梁結構尺寸、鋼筋布置方案，具體設計方案如下：φ15.2鋼絞線，設計采用交錯單端張拉方法，布置于箱梁腹板；每束鋼絞線由3根組成，設計采用扁錨體系，縱橋向布置，布置間距50cm；邊跨端橫隔板，設計采用φ32精軋螺紋鋼筋。設計過程中，考慮鋼筋避讓問題，減少后期施工問題，提高橋梁結構安全性。

3.3 載重結構設計

橋梁設計中，載重結構指的是橋墩、承臺，此類結構受力集中，一旦設計失誤，極易導致橋梁結構安全性受到極大威脅。本項目結合橋梁實際情況進行載重結構設計如下：①橋墩：橫向橋梁寬度14.2m，縱向高度60m、60m、15m，相應的寬度參數(shù)不同，橋墩間距4m；②橋臺：重力式U型橋臺，基礎擴大處理，縱向寬度11.2m、厚度5m，橫向寬度16.2m、厚度5m。

根據(jù)項目地質條件調查發(fā)現(xiàn)，橋頭分布有軟土地基，為保證橋梁運營中車輛行駛安全，需做好地基處理設計，嚴格控制沉降，臺后路基填土設計采用填土預壓、鉆孔成樁的方法。支座設計時，需充分考慮變形因素，設置上下鋼板，預制梁端底部設墊塊，保證支座可靠受力。

3.4 結構材料選擇

橋梁安全性及耐久性設計中，結構材料選擇是重要內容之一。此橋梁結構設計選用C50混凝土，邊跨位置現(xiàn)澆，現(xiàn)澆段9m、合攏段2m。橋面鋪裝設計選用耐久性水泥材料，適當摻加聚丙烯纖維；混凝土層上方，設計選用水性瀝青基滲透性防水材料。預制梁頂位置，設計采用抗剪連接鋼筋，以此增強橋梁結構整體性能。

3.5 附屬結構設計

為提升橋梁結構耐久性，必須重視結構防護問題，科學開展附屬結構設計工作。本項目橋梁設計中，保證伸縮縫與橋面鋪裝層有效契合，防止出現(xiàn)滲水問題，進而導致主體結構腐蝕，影響橋梁結構性能。

4 結語

綜上所述，在橋梁設計中需充分考慮結構安全性、耐久性問題，保證橋梁使用安全，減少因環(huán)境侵蝕或是交通荷載所致的各種病害，合理控制養(yǎng)護管理成本。橋梁安全性、耐久性設計中，應綜合考慮交通荷載、橋址環(huán)境以及相關規(guī)范等因素，做好結構設計、材料選擇與相關優(yōu)化工作，保證橋梁整體安全、可靠、耐久。