提高公路橋梁安全性和耐久性的設計方法研究

蘇巧嫻

（廣東大禹水利建設有限公司，廣東 汕頭 515199）

1 橋梁設計安全的組成

1.1 橋梁結構的安全性

橋梁結構整體的牢固性和承受能力決定了橋梁的安全性。具體體現為：

1）橋梁結構的整體牢固性：當橋梁結構出現局部破壞時，橋梁具有防止破壞擴大而導致整體塌陷的能力。

2）橋梁結構構件的承載能力是指橋梁結構可以承受各種負荷，主要包括承受溫度和濕度影響的能力。

1.2 橋梁結構的耐久性

橋梁的耐久性是指橋梁具有承受各種環境因素、人為因素等破壞和影響的能力。當橋梁建造和使用時，會受到環境的影響、有害物質的侵蝕、人為的破壞等，且隨著時間的推移，材料本身性能也會發生變化。因此，橋梁結構會受到不同的損傷和劣化，從而影響橋梁結構的安全性[1]。

2 公路橋梁安全性和耐久性的必要性分析

橋梁在交通基礎設施中不可或缺，其安全性和耐久性均會對橋梁的運營水平帶來影響。安全性可通過結構負載等指標衡量；耐久性與施工技術、材料質量及維護管理等息息相關[2，3]。

若公路橋梁存在安全性或耐久性方面的問題，將嚴重影響車輛的正常通行秩序，埋下安全隱患。因此，掌握混凝土材料的耐久性能劣化過程，是混凝土橋梁耐久性研究的基礎；此外，為了確保建成的混凝土橋梁在使用期限內有足夠的耐久性，就必須同步提升橋梁的耐久性施工技術和質量控制方法。由此可見，對于公路橋梁的設計來說，應該把安全性和耐久性作為重點考慮，并不斷進行研究。

3 公路橋梁安全性和耐久性的設計方法分析

3.1 上部結構的設計

橋梁上部結構的設計需要考慮到全橋受力、技術可行性和成本等方面的需求。對于建設在平緩地形區的中小型橋梁，可采取簡支空心板結構，因為其具有操作便捷、跨度小的特點，所以，在保證橋梁質量的同時還可減少成本投入。但是，考慮到簡支空心板橋梁在高海拔山區建設環境中缺乏可行性，且其不僅跨徑難以滿足施工要求，而且深溝高跨比在技術方面也缺乏合理性。

通常情況下，根據山區高速公路的建設條件，宜選擇預制T梁結構。同時，在設計工作中，還可以適當加大跨徑，以發揮出預制T 梁結構施工便捷、成本較低的應用優勢。但需注意的是，若T 梁作為曲線梁，此時該結構的平衡受力能力則會偏弱且不具備足夠的抗扭能力，故產生的彎矩將會對下部結構造成顯著影響，從而導致其形成不平衡力。鑒于此，在小彎矩曲線橋工程中，可采用直梁結構，并在許可范圍內適度調整翼緣板的寬度，以更好地優化曲面橋的平面線形，盡可能緩解T 梁橋彎矩作用。

3.2 下部結構設計

下部結構主要發揮的是支撐作用。就下部結構設計而言，橋墩設計是較關鍵的環節，需考慮到現場地質和上部結構特點。現階段，應用較為廣泛的有柱式墩、雙薄壁墩等。

以柱式墩為例。該結構應用優勢在于施工便捷且整體觀感較好。在采取柱式墩結構設計時，需輔以加強措施，常用的加固方式有鋼管外包、增加橫截面、碳纖維材料加固等。一般來說，可采用橢圓形的鋼管進行外包加固。如果采用碳纖維材料加固，則需確認施工環境，并合理地安排施工、控制施工品質。此外，還可以通過適當加大墩底接觸地面的面積或采取加厚的方法，以提升墩底的支撐力與結構的剛度和性能，避免橋梁整體出現負彎矩或結構變形；同時，在采用加大橫截面進行加固過程中，要保證加固部分能有效約束原有墩柱。值得注意的是，當對橋墩結構進行加固施工后，應及時計算加固后的承載力，以評估加固效果。

3.3 隔震設計

隔震設計，需關注的要點：

1）隔震裝置是指設置于橋梁各安裝結構間用來增加結構阻尼并降低輸出能量的減震支座。受過往車輛以及地質環境（地震等）的作用，橋梁的平穩性將受到影響，因此，做好隔震設計至關重要。現階段，隔震設計普遍采用的是彈性反應譜設計法，其存在特定的計算公式，經計算后可確定隔震裝置的性能指標，包含等效阻尼、等效剛度等。

2）遇不規則橋梁時，可采用時程分析法確定恢復力模型，加速度時程可以依據隨機合成的方式進行，參考式（1）計算。考慮到震動的不規律性，每一組設計加速度時程要有3 條以上，且要保證兩時程間由式（1）定義的相關系數ρ 的值小于0.3，此時需重點考慮彈性裝置的工作能力，使其可維持穩定。

式中，ρ 為定義的相關系數；N 為時程的加速度幅值總個數，當兩個時程不一樣時，取其中小的時程；a1為計數點1 位移加速度，m/s；a2為計數點2 位移加速度，m/s；j 為第j 個頻率分量幅值。

3）附屬結構。橋梁附屬結構的類型豐富，較普遍的有伸縮縫、限位裝置等，經時程分析法分析后可知，附屬結構中的細部構造為關鍵影響因素，此設計將直接對隔震效果以及動力響應情況帶來影響。但部分設計人員并未充分考慮到結構細部的優化問題，加之附屬結構動力響應的發生機制較為復雜，因而難免導致在這方面的工作效果差強人意，影響細部構造的合理性。

3.4 加強對橋梁疲勞損傷的檢查

公路橋梁的運營環境較為苛刻，易受到行車荷載、自然降雨、河水沖刷等因素的影響，且隨時間的延長而出現受侵蝕的情況。另外，由于公路橋梁疲勞損傷的發生是一個持續性的過程，同時初期其影響相對微弱且不便于觀察，因此該現象很容易逐步影響到周邊結構。不僅如此，若在后期維護過程中才發現問題，此時的疲勞損傷將直接對全橋的使用狀況帶來影響，若缺乏及時的處理措施，則極易發生結構脆性斷裂等問題，造成不可估量的損失。

為有效規避橋梁疲勞損傷，必須在橋梁運營階段做好定期檢查，及時發現問題，同時對該現象要給予高度的重視，分析成因并正確處理，從而將不良影響范圍降到最小，以進一步保證橋梁具有足夠的安全性和耐久性。

3.5 以合理的方式使用材料

混凝土是橋梁結構的主要組成元素，其質量將對成橋施工效果帶來顯著影響。當混凝土工程性能良好時，將十分有助于提高橋梁結構的安全性和耐久性。對于混凝土質量來說，配合比是影響的主要因素，因此必須嚴格控制水泥、水等各類材料的用量，從而更好地形成相互作用的混合材料體系。

為保證混凝土的配合比具有合理性，需在大面積施工前組織工藝性試驗，并對比分析實際施工效果與設計要求的關系，同時根據實際施工的情況合理優化配合比，來確定施工效果最佳狀態下的配合比控制標準。

確保混凝土具有足夠的耐久性，可起到如下效果：（1）有效保護鋼筋，以免其在與外界潮濕空氣等環境因子接觸后發生銹蝕現象，充分發揮出鋼筋在橋梁結構中的作用；（2）提高混凝土結構的完整性，以免其出現裂縫、破損等質量問題。

3.6 做好橋梁耐久性的設計工作

橋梁設計是后續施工作業的關鍵“向導”。從現階段的橋梁設計工作狀況來看，設計人員重視安全性而忽略耐久性的情況依然存在，雖然成橋質量達標，但隨著使用時間的延長，將受到各類因素的影響。概言之，即由于橋梁耐久性欠佳，因此易導致其出現不同程度的質量問題。

影響橋梁耐久性的因素較多，自然層面包含雨水的沖刷與腐蝕、其他化學物質的腐蝕、高強風力的作用等；人為方面包含橋梁運營階段車輛通行所產生的行車荷載，該因素較易影響橋梁結構的正常使用，且伴有不同程度的損壞。由于各類因素的作用具有持續性，因此橋梁經長時間的使用后會出現大量的質量問題，而在此情況下采取防治措施所取得的成效甚微。

針對上述情況，為有效提高橋梁的耐久性，在設計階段就要充分兼顧各類影響因素，明確其對橋梁的損害程度，以主動的方式在最大限度上規避不良因素，從而提高橋梁在面對外界不良影響時的抵御水平；此外，還要將結構形式的優化、材料質量的控制、施工方法的改進等方面作為著力點，以切實提高橋梁的耐久性設計水平。

4 結語

社會經濟的良好發展給公路橋梁建設事業創設了全新的契機，與此同時也對公路橋梁的質量提出更高的要求，安全性和耐久性成為設計工作中的重點內容。本文以公路橋梁為基本對象，對其安全性和耐久性設計要點展開探討，希望可作為類似工程的參考。