公路橋梁安全性和耐久性設計研究

徐遠賀

（江西贛北公路勘察設計院，江西九江 332000）

0 引言

公路橋梁的設計環節嚴重影響其耐久性與安全性。隨著社會的迅速發展，公路橋梁的荷載量顯著提升，公路橋梁結構破損時有發生，提高了安全事故的發生概率。優化設計方案是提升公路橋梁安全性與耐久性最有效的措施，能夠大幅度延長公路橋梁的使用壽命，使公路橋梁具有較強的抗破損能力，避免在使用過程中出現問題。

1 轉變設計理念

1.1 借鑒公路橋梁設計的成功經驗

公路橋梁的安全性與耐久性在早期設計工作中并未受到重視，設計人員的設計理念較為陳舊，因此在公路橋梁設計時，應重視轉變設計人員的設計理念，借鑒成功經驗，創新設計方法。設計人員應了解國內外公路橋梁設計的成功案例，分析其設計方案中用于提升安全性與耐久性的設計細節，深入學習其先進的設計理念，并在公路橋梁設計工作中貫徹該理念，將安全性與耐久性作為設計工作的重點。發達國家公路橋梁建設項目發展時間早，研究安全性與耐久性設計時間長，已積累了較多的成功經驗，吸取這些國家的成功經驗有助于快速轉變設計理念。發達國家的公路橋梁設計經驗豐富，設計人員可研究其安全性與耐久性優勢，借鑒其成功設計經驗，優化設計方案。

1.2 明確設計規范

公路橋梁的設計規范是設計方案的最低標準，為保證設計人員的工作成果滿足公路橋梁建設需求，在轉變設計理念前應明確我國現行的設計規范。規范內容如下所述：第一，公路橋梁設計方案的使用壽命為100年，設計人員需按照公路橋梁的實際設計需要在一定范圍內合理調整使用壽命。第二，公路橋梁設計方案的支座形式需依據公路橋梁的壓力確定，壓力在300t 以下盡量使用板式支座，壓力在300～800t 之間優先考慮球型支座。第三，在設計方案中，公路橋梁搭板的厚度需高于250mm，長度應超過5m。第四，遵守公路橋梁的縱坡設計規范，橋上縱坡小于4%，橋頭引道縱坡小于5%，保證公路橋梁縱坡與路線布設相互協調。第五，在公路橋梁設計中，應包含排水系統設計與防水層設計，減少水分對公路橋梁安全性與耐久性的影響。第六，在一級公路橋梁設計中，瀝青混凝土鋪裝厚度應大于70mm，二級及二級以下公路橋梁鋪裝厚度大于50mm。

1.3 了解公路橋梁工程的現場情況

為提升公路橋梁設計方案的安全性與耐久性，設計人員應深入了解公路橋梁建設位置的實際情況，依據建設現場的環境轉變設計理念，調整設計方案，提升公路橋梁設計方案的實際可行性，為公路橋梁建設提供具有較強安全性與耐久性的設計方案。

首先，設計人員應明確影響公路橋梁設計的外界因素，識別影響安全性與耐久性的外部條件，將解決外部隱患作為設計工作開展的基礎。

其次，與公路橋梁項目管理人員保持緊密聯系，掌握公路橋梁項目需具備的功能與質量，形成書面材料用于設計工作開展，制定公路橋梁設計工作的目標。

最后，借助現代化先進設備對公路橋梁建設現場進行勘測，詳細記錄現場情況勘測結果，綜合考慮工程項目的建設需求與外部環境，確定公路橋梁的設計方向，為安全性與耐久性設計工作開展提供參考資料。

2 增加保護層厚度

2.1 明確保護層厚度的規定

設計人員在設計保護層厚度時，應重視研究公路橋梁保護層的厚度規定，明確公路橋梁不同結構的最小保護層厚度，以此為基礎合理增加保護層的厚度，提升公路橋梁的安全性與耐久性，使用年限為100年的公路橋梁保護層設計最小厚度規范見表1，使用年限在50年以下的公路橋梁保護層最小厚度為表1 中數據的0.7 倍。在增加公路橋梁保護層厚度時，設計人員還應注意保護層材料強度對保護層厚度的影響，當所用保護層材料強度小于C25，應在規定基礎上增加5mm，強度等級C25 代表材料抗壓強度在25～30MPa 之間。除此之外，在設計公路橋梁保護層厚度時可增設基礎墊層，增設墊層后，保護層厚度從墊層上表面開始計算，一般厚度不應小于40mm。公路橋梁保護層最小厚度與保護層材料強度關系緊密，設計人員在確定保護層厚度時，需結合材料性能合理調整保護層的厚度范圍。

表1 保護層最小厚度

2.2 制定保護層的控制措施

為使設計方案中保護層厚度在實際施工中不受影響，設計人員需制定控制保護層厚度的措施，充分發揮保護層設計方案在提升公路橋梁安全性與耐久性設計中的作用。保護層厚度控制措施如下所述：第一，按照公路橋梁質量驗收標準設置合理的厚度偏差范圍，保護層厚度允許偏差范圍為5mm 之內。第二，按照公路橋梁保護層設計需求，加強施工人員培訓力度，提升施工位置的準確性，有效控制公路橋梁保護層的厚度在合理范圍內。第三，在設計方案時，規范施工所用設備，保證設備的性能符合公路橋梁施工的精度要求，使公路橋梁的保護層厚度與設計方案相符，充分發揮自身的保護作用，體現公路橋梁設計的安全性與耐久性原則。第四，規范保護層材料振搗的技術要點，振搗棒的落點位置需控制在距離鋼筋10～15cm 位置范圍內。

3 注重材料的選擇

3.1 確定材料目標

材料的選擇直接影響設計的結果，為保證公路橋梁設計方案的安全性與耐久性，設計人員需按照工程要求合理選擇施工材料。第一，混凝土的選擇。混凝土是公路橋梁施工的主要材料，設計人員在開展設計工作時，應對混凝土的性能進行規范，根據工程的建設需要確定混凝土的強度等級、水灰比等指標，避免混凝土性能不達標影響設計方案的實際應用效果。第二，鋼筋的選擇。設計人員應確定公路橋梁項目對鋼筋的強度需求，合理選擇性能與尺寸合適的鋼筋，避免設計方案在實際執行過程中出現問題，影響公路橋梁的安全性與耐久性。

3.2 混凝土性能選擇

混凝土材料的選擇是設計過程中材料選擇工作的重點，所選混凝土的性能直接決定設計方案的可行性。在選擇混凝土時需遵循以下原則：

第一，計算公路橋梁項目對混凝土強度的需求，按照下述公式計算混凝土所需抗壓強度：

式（1）中：k 為公路橋梁需承受的破壞荷載力；s 為公路橋梁的受壓面積；得出的抗壓強度值應精確到0.1MPa。

第二，制定材料性能選擇標準后，設計人員應要求施工人員按照設計方案制作樣本，檢驗混凝土的真實抗壓強度，及時發現混凝土材料性能標準存在的問題，快速調整設計方案，保證公路橋梁的安全性與耐久性。

第三，檢驗混凝土的抗碳化能力，混凝土碳化現象的化學反應式為：

設計人員應明確混凝土的成分含量與酸堿性，科學規定公路橋梁項目混凝土材料的穩定性。以混凝土為主要材料的公路橋梁占我國橋梁總數的90%以上，因此選擇高質量的混凝土是設計人員的主要工作任務，設計人員務必按照設計要求制定材料選購標準，為完成高質量公路橋梁設計奠定基礎，提升公路橋梁設計方案的安全性與耐久性。

4 重視公路橋梁疲勞計算

4.1 明確公路橋梁的外力荷載因素

識別公路橋梁的外力荷載因素是計算公路橋梁疲勞值的前提條件，而外力荷載量也是影響公路橋梁安全性與耐久性的首要因素。造成公路橋梁疲勞的主要原因有以下幾種，設計人員需精確掌握并以此為基礎完成公路橋梁設計工作。第一，公路橋梁設計方案的荷載量極限值小于公路橋梁實際荷載量，使設計的公路橋梁長期處于超載狀態，設計方案不符合實際情況，影響公路橋梁設計的安全性與耐久性。第二，車輛是公路橋梁受到的主要外力，因此設計人員在計算公路橋梁疲勞值之前，應調查公路橋梁建設路段的車流量，保證公路橋梁設計方案的極限荷載量高于實際車流量的10%。第三，公路橋梁實際使用會對荷載能力造成不良影響，因此在設計公路橋梁荷載能力時應適當提高設置的數值，延長公路橋梁的使用壽命。

4.2 計算應力幅與應力范圍

計算公路橋梁的應力幅與應力范圍是優化設計質量的前提條件。設計人員應按照計算結果開展設計工作，提升公路橋梁的抗壓強度，實現安全性與耐久性的設計目標。設計人員需按照下述公式計算公路橋梁的應力幅：

按照公式（4）能夠計算得出公路橋梁應力平均值，確定公路橋梁所受壓力的基本情況，而后按照公式（5）計算應力波動范圍：

以此為基礎確定公路橋梁抗壓強度的極限值，使公路橋梁的設計方案可承載公路橋梁的實際外力，具有較強的安全性與耐久性。據調查顯示，公路橋梁抗壓強度的降低主要原因為部件的老化，由于金屬部件導致公路橋梁抗壓能力下滑的概率占90%以上。因此，設計人員在獲取應力計算結果后，應按照實際設計需要強化公路橋梁金屬結構設計，減緩部件老化與磨損的速度，有效增強公路橋梁的耐久性。

5 提升設計人員素養

5.1 加大培訓力度

設計人員的素養對設計質量具有決定性作用，因此提升公路橋梁安全性與耐久性的同時應加大設計人員的培訓力度，提升設計人員的業務能力。加大培訓力度的方式如下所述：第一，邀請領域內優秀人士與專家召開講座，組織公路橋梁設計人員學習設計相關內容，了解領域前沿設計思想和標準規范，提升自身的設計能力。第二，完善設計人員考核制度，建立與培訓工作相匹配的考核方式與考核標準，對培訓工作開展效果進行驗收，及時發現培訓工作中存在的問題，調整培訓方式與培訓內容，充分發揮培訓對提升設計人員綜合素質的作用。第三，將考核結果與設計人員薪資待遇相聯系，引起設計人員對培訓工作的重視，積極參與培訓，不斷提升自身設計水平，保證公路橋梁設計方案的安全性與耐久性。第四，設置專門負責培訓檢查的督導小組，保證培訓制度的落實效果，打造高水平的公路橋梁設計人才隊伍。

5.2 構建設計理論體系

設計人員所掌握設計理論體系結構影響公路橋梁設計工作的結果。隨著公路橋梁設計理念的改革，相關部門應幫助設計人員建立全新的理論體系，使設計人員的設計水平滿足公路橋梁的安全性與耐久性需求。首先，將安全性與耐久性作為公路橋梁設計的基礎原則，使設計人員在設計過程中重視設計方案的安全性與耐久性，科學設置設計方案的各項參數，形成與公路橋梁建設需求相符合的工作模式。其次，將信息技術引入公路橋梁設計工作，借助信息技術的計算優勢提升設計工作計算結果的準確性，保證公路橋梁設計方案的各項參數滿足公路橋梁的實際運行需求，使公路橋梁的安全性與耐久性得到保證，可長期穩定運行并為安全出行創造基礎條件。

5.3 完善人員管理制度

公路橋梁建設相關部門應建立完善的設計人員管理機制，創新設計人員的組織結構，清晰劃分設計人員在公路橋梁設計工作中承擔的責任。管理制度應包含以下內容：第一，規范設計工作的開展流程與開展目標，將公路橋梁的安全性與耐久性作為設計目標，強化公路橋梁設計工作的實用性。第二，結合設計理念改革后的工作需求調整設計人員的組織結構，建立適用于公路橋梁設計工作開展的管理層級，明確劃分各個設計人員的工作職責。安全性與耐久性強的公路橋梁設計工作包含的工作內容多且設計難度大，增強人員管理力度至關重要，為保證設計成果的質量，精確劃分設計人員的責任范圍成為設計工作發展的必然結果，該管理制度下設計人員可針對性提升自身的工作能力，全面提高公路橋梁設計方案的質量。

6 結語

綜上所述，設計人員在設計階段可采用多種方式提升公路橋梁的安全性與耐久性，不斷研究影響安全性與耐久性的因素，積極采取措施調整公路橋梁設計方案。在設計工作開展中，重視檢查設計方案的質量，確保公路橋梁的設計成果滿足建設標準，具有較強的安全性與耐久性，可用于公路橋梁建設，能夠承受建設位置的實際荷載量。