市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究

袁永相

江西省交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 江西 南昌 330022

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和人們生活水平不斷提高，對交通出行的要求也越來越高，使我國交通建設(shè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。市政橋梁作為交通體系中重要的組成部分，已然受到社會各界廣泛關(guān)注。市政道路橋梁項目是一項實施周期長、投資量大、綜合性強、過程復(fù)雜、工程龐大的建設(shè)項目，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著人們的出行安全[1]。市政橋梁設(shè)計是項目實施過程中重要環(huán)節(jié)，而結(jié)構(gòu)設(shè)計是市政橋梁設(shè)計中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)設(shè)計好壞直接關(guān)系到市政橋梁的安全性，因此，做好市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要[2]。市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在許多亟待解決的問題。本文在以往研究基礎(chǔ)上，結(jié)合市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計實際情況，分析市政橋梁結(jié)構(gòu)中存在的問題，并提出市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循的基本原則和設(shè)計優(yōu)化策略，為提高我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計水平提供參考。

1 市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題

1.1 我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀分析

目前我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計水平不高，在設(shè)計過程中會遇到各式各樣的問題，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）市政橋梁設(shè)計重點關(guān)注經(jīng)濟效益，監(jiān)管不力。首先，在市政橋梁設(shè)計中，為了節(jié)約時間成本，壓縮了市政橋梁設(shè)計周期，在一定程度上還降低了市政橋梁設(shè)計質(zhì)量，不僅導(dǎo)致了市政橋梁設(shè)計人員及單位缺少創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計的時間，還對其質(zhì)量安全責(zé)任意識產(chǎn)生了不利的影響。其次，由于招投標(biāo)制度還存在一定的缺陷，在市政橋梁項目招投標(biāo)過程中并沒有完全實現(xiàn)公平公開公正原則[3]。此外，在評獎過程中，更多注意的是市政橋梁項目規(guī)模，很少關(guān)注設(shè)計水平，極大影響了市政橋梁設(shè)計人員工作的積極性。

（2）市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中忽視了內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。在市政橋梁設(shè)計過程中，設(shè)計人員往往重點關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)壓力強度，很少考慮橋梁結(jié)構(gòu)體系、材料質(zhì)量強度以及耐久度等等，也很少從項目設(shè)計、施工以及維護等全過程方面考慮市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計問題[4]。這就導(dǎo)致了一些市政橋梁在使用了幾年后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，給后續(xù)維修帶來了極大的困難，也造成了不小的經(jīng)濟損失。

（3）市政橋梁設(shè)計理論和構(gòu)造體系不完善。目前我國市政橋梁設(shè)計理論相對落后，更新速度還較慢，無法與工程項目中新材料、新技術(shù)、新工藝發(fā)展速度相匹配[5]。此外，市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計首先考慮的是經(jīng)濟合理性和結(jié)構(gòu)的安全性，因此，在市政橋梁構(gòu)造體系上創(chuàng)新還處于嘗試階段。

1.2 市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計具體細(xì)節(jié)分析

從現(xiàn)狀分析可以看出我國市政橋梁設(shè)計水平相對落后，在實際操作過程中，市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計在具體細(xì)節(jié)方面還存在許多問題，以下主要從構(gòu)造設(shè)計、結(jié)構(gòu)耐久性、結(jié)構(gòu)疲勞損傷、結(jié)構(gòu)超載以及結(jié)構(gòu)抗震等方面展開分析，具體如下：

在市政橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計方面，首先是伸縮縫設(shè)置問題，伸縮縫一般設(shè)計為普通橡膠支座，橡膠支座耐久性較弱，當(dāng)長期受到汽車荷載時容易發(fā)生變形和損壞，降低了市政橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[6]，如圖1所示。同時，在伸縮縫位置所埋設(shè)空心梁數(shù)量不夠，并且樁基主筋保護層與建筑規(guī)范不一致，這都會對市政橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計產(chǎn)生不良的影響。此外，一般不會考慮汽車超載的情況，然而在現(xiàn)實中，汽車超載是一種普遍現(xiàn)象，并且橋面一般不會設(shè)計成一個整體的鋼筋網(wǎng)，這都進一步降低了市政橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

圖1 市政橋梁伸縮縫問題

在市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方面，市政橋梁設(shè)計人員側(cè)重于結(jié)構(gòu)安全計算，容易忽視市政橋梁總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理。市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久度受到多種因素影響，例如市政橋梁在建造和使用時，主體結(jié)構(gòu)長期暴露在外部環(huán)境中，容易受到空氣、水、有害化學(xué)物質(zhì)的影響[7]，如圖2所示。同時，市政橋梁結(jié)構(gòu)不僅承受自己重力荷載，還受到不同車輛、地震、水流沖擊等動荷載影響，這些因素都大大降低了市政橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。此外，市政橋梁的拉鎖問題也是結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中需要考慮的重點。許多市政橋梁拉鎖未到使用期就需要進行更換，不僅影響市政橋梁的使用，還造成了不小的維護費用。

圖2 橋梁主體結(jié)構(gòu)損傷

在市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷設(shè)計方面，車輛荷載、水流沖擊荷載和風(fēng)荷載是市政橋梁造成結(jié)構(gòu)疲勞損傷的重要因素。市政橋梁結(jié)構(gòu)通常需要受到上述動荷載的影響，他們并不是一次性的，而是在市政橋梁內(nèi)部形成一種循環(huán)變化的應(yīng)力，這些應(yīng)力對市政橋梁結(jié)構(gòu)造成了持續(xù)震動。由于市政橋梁結(jié)構(gòu)材料并不是均勻和連續(xù)的，受到這些持續(xù)震動影響，市政橋梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞損傷，如不能及時發(fā)現(xiàn)仍其發(fā)展有可能造成嚴(yán)重的安全事故和災(zāi)難性后果[8]。結(jié)構(gòu)疲勞損傷被認(rèn)為是市政橋梁設(shè)計中最重要的問題之一，也是被市政橋梁設(shè)計人員容易忽視的問題。

在市政橋梁結(jié)構(gòu)超載設(shè)計方面，超載是市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷的主要原因。市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，很少考慮超載問題。一般情況下，市政橋梁結(jié)構(gòu)超載分為三種。其一是由于使用時間較長導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)老化造成的。在這種超齡負(fù)載情況直接影響市政橋梁結(jié)構(gòu)使用時間。其二是車流量嚴(yán)重超標(biāo)。在現(xiàn)實情況下，一些路段車流量大，并且持續(xù)時間長，嚴(yán)重超過設(shè)計流量。這種情況極大影響市政橋梁結(jié)構(gòu)壽命。其三是車輛違規(guī)超載，超載車輛產(chǎn)生超大的動力荷載，嚴(yán)重影響市政橋梁結(jié)構(gòu)使用時間。前兩種超載現(xiàn)象的產(chǎn)生其原因在于市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載與日益增加的交通需求量之間不匹配，后者則是因為汽車駕駛員的違規(guī)行為。市政橋梁結(jié)構(gòu)超載極易造成結(jié)構(gòu)疲勞問題，隨著疲勞程度的不斷增加和損失加劇，有可能造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞事故。相比之下，后兩種結(jié)構(gòu)超載情況較為普遍。

在市政橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面，震動影響是市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的重點之一。在市政橋梁抗震設(shè)計中，不僅需要按所在地區(qū)抗震規(guī)范要求進行設(shè)計，還需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面盡可能加強結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性，使其成為一個整體，從而加強市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。例如，提高墩臺和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的整體性，加大結(jié)構(gòu)部位的配筋數(shù)量，提高市政橋梁結(jié)構(gòu)的延展性等等。對于一些不良地質(zhì)情況的地區(qū)，一般根據(jù)實際情況設(shè)計必要的加固措施。對于梁式橋結(jié)構(gòu)設(shè)計，在墩臺上方還需要設(shè)置縱橫交錯、聯(lián)結(jié)緊密的擋塊，防止落梁。此外，對于一些非常重要的市政橋梁工程，在設(shè)計時還需設(shè)計必要的減震裝置，例如橡膠墊款和消能支座等。

2 市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循原則

現(xiàn)階段市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮實現(xiàn)橋梁模塊化、精細(xì)化以及結(jié)構(gòu)化[9]。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方法逐步完善和精準(zhǔn)，使市政橋梁總體結(jié)構(gòu)設(shè)計更加科學(xué)。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需遵循以下原則。

（1）科學(xué)性原則。市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要遵循科學(xué)規(guī)律。在市政橋梁設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性是市政橋梁實施建造的重要保障，只有對市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計進行科學(xué)、合理的規(guī)劃、才能保障工程質(zhì)量和安全。市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計人員實踐過程中，必須保證是市政橋梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，這也是開展結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的前提條件。因此，市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)首選遵循科學(xué)性原則，保證市政橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，再按照現(xiàn)有科學(xué)規(guī)則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。

（2）簡約化原則。簡約化是在保證市政橋梁整體結(jié)構(gòu)安全的前提下盡量簡化不必要的設(shè)計內(nèi)容。在不影響市政橋梁整體質(zhì)量安全的前提下，中應(yīng)盡可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。這有利于市政橋梁工程項目實施方案制定和實施。同時，簡化市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)張力、荷載等承載力的有效傳遞，提升市政橋梁構(gòu)件結(jié)構(gòu)的強度。此外，隨著市政橋梁結(jié)構(gòu)簡化，可以減少項目實施過程中建材用量，有助于降低市政橋梁工程項目成本。

（3）整體性原則。整體性原則是指在市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中考慮后續(xù)項目實施，包括施工階段和運維階段，以最低資源消耗實現(xiàn)項目目標(biāo)。市政橋梁設(shè)計與施工一體化為后續(xù)施工提供了良好的基礎(chǔ)。此外，設(shè)計人員進行市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)從整體上考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高市政橋梁結(jié)構(gòu)實施可行性。這樣既不回?fù)p害橋梁的整體施工質(zhì)量和程序，還可以在一定程度上降低項目實施成本。

（4）綜合性原則。市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要綜合考慮建筑材料使用和結(jié)構(gòu)形式。建筑原材料性能不同，形成的市政道路和橋梁結(jié)構(gòu)各方面性能也不同，通過對其應(yīng)用的綜合考慮，可以選擇更加合適的材料運用到實際工程中，從而提高市政橋梁結(jié)構(gòu)的合理性。此外，應(yīng)根據(jù)外部環(huán)境和實際情況，選擇合適的市政橋梁結(jié)構(gòu)形式，從而為提高市政橋梁整體建造質(zhì)量提供保障。

3 市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略

通過市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題分析和遵循原則闡述，結(jié)合實際情況，從以下幾個方面提出市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略。

3.1 加強市政橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性設(shè)計

在市政橋梁結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計方面，首先需要做好項目前期調(diào)查工作，根據(jù)項目周邊環(huán)境以及設(shè)置的基本功能，選擇合適的市政橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)[10]。其次，在設(shè)計文件中明確各類材料的標(biāo)準(zhǔn)，例如混凝土、鋼筋及構(gòu)建型號等。然后，在形成最終設(shè)計方案前，應(yīng)對各項安全評估方案進行檢驗。

在市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方面，應(yīng)選擇合適的建筑原材料。首先，水泥影響市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要材料，其對混凝土強度和穩(wěn)定性具有重要影響。在市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)地區(qū)環(huán)境、溫度、水文地質(zhì)等實際情況選用合適的水泥材料。其次，在混凝土攪拌過程中，應(yīng)結(jié)合實際情況選擇合適的外添加劑，減緩混凝土材料碳化速率。最后，水灰比的控制是提高市政橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要途徑。應(yīng)根據(jù)市政橋梁項目實施要求，選擇合適水灰比的混凝土。

3.2 優(yōu)化市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷狀態(tài)

市政橋梁長期受到車輛荷載、風(fēng)荷載、水流沖擊等動荷載和自身重力影響，疲勞性應(yīng)力在市政橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷循環(huán)和積累，最終導(dǎo)致了市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷，這種疲勞損傷是不可避免的，只能通過優(yōu)化市政橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)。因此，在市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員可以對橋梁結(jié)構(gòu)材料的均勻度上做出一定的要求，最大限度的保障內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，由于市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞早期難以被監(jiān)測和判斷，因此，無論在市政橋梁工程項目建造，還是在使用過程中都應(yīng)加強對市政橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測，為設(shè)計人員優(yōu)化市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.3 合理設(shè)計市政橋梁結(jié)構(gòu)抗荷載能力

隨著運輸物流的需求增加，對運輸能力要求越來越高，運輸工具和運輸量也隨之增加，這都要求市政橋梁結(jié)構(gòu)具有更高的承載力。同時，大型運輸車隊的通行給市政橋梁帶來了極大的震動強度，給市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力提出了新的要求[11]。市政橋梁設(shè)計必須重視其結(jié)構(gòu)負(fù)荷承載力和穩(wěn)定性。在市政橋梁結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計時，首先設(shè)計人員應(yīng)在市政橋梁關(guān)鍵部位設(shè)置減震裝置，例如粘滯阻尼器，它是利用氣彈性部件降低橋梁震動動能，減小大型運輸車輛對市政橋梁結(jié)構(gòu)帶來的疲勞損害。同時還可以設(shè)置鉛芯橡膠支座，將力學(xué)性能好的支座與橡膠相結(jié)合，減小支座自身硬性撞擊，從而提升市政橋梁結(jié)構(gòu)的抗荷載能力。此外，在設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員可以采取縱橫交錯的市政橋梁結(jié)構(gòu)，優(yōu)化橋梁連接公路的接口，以此保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計是項目順利實施和運維的重要保障。本文分析了市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，在總結(jié)以往研究基礎(chǔ)上歸納了市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則，基于此，提出了市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略，為我國市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計水平提高提供參考。