公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性及耐久性研究

胡志剛

（江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

橋梁的安全性和耐久性是公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，對城市基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化建設(shè)具有至關(guān)重要的作用。對此，設(shè)計(jì)單位和相關(guān)人員需要給予高度重視，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)方案提高橋梁的安全性和耐久性，推動(dòng)公路橋梁建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 公路橋梁的安全性及耐久性概述

橋梁的安全性是指橋梁在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。在公路橋梁建設(shè)中，設(shè)計(jì)過程尤為關(guān)鍵且重要，公路橋梁設(shè)計(jì)是對橋梁工程所需要的技術(shù)、資金、資源、環(huán)境、設(shè)備、材料等條件因素進(jìn)行綜合分析論證，并在此基礎(chǔ)上編制橋梁設(shè)計(jì)文件，從而為公路橋梁實(shí)際施工提供指導(dǎo)和規(guī)范的一項(xiàng)工作。公路橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)水平將會(huì)在很大程度上給車輛行駛的安全性、耐久性、舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性以及美觀性帶來非常直接的現(xiàn)實(shí)影響。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要充分重視公路橋梁設(shè)計(jì)工作的開展，并以安全性與耐久性為重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保公路橋梁能夠發(fā)揮其最基本的功能作用。橋梁耐久性是指橋梁在正常使用和維護(hù)條件下，隨著時(shí)間的延續(xù)仍能滿足橋梁既定功能的能力，通俗地講也就是橋梁的使用周期。雖然公路橋梁的安全性和耐久性屬于兩個(gè)不同范疇，但都會(huì)給人們的出行安全構(gòu)成直接的威脅。同時(shí)，公路橋梁具有投資巨大、施工建設(shè)周期長等特點(diǎn)，在建設(shè)施工前并未做好全面系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，就容易在施工中出現(xiàn)現(xiàn)場秩序混亂、交叉施工、施工進(jìn)度不達(dá)標(biāo)等問題，嚴(yán)重情況下還會(huì)影響到公路橋梁的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。因此，在公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，必須對安全性與耐久性進(jìn)行重點(diǎn)分析研究，確保公路橋梁設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，保證其能夠滿足實(shí)際使用需求。例如，城市高架橋投資大、工期長，如果不對工程進(jìn)行全面的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，很可能出現(xiàn)交叉施工組織困難，施工場面混亂等問題。因此，在公路橋梁的規(guī)劃時(shí)，相關(guān)部門和人員應(yīng)綜合借鑒相關(guān)資料，并做好實(shí)際的調(diào)研和考察，尋找當(dāng)前公路橋梁的設(shè)計(jì)缺陷，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和提高認(rèn)知能力，做好相應(yīng)調(diào)節(jié)工作，確保公路橋梁的設(shè)計(jì)科學(xué)[1]。

2 公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)于安全性及耐久性的現(xiàn)狀

在公路橋梁設(shè)計(jì)中，大部分公路橋梁的設(shè)計(jì)思想和規(guī)劃設(shè)計(jì)僅注重橋身結(jié)構(gòu)和靜載狀態(tài)，部分設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員在安全性和耐久性兩個(gè)方面缺乏考量，而側(cè)重公路橋梁設(shè)計(jì)方案技術(shù)參數(shù)，缺少對環(huán)境因素、特定工況、橋梁工程施工的具體分析，致使公路橋梁的安全性和耐久性不能得到改善，在公路橋梁的規(guī)劃和施工中，還存在著安全性和耐久性不足的問題。在公路橋梁設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)理念因素會(huì)直接影響到公路橋梁的安全性與耐久性。雖然近些年我國公路橋梁施工技術(shù)與工藝水平得到顯著的提高，但從整體角度進(jìn)行分析，公路橋梁設(shè)計(jì)理念并未實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，也并未與施工技術(shù)與施工工藝實(shí)現(xiàn)同步發(fā)展，我國當(dāng)前在公路橋梁設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的設(shè)計(jì)理念與國際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。設(shè)計(jì)理念滯后會(huì)直接影響到公路橋梁設(shè)計(jì)工作人員開展設(shè)計(jì)工作，當(dāng)公路橋梁在設(shè)計(jì)過程中采取過大的安全系數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致公路橋梁在材料用量、材料標(biāo)號以及構(gòu)件尺寸方面存在較大誤差，不僅會(huì)增加公路橋梁施工建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，還會(huì)降低公路橋梁的耐久性能。公路橋梁對于管理養(yǎng)護(hù)與運(yùn)維有著非常高的要求，要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)既要重視細(xì)節(jié)方面的設(shè)計(jì)，又要重視整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。需要設(shè)計(jì)人員樹立相應(yīng)的檢測意識，充分調(diào)查一切可能對公路橋梁安全性與耐久性產(chǎn)生影響的因素，如路橋超載、路橋疲勞損傷等，才能降低設(shè)計(jì)方案不合理導(dǎo)致的公路橋梁工程質(zhì)量問題。除此之外，公路橋梁在設(shè)計(jì)的過程中有著諸多規(guī)定，其既要保障設(shè)計(jì)的美觀性與經(jīng)濟(jì)性，要保證設(shè)計(jì)的技術(shù)性與適用性，還要保障設(shè)計(jì)的可靠性、安全性與耐久性。設(shè)計(jì)人員在公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)美觀但使用壽命短、設(shè)計(jì)方案雷同等問題。這對設(shè)計(jì)人員的綜合素質(zhì)有著較高的要求，如果設(shè)計(jì)人員的綜合素質(zhì)達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，就無法勝任公路橋梁的設(shè)計(jì)工作，同樣也會(huì)降低公路橋梁的安全性與耐久性[2]。

設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性能夠直接影響公路橋梁設(shè)計(jì)的安全性和耐久性。一般而言，在公路橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師要能夠針對該橋梁工程的可行性、施工建設(shè)成本控制、施工設(shè)備材料選擇等多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析考量，并根據(jù)國家與行業(yè)相關(guān)法律法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定安全系數(shù)。但就目前而言，在我國偏遠(yuǎn)地區(qū)或自然環(huán)境條件較為惡劣地區(qū)，低等級公路橋梁設(shè)計(jì)方案的選擇較為單一，并未根據(jù)多方面實(shí)際情況對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。公路橋梁設(shè)計(jì)方案存在著過于側(cè)重安全性設(shè)計(jì)，忽視了公路橋梁施工建設(shè)成本、后續(xù)升級、后期養(yǎng)護(hù)等方面情況，導(dǎo)致公路橋梁在使用期間容易受多方面影響，使得公路橋梁安全性與耐久性無法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)[3]。

3 強(qiáng)化公路橋梁設(shè)計(jì)中的安全性及耐久性的有效策略

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)理念

在公路橋梁設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員不但需要對橋梁恒荷載計(jì)算考量，還應(yīng)該對最大活荷載合理估計(jì)，在公路橋梁工程使用壽命與安全系數(shù)上合理設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。在公路橋梁設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員需要結(jié)合橋梁建造環(huán)境和實(shí)際建造條件，對構(gòu)建適應(yīng)性、限制條件作出深入研究，從而選擇更加科學(xué)適合的橋梁結(jié)構(gòu)類型、材料和工藝技術(shù)，優(yōu)化橋梁安全性、耐久性方案和措施設(shè)計(jì)，確保滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，為橋梁施工質(zhì)量提供有力保障。只有保證設(shè)計(jì)的科學(xué)化，才能保證橋梁的質(zhì)量和穩(wěn)定性[4]。橋梁設(shè)計(jì)過程如圖1 所示。

3.2 完善設(shè)計(jì)方案

在對公路橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)前，相關(guān)工作人員需要提前針對公路橋梁的結(jié)構(gòu)、選材以及承載力等方面展開全面的調(diào)查研究。在結(jié)構(gòu)選材方面，設(shè)計(jì)人員需要依照公路橋梁施工現(xiàn)場的地形地質(zhì)條件與自然氣候等因素，科學(xué)選擇公路橋梁結(jié)構(gòu)與施工材料，確保結(jié)構(gòu)性能能夠滿足使用要求，材料符合施工建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與需求。在實(shí)際施工過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在必要時(shí)對施工現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)，從而保障公路橋梁施工建設(shè)質(zhì)量水平[5]。對公路橋梁而言，其在長期通車運(yùn)營的情況下，必然會(huì)出現(xiàn)裂縫、傾斜等結(jié)構(gòu)性問題，從而會(huì)直接威脅到橋梁自身的穩(wěn)定和安全。在這樣的現(xiàn)實(shí)情況面前，設(shè)計(jì)人員一定要能夠使用一些較為先進(jìn)的技術(shù)對實(shí)際的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬試驗(yàn)，從而直觀分析公路橋梁在長期使用情況下的疲勞損傷情況，有針對性地優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高橋梁設(shè)計(jì)圖定的耐久性和安全性參數(shù)指標(biāo)，力爭實(shí)現(xiàn)成本效益的最大化。除此之外，公路橋梁在設(shè)計(jì)過程中還需要關(guān)注和重視未來交通運(yùn)營需求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)依照和根據(jù)公路橋梁所在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口規(guī)模、交通情況、城市分布等多方面因素對潛在的交通量展開精確的測算，科學(xué)地確定橋梁的整體結(jié)構(gòu)尺寸等比較細(xì)節(jié)的參數(shù)信息[6]。

3.3 在設(shè)計(jì)過程中科學(xué)地使用材料

在公路橋梁設(shè)計(jì)中，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及橋梁耐久性方面，混凝土的使用尤為重要。混凝土分為很多種，每一種都有不同的特點(diǎn)，能夠起到不同作用。對大橋來說，更多的是使用高性能的水泥。在公路橋梁設(shè)計(jì)中，環(huán)氧樹脂涂層鋼筋的科學(xué)應(yīng)用，能夠最大限度地減小周圍環(huán)境給公路橋梁帶來的腐蝕性，使其使用年限得到合理延長，提升耐久性。同時(shí)，錨頭區(qū)也很容易出現(xiàn)被腐蝕現(xiàn)象，重者還可能引發(fā)橋梁坍塌等事故。針對防腐材料的科學(xué)選用應(yīng)給予足夠重視，以此盡可能地減少周圍環(huán)境對橋梁的腐蝕。傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)過程繁雜，并且對資源的消耗極大，而且伴隨噪聲。假如適當(dāng)采用綠色高性能混凝土替代傳統(tǒng)的水泥混凝土，能夠在促進(jìn)減少能耗的同時(shí)，降低工程造價(jià)。構(gòu)件保護(hù)層厚度的控制一定要科學(xué)合理，要基于對地區(qū)、環(huán)境、構(gòu)件實(shí)際需求的綜合分析來合理控制保護(hù)層厚度。此外，為提升構(gòu)件耐久性，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的，若施工中選用的水泥是低強(qiáng)度的，但配置的混凝土卻是高強(qiáng)度的，就會(huì)導(dǎo)致水泥用量的顯著增加，這樣不僅浪費(fèi)資源，也極易引發(fā)裂縫，相反也會(huì)出現(xiàn)諸多問題。所以，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理也是不容忽視的[7]。

3.4 加強(qiáng)橋梁施工管理

在公路橋梁設(shè)計(jì)中，提高橋梁工程建設(shè)的管理水平就是要組建一支技術(shù)精湛、管理嚴(yán)密的隊(duì)伍。在建設(shè)工程中，相關(guān)部門應(yīng)設(shè)立一個(gè)類似工程項(xiàng)目管理小組形式的組織機(jī)構(gòu)，由具有較強(qiáng)技術(shù)素質(zhì)的人才擔(dān)任負(fù)責(zé)人，對整個(gè)工程的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施監(jiān)控，必要時(shí)組織專家進(jìn)行檢查，以保證大橋的質(zhì)量。在高速公路橋梁的設(shè)計(jì)中，由于其承受的荷載和受力都很大，很容易引起內(nèi)層的循環(huán)地應(yīng)力，從而引起疲勞破壞，隨著疲勞破壞的持續(xù)積累和擴(kuò)展，會(huì)引起高速公路橋面的開裂。在這樣的情況下，若未采用科學(xué)對策對裂縫進(jìn)行補(bǔ)救，會(huì)導(dǎo)致公路橋梁發(fā)生裂縫、塌陷等現(xiàn)象。對此，相關(guān)部門應(yīng)全面分析橋梁損傷特性從而進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，并且以公路橋梁疲勞損傷的實(shí)際特性為切入點(diǎn)，對公路橋梁的總體特性進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的技術(shù)措施予以預(yù)防。現(xiàn)階段，管養(yǎng)單位高度重視公路橋梁疲勞損傷問題，并且已主動(dòng)采用多種方法對該現(xiàn)象開展有效管控，有益于避免公路橋梁發(fā)生各類安全事件。

3.5 注重路橋的超載問題

在公路橋梁設(shè)計(jì)中，需要重視車輛超載對路橋的影響。車輛超載會(huì)導(dǎo)致路橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷嚴(yán)重，維修也存在較大困難。如果超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重，橋梁的部分結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)破壞情況，這就容易引發(fā)安全問題。另外，橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷不容易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，“帶病工作”會(huì)對其他部位造成影響，橋梁應(yīng)用期間的安全性和耐久性無法得到保證。在設(shè)計(jì)方案中，要充分考慮到車輛超載，對其進(jìn)行針對性的控制，提高設(shè)計(jì)效果。要促進(jìn)社會(huì)層面提高對橋梁超載問題的關(guān)注程度。橋梁過載會(huì)造成疲勞加速，結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力急劇增加，從而加劇損傷，甚至破壞。由于過載引起的損傷往往難以解決，會(huì)導(dǎo)致橋梁在正常使用條件下的工況發(fā)生變化，從而對橋梁的安全性和壽命產(chǎn)生不利的影響[8]。

3.6 強(qiáng)化后期養(yǎng)護(hù)

相關(guān)人員在公路橋梁設(shè)計(jì)過程中還要考慮材料的選擇對公路橋梁安全性能與耐久性能的影響，科學(xué)選擇防腐材料，優(yōu)化保護(hù)層設(shè)計(jì)，能夠顯著提高公路橋梁安全性與耐久性。公路橋梁選擇環(huán)氧樹脂土層鋼筋作為主要材料，能夠提高其抗腐蝕能力，并降低后期養(yǎng)護(hù)成本，延長其使用年限。除選擇防腐材料外，設(shè)計(jì)人員還需要加強(qiáng)保護(hù)層設(shè)計(jì)，提高公路橋梁的抗腐蝕性，保護(hù)層能夠防止鋼筋與空氣接觸，減少鋼筋構(gòu)件的碳化與氧化情況。增加保護(hù)層厚度，能夠提高其防腐性，但設(shè)計(jì)人員也需要合理增加保護(hù)層厚度，過厚的保護(hù)層會(huì)影響到公路橋梁其他方面的性能。在公路橋梁建成后，相關(guān)人員應(yīng)關(guān)注和重視橋梁后期的養(yǎng)護(hù)工作，養(yǎng)護(hù)工作的有效開展能夠防止有害物質(zhì)進(jìn)入公路橋梁內(nèi)部，并延緩公路橋梁外部的侵蝕，通過采取公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，有效完善公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作，從而保障和提高公路橋梁的安全性與耐久性[9]。公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)構(gòu)建如圖2 所示。

圖2 公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語

綜上所述，在公路橋梁設(shè)計(jì)中，保證其安全性及耐久性是工程建設(shè)的重要前提和建造結(jié)果的必然要求，相關(guān)人員需要高度重視，“百年大計(jì)、質(zhì)量第一”，為的就是安全和耐久。抓工程質(zhì)量要從工程設(shè)計(jì)這個(gè)源頭抓起，通過采取科學(xué)的方式分析技術(shù)要點(diǎn)，優(yōu)化公路橋梁安全性設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)城市現(xiàn)代化建設(shè)愈發(fā)完善。