對公路橋梁設計安全的探討

羅昌維，楊福基

（1. 深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518000；2. 重慶市渝達公路橋梁有限責任公司，重慶 402160）

1 前言

近些年來，我國公路工程的建設規模不斷發展壯大，各種公路工程施工任務逐漸增多，而公路橋梁工程的建設也隨之占據越來越多的分量。橋梁工程的質量好壞評判標準是：是否具有其應有的結構強度、剛度、穩定性和耐久性。而公路橋梁在建設和運用過程中，除了受環境、有害化學物質的破壞以外，還要承受過往車輛、風、疲勞、超載或人為等因素的影響，同時橋梁本身采用的材料也在不斷發生退化現象，其內部結構也產生不同程度的損壞和劣化。因此橋梁的設計是決定橋梁的安全性和耐久性的重要因素。

2 橋梁設計安全的構成

橋梁的安全性和耐久性是橋梁設計者永遠追求不變的宗旨。所謂安全性是指結構防止破壞倒塌的能力，主要體現在結構構件承載能力和結構的整體牢固性上。耐久性是指結構抵抗外界環境、有害化學物質侵蝕的能力。

2.1 橋梁結構的安全性

橋梁結構的安全性主要體現在結構的整體牢固性和構建的承載能力兩個方面：

（1）橋梁結構的整體牢固性是指結構不應出現與其原因不相稱的破壞后果，即在橋梁結構出現局部破壞的情況下，避免發生大范圍連續破壞倒塌的能力。結構安全性良好的橋梁，依靠結構具有的優良的延性和必要的冗余度，在對付地震、爆炸等災害或因人為差錯導致的災難方面，能夠發揮較大作用，有效減輕災害損失。

（2）橋梁結構構件承載能力是指橋梁結構具有的承受車輛、風、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用的能力。負荷超載，是對橋梁結構構件承載能力的最大威脅，主要體現在以下兩方面：①時間的超負荷或超載，會使橋梁應力幅度加大、損傷加劇，甚至會導致結構破壞事故；②由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態發生變化，從而可能危害橋梁的安全性。

2.2 橋梁結構的耐久性

在橋梁結構的設計與施工規范中，人們往往把重點放在各種荷載作用下的結構強度要求，而對環境因素作用下的耐久性要求則相對考慮較少，實際上這樣做存在很大的弊端。因為橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環境、有害化學物質的侵蝕及人為因素等外來作用，加之橋梁所采用材料的自身性能不斷退化，各種因素的綜合作用最終導致結構部分不同程度的損傷和劣化，從而影響了橋梁各結構的耐久性。因此切實改善橋梁耐久性是十分必要的，必須要對其給予高度的重視。

3 橋梁安全性、耐久性差的原因

3.1 設計理論和結構構造體系不夠完善

橋梁結構設計的首要任務是選擇經濟合理的結構方案，其次是結構分析與構件和連接的設計，并采用規范規定的安全系數或可靠性指標以保證結構的安全性。但是，在實際工作中，在橋梁設計領域特別是關于橋梁施工和使用期安全性的問題上我們還有許多可以改進的地方，主要體現在以下兩方面：

（1）設計人員往往只滿足于規范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視對結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性的關注。

（2）在橋梁設計、施工到使用的全部過程中經常出現的人為錯誤，比較普遍的有：對結構整體性和延性不足；計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄等，這些都削弱了結構耐久性，嚴重影響了結構的安全性。

3.2 施工和管理水平未達標

通過對國內外多座出現安全性和耐久性問題，最終發生惡性事故的橋梁進行認真研究，可以發現導致事故的最主要原因是野蠻施工和管理腐敗，施工和管理水平未達到規范和設計要求，從而對橋梁安全造成致命的損害。施工方面的問題體現在材料強度不足和施工工藝不合格；而管理方面存在偷工減料、以次充好等問題，性質更為嚴重，產生的危害也更大。

4 提高安全性、耐久性的措施

4.1 合理選擇結構設計方案

合理的結構設計方案，可以有效提高橋梁的安全性和耐久性。橋梁的結構設計形式主要分為大跨度橋梁和標準跨徑橋。大跨徑橋梁由于控制因素不同，方案也各不相同，具有較強的個性特征，而標準跨徑橋則更多的是具有共性特征。在實際工作當中，很少采用大跨徑橋梁的設計方案，標準跨徑橋因為具有施工方便、造價經濟的標準化、預制裝配等諸多優點，應用最為廣泛。

4.2 在設計過程中，科學使用材料

鋼筋混凝土的質量和合理使用對橋梁的安全性具有極其重要的作用。鋼筋混凝土的質量直接影響到結構的適用性、安全性和耐久性。混凝土的耐久性主要取決于混凝土的材料組成，其中水灰比、水泥用量、強度等級均對耐久性有較大影響。橋規JTGD62明確規定了不同使用環境下，結構混凝土的基本要求、對影響混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低強度等級、最大氯離子含量和堿含量做出了限制規定，這是橋規JTGD62對公路橋涵結構耐久性設計的基本要求，設計時必須嚴格遵照執行。提高混凝土結構耐久性最關鍵的是以下兩方面：①加大鋼筋的混凝土保護層厚，保護鋼筋免于銹蝕；②防止和控制混凝土的裂縫。

除按規范要求控制正常使用極限狀態的工作裂縫以外，更重要的是要采取構造措施，從根本上控制混凝土施工及使用過程非工作裂縫的大量出現。橋規JTGD62突出強調了加強水平防縮鋼筋和箍筋在控制裂縫中的作用，提高水平防收縮鋼筋的配筋率和箍筋間距的規定，是防止和控制收縮裂縫的重要構造措施。

4.3 提高對橋梁結構耐久性設計的重視程度

由于橋梁在建造和使用過程中，必然會受到環境、有害化學物質的侵蝕，承受車輛、風、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，這些因素最終將導致橋梁結構各部分發生不同程度的損傷和劣化。特別是在大跨徑橋梁領域，目前我國已有多座大跨徑斜拉橋因為拉索的耐久性問題而提前換索，不僅影響了橋梁的正常使用更造成了不小的經濟損失。發生這類現象，存在設計上的缺陷，特別是沒有進行合理的耐久性設計是重要因素。我們只有切實提高對橋梁耐久性設計的重視，才能有效避免此類現象的發生，有效提高橋梁的使用壽命。

4.4 杜絕橋梁超載

橋梁超載主要有3種情況：一是早期修建的老橋超齡負載運營；二是橋梁通行的車流量超過原設計；三是車輛違規超載。從超載的原因來看，老橋超齡負載和車流量超載主要是設計荷載的變化和交通量的增加；車輛違規超載主要是車輛使用者違法超載營運。在實際生活當中，車流量超載、車輛違規超載現象在我國公路運輸中較為普遍。橋梁超載危害性極大：一是引發橋梁疲勞，超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至導致結構破壞事故；二是由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復，促使橋梁在正常荷載下的工作狀態發生變化，最終危害橋梁的安全性和耐久性。

5 結束語

綜上所述，橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，不能忽視從結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性進行設計。應積極借鑒國外成功的經驗和做法，目前國內的設計除考慮了建造成本，注重設計建成時具有的工作能力和性能外，也應重視營運期的維護成本與使用壽命相對應的成本效益，并且加強從橋梁設計理念、結構體系和構造的角度做好耐久性的設計。