橋梁設計中的經濟性與實用性研究

柯楠

摘? ? 要：交通運輸的發展對橋梁施工質量提出了更高的要求。橋梁設計不能局限于滿足一種要求，而是要達到技術性、耐久性、安全性和經濟性相平衡的目標。因此，橋梁設計要通過應用多種措施，使設計效果達到經濟性和實用性的目標。本文主要針對橋梁設計中的經濟性與實用性進行簡要分析。

關鍵詞：橋梁設計;經濟性;實用性

1? 橋梁安全性、耐久性問題重要性

1.1? 經濟損失巨大

根據國外的橋梁工程建設經驗，如果橋梁在建設完成后發生安全性或者耐久性方面的問題，則在后期的運營和維護工作中將會造成極大的經濟損失。國外這種典型工程實例并不少見，上世紀80年代，英國的英格蘭中環線上的10來座高架橋，僅運行不到15年，就花費了上數十億英鎊在維修工作上，而當初這些橋梁的建設成本不到2億，兩者竟相差5倍以上。不僅在國外，國內這樣的案例也并不少見。北京西直門環形立交橋，由于交通運輸路網規劃發生較大變化，于20世紀末進行拆除，在施工作業過程中發現結構由于長期處于工作環境溫度過低的狀態下，橡膠支座性狀硬化，工作性能明顯下降。根據橋梁原設計文件，計劃該橋運行周期為50年，而橋上的橡膠支座還未服務10年就已經性能嚴重下降，可見如果不對該橋進行拆除，后期的維護保養費用金額巨大。

1.2? 工程事故影響大

根據現有的工程經驗，橋梁事故發生的主要原因都是人為因素引起的。對于存在明顯病害的橋梁工程不進行相應的維護或者拆除處理，很可能會造成災難性的損失。

1.3? 惡劣的環境社會影響

在我國，絕大部分橋梁都是由于種種原因而頻繁地進行維修，有些橋梁甚至是才達到一半的服務期就被迫拆除，這些不良的橋梁使用狀況無疑是對社會資源的一種極大的浪費。如位于梅觀高速上的觀瀾河大橋，該橋總長近500m，由于各種原因經專家論證分析后，提出該橋無法滿足現有的承載力需求，決定拆除。隨著國家宏觀經濟政策的發展和改變，政府和社會資本合作模式來運營公共設施項目已經變成一種常態。對于很多橋梁工程，如果按照這種模式，橋梁工程的耐久性問題成為了影響PPP合作模式利益分配是否合理的關鍵因素。

2? 橋梁設計的具體內容

2.1? 技術性和經濟性

2.1.1? 設計方案選擇

橋梁設計方案比選對工程具有重要作用，對之后的工程初步設計與施工圖設計具有重要影響。保證設計方案的合理性，除了能降低造價和縮短工期，還能在工程的設計周期內發揮良好作用。例如，對城市中的多層立交工程進行設計時，在高程控制橋跨方面選擇預彎組合梁，雖然這種中小跨徑橋型的上部結構成本高于普通的鋼混或預應力結構（高出30%～50%），但是這種上部結構能有效降低上層路線實際高程，降低路基的平均高度，進而創造出更大的經濟效益。當立交層數與橋長增加時，采用這種方式能創造更大的經濟效益。

2.1.2? 做好功能設計

在橋梁設計過程中，還應考慮橋梁的交通組織功能。橋梁的上下部分都有大量車流，如果設計中沒有充分考慮橋梁交通功能，處于交叉口處的橋梁跨徑相對較小，將使橋下向左轉彎的車輛缺乏視距，影響行車的順暢性，導致車輛與橋墩發生碰撞，對交通流量造成限制，無法保障交通安全。可見，該橋梁設計是失敗的，根本無法發揮其經濟效益。因此，橋梁設計中必須高度重視功能設計，通過良好的功能設計，使橋梁除了能夠保證橋上正常行車，又能為橋下車流創造良好的通行條件，保證行車的順暢性與安全。

2.1.3? 充分結合技術性和經濟性

在橋梁設計過程中，將技術性和經濟性充分結合到一起，確保橋梁結構具備以下特征：一是可檢性，即可通過檢查確定橋梁結構實際狀態和存在的病害缺陷;二是可修性，即可通過維修使病害缺陷得以有效處理;三是可換性，即對橋梁上的某些結構構件，可通過更換新構件達到最佳使用狀態;四是可加強性，即可通過施工外的加強補強提高橋梁部分結構的強度;五是可控性，即可通過控制使橋梁結構構件處于良好狀態;六是可持續性，即橋梁結構構件功能得到持續發揮。橋梁工程整體結構使用壽命與不同組成部分的使用壽命并非完全相等，使用壽命比結構設計使用壽命短的構件，在設計過程中必須使其具有可檢性、可修性、可換性與可加強性。

2.2? 結構耐久性

2.2.1? 橋梁結構耐久性主要影響因素

橋梁結構耐久性主要和結構體系、施工材料和細節處理等因素有關，若結構體系不合理、材料選擇不當或細節處理不到位，將對橋梁結構耐久性造成較大影響，具體表現在以下幾方面：一是結構的整體性較差，缺乏足夠的延性，不具冗余性;二是在結構計算過程中使用的計算圖與受力模型未能完全明確，導致部分位置的受力不合理;三是結構所用混凝土材料的強度等級相對較低，鋼筋的保護層厚度未能達到要求，配筋的直徑偏小，截面厚度不足等。以上問題一旦存在，均會對結構耐久性造成影響，進而使成型后不久的橋梁就需要投入大量費用進行維修和加固。

2.2.2? 做好耐久性設計

耐久性設計的目標在于使結構達到要求的使用年限。為了使耐久性設計具有良好的可操作性，現行技術規范對混凝土材料、鋼筋保護層厚度、鋪裝層排水與構造配筋都給出了十分明確和詳細的規定。一方面，要提升設計人員自身設計理念，通常情況下，在實際的結構設計工作中，相關設計人員大多注重強度因素，對耐久性的考慮往往不足;注重強度的極限狀態，未考慮使用極限狀態，但結構物在全生命周期中最關鍵的是保證使用性能。基于此，在結構設計過程中，不僅要充分考慮橋梁建成后結構具備的各項性能，還要充分考慮橋梁在實際營運過程中性能和時間之間的關系，即隨著時間的不斷推移，結構性能有可能退化。另一方面，要綜合考慮所有可能對結構耐久性造成影響的因素，包括混凝土材料耐久性、鋼筋保護層厚度、鋪裝層防水、構造配筋與孔道壓漿質量，進而制定有針對性的保證結構耐久性的方法。例如，孔道壓漿質量直接決定梁體混凝土自身耐久性。對此，在設計過程中，可考慮使用真空壓漿技術提高壓漿施工質量，并在張拉完成后立即使用環氧砂漿封堵錨頭，避免錨頭區域的鋼絲產生銹蝕，保證結構整體耐久性，減少維護方面的費用。

2.3? 安全性

（1）注重橋梁結構各項使用性能的合理設計，如結構變形、開裂、振動、美觀性、耐久性與疲勞性。在設計過程中，需要將結構安全性與經濟性作為基本出發點，確保結構在實際運營中不僅能達到安全性要求，而且表現出良好性能，如使用壽命、抗腐蝕性、抗疲勞性與美觀性，以此減少后期維護方面的成本。

（2）在實際的設計工作中，還應重視橋梁超載及結構疲勞性損傷方面的內容。如今，我國公路運輸正快速發展，超載車輛對橋梁結構的影響較大，包括橋梁疲勞應力大幅增加，導致內部損傷不斷加劇。此外，因超載產生的損傷不僅難以發現，而且難恢復，導致橋梁即便是在正常的荷載條件下，其工作狀態也會產生明顯變化，對橋梁結構耐久性與安全性造成危害，嚴重時還會造成事故。因此，必須在設計中予以充分考慮，在盡可能避免超載發生的基礎上，制定有效的內部損傷檢測與快速修補方法，以此使橋梁結構始終處于正常狀態。

3? 結束語

綜上所述，橋梁設計中必須保證橋梁的經濟性和實用性，但經濟性和實用性并非單獨存在，而是與橋梁結構的耐久性、安全性具有緊密聯系。因此，在實際的設計工作中，相關設計人員必須對包含技術性、耐久性、安全性與經濟性在內的各方面要求進行綜合考慮，在此基礎上制定合理有效的設計方案，以便使橋梁工程使用功能與經濟效益達到雙贏。

參考文獻：

[1] 王永州.橋梁美學設計與經濟性的研究[J].西部皮革，2019（14）.

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