公路橋梁設計中的安全性和耐久性設計研究

高偉

（保定市保通公路勘測設計有限責任公司，河北保定 071000）

1 引言

某高速公路項目，全長182 km，共設計橋梁103 座。項目所在位置地勢變化較大，表現出西北方向地勢較高、東南方向地勢較低、北部區域地勢較高、南部區域地勢較低等特點。地勢高差較大會增加公路橋梁的規劃難度。結合區域內震害頻發的特點，需進行橋梁抗震設計，提升公路橋梁整體結構的安全性。本文結合橋梁工程的設計需求，從結構安全、耐久形兩個方面給出設計方案，保證公路橋梁項目的整體質量。

2 公路橋梁整體設計思路

該項目所在區域地震發生頻率較高，橋梁設計位置河谷較深，山谷內彎道數量多、地勢高差較大，初期進行公路橋梁規劃設計時，秉承結構安全、項目耐久兩個設計原則開展公路橋梁的整體設計。該項目應側重關注橋位的設計方案，考量結構安全性。結合環境因素形成的限制作用，綜合選出安全性較高的位置。如果橋位地勢含不利因素，需及時給出補救措施，消除不利影響。同時，橋梁設計應側重落實抗震設計工作，積極采取抗震措施，切實增強項目整體的抗震效果。橋梁孔跨設計需結合橋位周邊的環境特點，如地勢、河床寬度等，以此保障方案的可行性。如果橋位周邊環境比較復雜、施工難度大，可采用大跨徑結構。

3 橋梁安全性設計

3.1 選擇橋型

表1所示是按照橋長劃分的橋型。本案例項目中多數為中橋。結合該項目的橋梁結構安全性設計要求以及JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》，抗震設防類別為B 類。

表1 按橋長劃分的橋型

參照項目所在區域的震害特征、周邊路網防震的設計實況，需采取多種措施綜合防控，以此保障橋梁結構整體的抗震性能。橋型選擇期間，參照項目所在區域往期的震害資料可知，震害中橋梁受損嚴重的結構大多為落梁，此種梁型中下部分的受損量較小，修復工作簡單，并且各類公路橋梁中，中橋、小橋均表現出橋梁結構簡單、橋梁剛性較高、橋梁質地均衡、工程操作方法簡單、工程造價較少等特點。為此，選擇橋型方案時應注意：少數位置對橋梁寬度要求較高時，可使用連續梁設計方案；斜交橋梁在地震過程中會發生較大的位置偏移量，相比正交橋梁的震害表現更為嚴重，因此，對于斜交橋梁，需給出交錯布孔方案，以此控制橋梁位移[1]。

3.2 支座設計

如果橋梁跨度較小、一個方向支座的水平調整量能夠滿足主梁水平溫度形變量的需求，可在兩個墩柱中設置相同的支座。如果是橫跨溝谷的簡支梁，可結合實際情況，對同聯橋墩高度進行統一設計，盡量減少橋墩高度差異。位置相鄰、橋梁高度差異較大的橋梁結構，橋墩容易因為水平地震波的作用而失穩，破壞結構整體的抗震能力。因此，需要改變支座設計參數，增強橋墩、支座連接位置的整體強度，以此增強橋梁的抗震性能。

項目的第四區分布有V 形河道，部分橋墩高度大于40 m，橋梁聯數量大于3 聯，可將V 形孔梁結構添加在分聯位置，形成抗震支護結構，如圖1 所示。

圖1 V形抗震結構設計

在地震工況下，圖1 中的摩擦墊片會發揮作用，使蓋梁、梁體兩部分處于暫時分離狀態，以此減少橋梁結構受到的震害作用，同時借助穩定銷的設計，保持各類連接組件的完整性。地震停止后，各結構可恢復為和震前一樣，以此維持橋梁結構的安全性。由此可知，圖1 的抗震設計具有較強的減振功能，可保證橋梁結構安全性。

3.3 防落梁

在該項目中，為了積極改善橋梁抗震性，還要有效控制梁體結構位置移動問題，從而減少落梁發生的地震損壞。梁體限位措施如下：（1）梁結構的設計長度主要參考蓋梁頂層的寬度有效值；（2）對于簡支T 梁結構，可在伸縮縫的側邊添加防落鏈；（3）箱梁、橋墩間隔位置，需增加限位設計。

3.4 其他措施

在橋臺、橋墩等位置可使用防震擋塊，如橡膠墊塊，增加抗震緩沖空間，提高抗震性能。如果河岸區域地質條件表現出軟弱黏性、失穩性較強等特點，需增加孔跨長度，合理確定橋墩及橋臺的位置，以此增強橋梁結構的平穩性。橋臺位置使用抗震性能較強的結構形式，合理調整橋臺高度，以此控制動土壓力對橋臺結構的影響，增強橋梁整體結構的抗震能力。

4 特殊位置橋梁設計

4.1 跨越橋梁設計

對于跨越河流地段的橋梁，橋梁孔位設計應依據項目所在位置的河道實況給出設計方案；對于跨越既有橋梁的橋梁，橋址區域分布有較深的泥石流溝壑，應盡量增加跨徑，盡量采用一孔跨越的方法，增加橋梁下方凈空，使其形成安全防護結構；針對具有潛在泥石流險情的地段，需要給出必要的泥石流應對措施，合理改造溝壑，采取添加橋墩、調整橋墩設計形式、增設抗沖擊裝置等措施，以此增強橋梁結構設計的安全性。對于活動性較強的支溝，適當添加攔擋壩，以此抵擋泥石流的沖擊作用，提升橋梁結構的安全性[2]。

4.2 陡坡橋梁設計

陡坡區域，橋梁工程具有地勢高差大、橋墩高、工程施工困難性大等特點。如果挖方量較大，會影響邊坡結構的平穩性。因此，采取如下措施：

1）對于路線涉及的陡峭位置，準確給出豎向斷面、水平斷面等測量結果，作為工程地質分析的關鍵資料；

2）可合理增加跨徑，控制陡坡橋梁個數，以此有效減少樁基施工對陡坡的干擾。針對柱式墩，可使用高低墩的橋墩設計形式，以此控制開挖量，各側樁頂高度應有一定的差異，也可采取樁端相連形式，使樁基與墩柱成為一體。如果墩位較高，可使用獨柱空心墩。

5 耐久性設計要點

提高橋梁的耐久性，主要通過使用性能優異的施工材料實現，具體應注意以下幾點：

1）混凝土用料主要選擇水化熱參數較小、含堿量不高、性能穩定的水泥材料，不可選擇早強水泥用料。

2）摻合料配制時，可選擇粉煤灰、礦物等用料。

3）骨料選擇應以吸水性不高、膨脹能力不強的用料為首選。

4）合理給出混凝土配比設計，切實增強用料密實性[3]。

5）裂縫控制，需參照結構設計要求，盡可能地控制裂縫寬度。

6）案例項目鋼結構部分，增強鋼結構板材耐久性的目標見表2。另外，增加橋梁耐久性時，還應以結構優化為首要措施，構造方面，應防止出現應力集中情況，避免結構疲勞受損。

表2 增強鋼結構板材耐久性的處理目標

6 耐久性設計方法

6.1 結構設計

橋梁項目正式使用后，其結構耐久性的主要干擾條件有：車輛運行的荷載作用、雨水沖刷等。因此，耐久性設計期間，應加強橋梁結構調整，以此減少橋梁性能受到環境因素的影響。橋梁設計結構期間，可有效聯合梁體、鋪裝兩個結構強化橋梁整體的耐久性，使其具有較強的抗損傷性能，以此避免雨水滲透導致的材料腐蝕問題，延長橋梁結構的可用時間。在鋪裝間隔位置，合理添加鋼筋網，防止用料出現開裂問題。在主結構設計期間，添加排氣孔，以此提升橋梁結構內部降溫能力。

6.2 抗疲勞設計

橋梁由多個結構組成，上部組成長時間承受車輛運行的荷載的作用，會將部分荷載傳遞給下部結構，改變橋梁結構整體應力分布，此種應力分布的動態變化會降低橋梁結構整體性能，甚至會削弱橋梁結構的耐久性，導致結構疲勞損傷問題。在橋梁結構出現性能損傷后，逐步演變成結構裂縫，甚至會轉化成脆性破壞問題。為有效控制結構損傷問題，應對案例橋梁進行抗疲勞設計。

1）選材時以優質用料為主，側重選擇具有抗腐蝕能力的用料。

2）以結構安全、性能耐久為起點，全面落實橋梁結構設計，以此防控橋梁結構出現損傷問題。樁基、墩柱各位置均存在一定腐蝕風險，此類結構與地表水接觸，會受到水中鎂離子、氯離子的侵蝕。在耐久性設計時，需增強用料設計，調整保護層厚度，以此達到抗腐蝕效果。

3）開展抗荷載設計，合理布置支座點位，以此展現支座功能，防止支座受到撞擊。在橋梁表層添加監測設備，全面監測橋梁結構問題，提早排查風險，增強橋梁耐久性。

6.3 抗震設計

耐久性設計中，抗震設計尤為關鍵。橋梁下部位置的抗震設計，以增加配筋量為主要措施。橋墩、墩柱各處可增設保護構件，達到抗震效果。在發生強烈地震時，依據相關規范的內容進行抗震設計。橋梁的抗震設計，可充分利用橋梁結構的初期強度，提高橋梁結構的延性。此種抗震設計，與強度設計法具有一定差別。延性抗震是選擇特定的塑性形變位置來抵消地震作用，延長結構的使用時間，削弱地震作用。在抗震設計期間，使用塑性形變抵消地震的慣性作用，防止橋梁結構受損，維持橋梁結構的承載能力，是耐久性設計的有效措施。

6.4 防水構造設計

對橋梁結構進行防排水設計，可以減少結構滲水問題，從而增強結構的耐久性。具體可以在橋面鋪裝中鋪設防滲較強能力的防水層，保證防水質量。

7 結語

綜上所述，項目所在地域表現出地震頻率高、地勢高差大等特點，需給出合理的公路橋梁規劃，結合結構安全、耐久性等設計要求，逐一給出設計方案，提升工程整體的質量，發揮公路橋梁設計的科學性與合理性。