公路橋梁設計中的安全性和耐久性設計研究

朱喜

（湘西土家族苗族自治州交通規(guī)劃勘察設計院長沙分院，湖南 長沙 416099）

0 引言

公路橋梁建設工程質量應符合質量評價標準，包括結構總體強度、彎曲剛度、安全系數(shù)、可靠性和耐久性等方面。值得注意的是，公路橋梁工程施工受眾多條件的限制，施工難度大，應該開展全面的準備工作，尤其是對設計環(huán)節(jié)的合理控制，借此提升工程的安全性與耐久性。為實現(xiàn)上述目標就需要提升總體設計質量與水準，改變傳統(tǒng)的設計理念與方式，在此基礎上做好安全、進度與質量管理，推動工程建設的順利進行。

1 公路橋梁的安全性與耐久性設計概述與基本要求

1.1 概述

建筑的安全系數(shù)與構件的安全設計等級、構件重要系數(shù)以及構件荷載組合有關，在開展公路橋梁設計的過程中，要重點注意構件的彎矩剪力、結構應力和扭矩。橋梁耐久性與結構原材料的等級、最少混凝土的強度級別、最大含堿量等有關，耐久性好的公路橋梁的維修次數(shù)少，使用年限長。我國目前公路建設工程的總數(shù)呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，規(guī)模也在逐漸擴大，然而一些公路橋梁在設計環(huán)節(jié)中有關數(shù)值計算上存在一些問題，導致公路橋梁工程項目設計方案總體質量無法達到相關標準，從而使工程項目投入使用后出現(xiàn)安全性與耐久性問題。

1.2 基本要求

公路橋梁設計過程中，受地形、地質等環(huán)境的影響，很難保證設計結構能完全適應具體地形。為保證公路橋梁設計方案的精確性，務必綜合考慮設計過程所涉及的材料和結構問題，制定合理的計劃方案，保證公路橋梁安全性和耐久性。

橋梁建設環(huán)節(jié)中應注意橋梁布置和地形地貌，保證整體設計效果，考慮到周邊住戶或其他環(huán)境對橋梁建設產(chǎn)生的影響。在公路橋梁設計過程中，明確使用地基結構的方式，挑選節(jié)省財力物力的工程施工方案，保證后續(xù)工程施工對應的結構施工全面性和易用性，強化附屬設施鋪裝安裝特殊效應。值得注意的是，環(huán)境因素具備難以控制的特征，因而施工隊伍應靈活應用先進的施工技術，在做好安全防護的基礎上能積極應對惡劣環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。此外，可以搭配應用有利于運輸?shù)臋C器設備，提升公路橋梁工程質量和設計科學性[1]。

2 公路橋梁安全性和耐久性設計問題

2.1 設計不完善

設計人員在設計中除了關注施工規(guī)范外，還要多考慮結構的合理化、周邊原材料的品質、后續(xù)維護保養(yǎng)等，不然無法保證公路橋梁的長期使用。橋梁設計、施工和應用的狀況下經(jīng)常會出現(xiàn)問題，主要有對結構全面性和延展性把握不全面、測算策略和承受力線路不清楚、混凝土的強度等級太低、結構保護層厚度過小、結構斷面尺寸偏小等，上述問題的存在均會降低結構構件的耐久性，嚴重影響結構穩(wěn)定性。

2.2 施工管理水平低

一般來說，工程事故通常是野蠻施工及管理不規(guī)范所造成的。橋梁的突然破壞和塌陷，通常是工程質量不符合標準和設計規(guī)定所造成的，如材料的強度不夠，施工工藝不過關，橋梁材料存有以次充好、偷工減料等問題，為橋梁安全性帶來致命的影響。與此同時，很多公路和橋梁并沒有達到規(guī)定的使用年限就出現(xiàn)了損壞和老化的問題，這也與工程施工質量不高相關。現(xiàn)階段，施工工地經(jīng)常出現(xiàn)的保護層不夠、構件裂開等棘手的問題，可能是由于采用的混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護落實不到位、預應力不科學所造成的。這種工程施工缺陷在短期內不會明顯影響橋梁的正常使用，但是經(jīng)過長時間的使用，會對橋梁工程的安全性與耐久性產(chǎn)生不良影響[2]。

2.3 預應力損失

管道壁和預應力間的相互摩擦，臺座間產(chǎn)生了應力松弛，而溫度差也產(chǎn)生了應力破壞。公路施工過程中所使用的建筑材料和錨具，會由于環(huán)境溫度、外部條件而變形和壓縮。此外，公路橋梁設計需要使用很多水泥，混凝土具有強彈力、高壓縮的特點，在收縮過程中也會產(chǎn)生變形問題。

2.4 橫截抗裂性能較差

預應力混凝土受彎構件影響時，在各種級別抗震特性的共同影響下作用在整個預應力結構中，并隨著短期效應組合的配合應用，使混凝土結構中產(chǎn)生正截面拉應力的情況，部分預應力結構超過了極限應力值。在具體設計過程中，由于公路橋跨度較大，且總體結構重力較高，為了按照結構的耐用性規(guī)定來設計，選擇了全應力結構。

2.5 結構擾度有待提升

公路橋梁中預應力混凝土結構的撓度值受載荷和部分應力的共同影響。為確保公路橋梁外觀的美觀性，部分設計者制定了各種預應力結構，但是沒有考慮到以上兩種結構撓度值因素對承受力混凝土結構具體變動的影響，造成混凝土往上反拱，不符公路橋面平整度規(guī)定。在后續(xù)設計中，應精確控制應力，控制鋼筋含量，為確保總體安全性，選用豎向位移結構。

2.6 公路橋梁設計市場發(fā)展不夠成熟

近些年，我國公路橋梁工程項目總數(shù)不斷增長，范圍也在逐漸擴大。為了確保公路橋梁的設計和工程質量，市政部門務必提早做好充足的準備，從城市計劃中合理布局工程項目。然而實際情況卻并非如此，相關部門在設計路橋項目時，并沒有充足搜集相關信息，為了能追趕進度，私自分配設計人員開展路橋區(qū)設計，通常忽視了一些細節(jié)，造成公路橋梁設計存有較大風險，不益于公路橋梁安全性和耐久性[3]。

2.7 設計圖紙和計劃方案審核不嚴格

在公路橋梁建設中，設計工作至關重要，各個環(huán)節(jié)的設計細節(jié)也應當?shù)玫阶銐虻闹匾暋Ｒ虼耍诰唧w實踐中務必嚴苛審查設計圖紙和計劃方案，保證公路橋梁設計品質符合規(guī)定。審查工程圖紙和方案時，綜合考核材料的性能和公路橋梁結構參數(shù)，按有關規(guī)定進行對比、分析與調整，持續(xù)彌補設計方案系統(tǒng)漏洞。可是就具體審核工作來說，一般由設計部門統(tǒng)一設計和審核，設計和審核這兩項任務并不是切分進行的。這樣即便存在設計問題，也很難被檢測出來，留下設計安全隱患。

3 公路橋梁安全性和耐久性設計措施

3.1 完善耐久性設計方案

在混凝土結構耐久性設計環(huán)節(jié)中，要了解耐久性的相關要求，并按照要求科學合理地進行設計。混凝土是公路橋梁建設關鍵施工材料，確保混凝土結構的應用特性，才能保證結構整體的運用特性。除此之外，在設計里還應注意作業(yè)人員的相關操作，推動施工的規(guī)范化進行，簡單化施工步驟，達到橋梁設計的耐久性標準。

3.2 增加保護層厚度

保護層是公路橋梁結構不可或缺的一部分，增加保護層厚度能夠減少外在因素對鋼筋材料產(chǎn)生的影響，防止浸濕，有益于混凝土結構的長期應用，是提升整體結構耐久性的重要方式。縫隙也是影響公路橋梁耐久性的關鍵因素之一。要針對縫隙進行合理處置，確保結構整體的穩(wěn)定性[4]。

3.3 有效設計防水層

混凝土材料類型繁多，不同工程施工質量要求不同，混凝土材料的選擇也存在一定的差異。對于鋪裝而言，必須采用密度高的混凝土材料。在鋪裝環(huán)節(jié)中，務必鋪設鋼筋網(wǎng)。與此同時應當束縛混凝土材料，防止裂開。防水設計的過程中應注意建筑材料的防潮效果，可以選用復合纖維混凝土在屋頂開展設計。不同位置的施工標準不一樣，防水層的設計也有一定的差別，但總體防水效果應當滿足要求。除此之外，還應設排水管道，確保給排水工程的合理化，在存水過多時可立即排出。

3.4 重視路橋超載問題

汽車超載嚴重影響公路橋梁的使用壽命，造成公路橋梁內部結構受到破壞，維護保養(yǎng)難度加大。超載嚴重的話，公路橋梁結構還會被破壞，行車中很容易導致嚴重的安全事故，威脅人們的生命財產(chǎn)安全。因此，需要重視公路橋梁內部結構問題，在設計中考慮到這些因素，針對性地加以控制，提升設計效果。

3.5 借鑒優(yōu)秀經(jīng)驗，提高設計質量

我國目前公路橋梁設計上存在許多問題，使用體驗和穩(wěn)定性無法得到保障。管理能力低、工程質量差是導致這種情況的重要原因，各種問題難以在短期內有所改善。這就需要設計師在設計中要了解各個階段的細節(jié)，把握工程材料質量以及技術，在這個基礎上進行系統(tǒng)設計，設計各種工程施工方案，挑選比較適合公路橋梁工程的施工方案，保證公路橋梁工程質量達到對應的技術標準。

3.6 提升公路橋梁抗震性

先從抗震等級的結構關鍵點考慮，融合對應措施確保結構安全性，隨后從總體上開展設計。考慮到測算剖析、結構設計和結構型號選擇，盡量采用連續(xù)梁，以3～4 孔為最佳橋聯(lián)長，設置多個制動橋墩。其有助于分散梁橋的震害壓力，增強制動墩作用，增加中小跨距離，減少大跨徑，實現(xiàn)了山區(qū)地帶的橋梁“大震不倒、中震可修、小震不壞”。

3.7 重視疲勞損傷設計

實際工作中，由于公路橋梁結構受到載荷的長期循環(huán)變化應力，導致橋梁結構發(fā)生振動。受到長期的影響后，橋梁結構更容易發(fā)生疲勞破壞，當橋梁磨損面積累到一定范圍時，橋梁內部結構也易產(chǎn)生裂紋。公路橋梁建設初期疲勞對結構的沖擊作用較強，會造成嚴重后果。因而，應注意疲勞損傷問題，采取措施降低其負面影響。

3.8 提升載荷承受能力

伴隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，作為公路橋梁關鍵客戶的物流行業(yè)面臨非常大的經(jīng)營壓力，汽車超載問題更加明顯。針對該短板問題，一方面要調節(jié)地市政府的宣傳政策，提升相關執(zhí)法部門的定期檢查改正；另一方面需在公路橋梁設計環(huán)節(jié)盡早抵制超重問題，采用各種對策不斷提升公路橋梁承重壓力水平，最大程度地增加公路橋梁使用壽命并提升運行效率，井然有序地開展各項經(jīng)濟活動。

3.9 橋梁耐久性設計

完美的公路橋梁設計算得上是確保可靠性和耐久性的一個重要的方式。因而，在具體公路橋梁設計環(huán)節(jié)中，需要綜合考慮各種影響因素，保證各設計階段切合實際狀況，從而確保道路安全性。伴隨著社會的進步，橋梁工程施工常用材料的選擇愈來愈多元化，但實際上橋梁工程施工常用材料不可避免會有形變和特性衰退問題，特別是行車壓力與日俱增，導致公路橋梁耐久性慢慢降低。因而要想增加公路橋梁使用壽命，設計時應該注意材料的耐久性。依據(jù)常用材料的特性設計科學合理的橋梁結構。如公路橋梁建設過程中應用數(shù)量最多的就是混凝土結構，為了防止其形變所引起的橋梁結構問題，必須在設計前期對材料進行全方位檢測。挑選質量過關的建筑材料，能夠從源頭上為公路橋梁安全性和耐久性打下基礎[5]。

3.10 樁基設計

樁基設計是否可行合理直接關系公路橋梁的建設工期和品質。這就要求設計人員在具體設計階段綜合考慮公路橋梁的結構特點，采取措施進行處理以保證橋梁樁基穩(wěn)定性、安全性。相對而言橋梁的載荷非常大，不僅要仔細比對施工場地的地質主要參數(shù)，還需要明確實際單樁承載力，并依據(jù)樁基具體承載力設計施工方案。此外，樁基工程完工后，應科學開展靜載荷試驗，以保證施工質量。

4 結語

總而言之，公路橋梁的應用性能指標會嚴重影響其經(jīng)濟收益，并且對社會的發(fā)展有較大影響。為了保證公路橋梁安全、穩(wěn)定，提升設計質量也是建設工程中的重要環(huán)節(jié)。需要結合公路橋梁運用現(xiàn)況，改善傳統(tǒng)設計理念與方式，參考國內外先進的設計經(jīng)驗，提升公路橋梁設計水平。嚴格規(guī)范公路橋梁設計人員的技術，加強工程各施工環(huán)節(jié)管理，確保設計工作合理化和公路橋梁整體結構品質。