橋梁設計中的安全性及耐久性研究

吳軍、潘偉華

（1.華設設計集團股份有限公司連云港分公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港市鐵路事業發展中心，江蘇 連云港 222000）

0 引言

橋梁設計的過程中應重點按照橋梁的特點和實際情況，制定完善的安全性、耐久性設計方案，通過科學合理的設計方式，改善整體結構的安全水平，延長工程結構的使用壽命，為人們營造較為良好的橋梁工程項目，提供安全穩定且舒適的交通運輸基礎環境，達到預期的設計目的。

1 工程概況

連云新城商務中心區道路規劃網確定了以主干道為骨架，次干道、支路為補充的方格網式路網格局。該項目所在的金海大道既是貫穿連云新城東西向的交通主干道，也是連云新城商務中心區主干路“一橫兩縱”中的一橫。橋梁跨越瀉湖和大浦河調尾河的共線水體，位于商務中心區與金海一二期之間，橋位處河口寬約230m。該項目設計起點為K0+000（金海大道與匯海路交叉口以東200m），實施起點為K0+200（與匯海路交叉口），沿線于K0+366.340 與支十路交叉，橋梁中心樁號K0+532 處跨越大浦河入海水道，實施終點K0+800，實施長度為600m，包括橋梁236m 和引道364m，橋梁、引道紅線寬均為42m。

2 橋梁設計中安全性和耐久性設計要點

2.1 預應力損失控制要點

橋梁工程項目的預應力損失對整體工程安全性產生直接影響，同時對工程的耐久性也會造成約束，在設計時需要全面分析工程的預應力損失狀況和因素，以預防安全風險問題和工程耐久性問題為目的，科學合理地進行預應力損失的控制，明確預應力鋼絞線的規格，盡可能降低預應力損失，如表1 所示。此外，對預應力鋼筋、管道的距離進行嚴格控制，預防出現相互摩擦的問題對工程耐久性造成影響。同時，做好臺座溫度差異的設計、應力松弛度的設計、錨具強度的設計等工作，預防發生結構變形或安全風險問題。另外，由于工程結構可能受到接縫壓縮、鋼筋回縮等因素的影響出現安全問題或耐久性問題，因此設計時力求降低安全風險問題和耐久性問題的發生率。

表1 預應力鋼絞線規格

2.2 安全因素的控制要點

其一，合理進行橋梁橫斷面管線的設計，在其中設置給水線路、通信線路、電力線路、安全監控線路等。在不影響橋梁美觀度的情況下進行橋梁安全風險的監控。其二，合理進行橋梁兩側區域的引道交叉口交通設計，確保能夠和輔道的道路之間良好銜接，預防發生安全問題。其三，對橋型設計方案進行優化，確保整體橋梁的功能安全、結構安全符合要求，同時制定完善的橋梁安全設計方案，遵循整體的設計要點和原則，合理控制橋梁防洪排澇方面的安全因素等，有效維護橋梁工程結構的安全性。另外，根據具體的情況進行安全因素的控制，例如：橋梁工程項目經韓山、浦南、前羅陽，向北東延伸至海州灣進入大海，為預防發生安全風險事故，在事故現場進行定性評價分析，明確山體斜坡坡腳的位置、塊體結構的粒徑，準確判斷是否會發生崩塌的事故。通過人工操作的方式清除危巖結構，設計主動網防護結構，同時設計被動防護網，這樣能夠有效維護橋梁工程結構的安全，避免在崩塌等事故的影響下發生耐久性的問題。

2.3 撓度與安全指標控制要點

橋梁混凝土結構的撓度形成和負荷承載量過大存在直接聯系，一旦工程發生撓度的問題，將會對結構的安全性產生不利影響，縮短工程的使用壽命，出現耐久性的問題，所以在設計時需要綜合研究橋梁的負荷因素、內部預應力因素等，通過撓度的控制、安全指標的控制，預防發生安全風險隱患問題。

3 橋梁設計中的安全性及橋梁耐久性設計措施

3.1 根據超載和其他因素進行設計

考慮到橋梁工程在投入使用環節可能由于超載運輸因素或其他因素的影響出現結構的安全性問題或耐久性的問題，因此在設計工作中應結合具體狀況執行任務。一方面，分析研究出現超載運輸的原因情況，在公路橋梁的入口位置設計稱重系統，車輛進入之前稱重，一旦超出荷載標準自動化發出警報信息，就不允許車輛進入公路橋梁。另一方面，應結合地震影響因素、空氣有害污染物影響因素、腐蝕性影響因素、銹蝕性影響因素等，通過完善設計方案內容、合理運用先進技術措施、配置有效的養護方式等，維護整體工程項目的安全性，確保耐久性與要求相符。

3.2 工程結構設計

橋梁結構設計的過程中應按照橋梁工程本身的特點，遵守國家相關標準，確保所設計工程結構的安全性與耐久性符合要求。如圖1 所示，橋梁設計時應全面分析研究結構的疲勞損傷規律，以預防發生超載問題、結構損壞問題為基礎，完善結構設計規劃方案，明確提出核心構件和部件的強度標準、穩定性標準，避免發生橋梁結構的安全風險或耐久性的問題。例如：根據橋梁工程項目的桿系結構特點，保證結構設計的剛度、穩定性、強度指標符合標準要求，所有結構的設計都必須符合連續性和完整性的標準規范，結構截面尺寸具有平順性和均勻性，這樣不僅能夠確保橋梁結構的安全性和耐久性，還能改善外觀的美觀度。

圖1 結構安全性和耐久性設計

為延長整體工程的使用壽命，避免發生安全事故，需要預防出現結構裂縫的問題，分級進行結構裂痕的處理，采用信息化技術進行結構抗裂性能的計算與檢測分析，將結構抗裂性能劃分成為三個等級：A等級是不可以出現裂縫；B 等級是可以有裂縫，但是不能對結構的壽命和安全造成影響；C 等級是允許有裂縫的發生。

3.3 工程材料設計

應按照整體工程項目的特點與情況，以維護橋梁的安全性和耐久性為目的，做好工程材料的設計工作。

3.3.1 材料配合比的設計原則

為確保整體橋梁工程項目的耐久性和安全性，科學合理地進行材料配合比的設計，確保材料施工結構具備一定的抗壓強度和抗彎強度，嚴格控制材料施工結構的抗彎拉彈性模量和抗劈裂強度，材料的配合比應滿足結構澆筑成型的工藝標準、耐久性要求和安全性要求。

3.3.2 材料配合比控制的細節

（1）水泥材料的設計

在設計水泥材料的過程中，選擇具有低水化熱特點和低含堿量特點的材料，不可以設計早強類型，或摻有石灰粉類型的水泥，應嚴格進行材料細度的控制，盡可能設計低細度并且低CS 含量的水泥，這樣能夠預防水化熱問題所帶來的影響，避免早期開裂現象的發生。為確?；炷两Y構的抗裂性能，需要設計低堿含量的水泥以有效預防出現堿骨料反應的現象，整體混凝土材料中的堿含量應低于1.8kg/m。

（2）骨料的設計

首先，需要設計質地密集且堅硬的骨料，確保級配的合理性、直徑與形狀的良好性，尤其要重點控制混凝土骨料的級配和顆粒形狀，其中粗骨料的堆積密度應維持在1500kg/m以上，空隙率控制在40%以下，壓碎值設計在10%以內，吸水率為2%以內，針狀和片狀顆粒含量為5%以內，最高粒徑在25mm 以下。其次，由于砂子材料的細度模數不同，因此需要設計累積篩余量5mm，篩5% 左右，0.63mm 篩40%～70%左右，0.16mm 篩95%以上。

（3）粉煤灰的設計

橋梁工程項目中，粉煤灰的配置直接影響結構的耐久性，按照以往類似工程的經驗可以發現，適當在原材料中添加礦物質摻和料，能夠降低混凝土的開裂問題發生率，減小結構的滲透性，主要原因是粉煤灰摻和料的添加，能夠降低初齡期階段混凝土結構的水化熱問題的發生率，改善結構強度，同時還能降低混凝土結構的空隙率，增強自身防護性能，因此建議在材料設計的過程中，適當設計粉煤灰摻和料，應根據橋梁工程項目的特點和結構特點，科學合理地進行粉煤灰的分級處理、質量指標的設定，通過粉煤灰材料的合理設計，改善橋梁工程的耐久性和安全性，如表2所示。

表2 粉煤灰分級和質量指標

3.4 工程抗震設計

橋梁工程項目的設計工作中應重點關注工程結構的抗震設計，提升項目的抗震性能，以免地震災害對橋梁的耐久性和安全性造成不利影響。首先，在設計之前應在現場區域進行工程地質狀況和氣候狀況的勘查分析，根據現有的資料和數據信息等編制抗震設計的方案。其次，抗震設計的過程中需要綜合研究工程項目的地震風險因素、安全事故發生因素、耐久性影響因素等，利用試驗分析的方式選擇最佳的抗震設計方案，如表3 所示。可以按照公式=····、·準確進行抗震設計計算，改善橋梁工程的抗震性能，維護結構的安全性和耐久性。

表3 抗震設計計算分析

3.5 加固部分設計

加固設計是提升橋梁工程結構安全性和耐久性的重要措施，應按照實際情況制定完善的橋梁結構加固設計方案。

3.5.1 橋面位置的加固設計

橋面結構的加固設計效果直接影響整體工程項目的安全性和耐久性，主要原因就是橋面是車輛行駛期間直接接觸的部分，隨著橋梁上方車輛通行數量的增加，在振動因素和摩擦因素的影響下，容易發生橋面損壞的問題，不僅會導致橋面外部損傷，還會引發內部結構的問題，對工程項目的安全度和耐久性造成不利影響，所以需要重點進行橋面位置的加固處理。其一，在橋面區域設計標準性的防水層，根據橋面的狀況設計流水槽、排水系統，確保在雨季不會發生積水的現象，預防雨水浸泡影響橋面的使用壽命。其二，合理進行橋面和路面銜接位置的加固設計，預防銜接處有裂縫問題、平整度問題，避免車輛行駛過程中發生顛簸事故或跳車事故，維護橋梁工程使用安全和結構壽命。

3.5.2 鋼筋混凝土加固設計

鋼筋混凝土的穩固性對橋梁工程的安全性和耐久性會產生直接影響，應需要合理進行鋼筋混凝土加固設計，以此增強整體工程的安全性，延長結構的使用壽命，設計預應力鋼筋和混凝土材料結合的模式，構建較為良好的結構體系，提升橋梁工程的受力性能。與此同時，還需對橋梁結構強度影響因素和穩定性影響因素進行分析，按照影響因素科學設計，避免橋梁工程結構出現穩定性問題、安全性問題等，延長結構的使用壽命，確保橋梁工程的耐久性。

4 結語

綜上所述，橋梁工程項目的安全性和耐久性設計過程中需遵循基本的要點原則，嚴格進行結構預應力損失控制設計、結構安全因素的控制設計、結構撓度與安全指標的控制設計，有效維護工程項目的安全性和耐久性，同時應按照橋梁結構的特點和超載因素等開展設計工作，合理進行結構設計與材料的設計，強化工程抗震和加固設計力度，有效維護工程結構的安全水平，延長整體結構的使用壽命，達到預期的結構設計目的。